地表溫度是氣候變化的關鍵指標，它受陸-氣反饋機製的影響💂🏽‍♀️🚻，能夠直觀🐽、敏感地反映地表能量的擾動💝。土地利用變化被認為是人類對自然環境最直接的改變之一。土地利用的變化改變了近地表的地球物理和地球化學特性，從而改變了陸地和大氣之間的水分和能量交換，導致局地對流和大規模大氣環流的變化，進一步改變地表溫度😏。然而📠👩🏼‍🔬，以往的研究更多關註土地利用變化對地表溫度氣候態的影響，而對溫度的極端變化更多關註全球變暖的影響。全球地表溫度的極端變化和平均變化對土地利用變化響應的時空差異及影響機理尚未被充分探究🧑‍🦽。

近日，我系高艷紅教授團隊利用目前最先進的耦合模式比較計劃第六階段（CMIP6）的土地利用計劃（LUMIP）的相關數值模式模擬數據，研究了土地利用變化在歷史（1995–2014年）和未來（2080–2099年）兩個時間段內引起的全球地表溫度變化。基於地表能量平衡方程👰，給出了研究時段內導致長期平均和極端態地表溫度變化的主要貢獻因子，並分析了可能的物理機製。研究表明，在歷史和未來時期，土地利用變化引發的極端態地表溫度下降的幅度最高可能為平均態的10倍🫄🏼。向下（入射）長波輻射成為控製北半球中高緯度地區地表溫度變化的主導因子🟧。土地利用變化首先可以通過陸-氣相互作用擾動地表能量平衡🫷🏽☎，進一步調節北半球中高緯度地區的水汽和雲量的空間分布。局地效應和遠距離效應的共同作用影響了北半球中高緯度地區向下長波輻射和地表溫度的變化。

北美🏄🏽‍♀️、南美🎽🙅、中亞和澳大利亞沿海地區廣泛分布的森林和天然非森林植被在歷史時期有所下降👱‍♀️。未來的森林砍伐預計將主要出現在熱帶非洲。在北半球中高緯度和熱帶地區，土地利用變化的主要類型是將森林和天然非森林植被轉化為牧場和農田（圖1）👩🏽‍🍳。潛熱是大部分熱帶地區的主要影響因素。而在大多數北半球中高緯度地區👼☝🏽，向下長波輻射成為影響地表溫度變化的主要因素。在December-January-February（DJF）中觀察到的地表溫度變化的空間分布與平均態相似，但其變化幅度約為平均態變化的2–3倍（圖2）。當地表溫度變化在極端態底部5%時（Bot5%），向下長波輻射的主導區域向南擴展，幾乎覆蓋了整個北半球。潛熱作為主導因子的面積顯著減少（圖3）。在未來時期，平均態和Bot5%的地表/近地表變化預計與歷史時期相似🧃，但幅度較小。這可能是由於未來時期北半球中高緯度地區的土地利用變化將弱於歷史時期，從而導致相應較弱的局部效應。

土地利用變化可以通過地表溫度本身👩🏿‍🌾、大氣溫度、水汽和雲影響北半球中高緯度地區的地表溫度變化。在北半球中高緯度的一些土地利用變化大值區，地表反照率略有增加➝，地表凈輻射相應減少👩‍🎨，地表溫度也會降低。另一方面🎶，地表凈輻射和地表溫度的降低會增加近地面大氣的密度👩🏽‍🏭🏊🏼‍♀️，從而增加地表氣壓，導致了大氣環流調整，東風異常削弱了背景西風氣流，並導致該地區水汽含量偏低，雲層覆蓋的減少也有助於削弱向下長波輻射。

這項研究對比分析了土地利用變化對地表溫度變化平均態和極端尾部的影響，指出了向下長波輻射的重要作用👫🏻🤦🏼，並分析了溫度🏋🏽‍♂️✬、水汽、雲量等相關因素的影響。研究結果將加強對土地利用、輻射和大氣環流之間相互作用的理解🦹，同時為有針對性地改變陸地表面環境的提供科學依據。沐鸣2博士生張萌為論文的第一作者，高艷紅教授為論文的通訊作者，美國哥倫比亞大學丁敏芳教授、北京大學物理學院沐鸣2娱乐俞妍助理教授9️⃣、沐鸣2王國印高級工程師為論文的共同作者😭。

圖1：土地利用變化的空間分布及時間序列。（a）歷史時期土地利用變化引起的森林和非森林之和變化的空間分布。（b）與（a）相同，但為牧場和農田之和👩‍🦼‍➡️。（c）與（a）相同🤸🏼，但為未來時期👕。（d）與（c）相同，但為牧場和農田之和。（e）1850–2099年，土地利用變化在北半球中高緯度地區（30–90oN）的五種土地利用類別（森林、非森林、牧場、農田和城市）變化的時間序列，以百分比表示。（f）與（e）相同，但在熱帶地區（20oS–20oN）👦🏼。

https://doi.org/10.1038/s43247-024-01936-0