Decreased cloud cover partially offsets the cooling effects of surface albedo change due to deforestation
Hao Luo, Johannes Quaas, Yong Han, 2024 in Nature Communications
森林通过光合作用吸收大气中的碳，有助于缓解全球变暖。除了其生物地球化学效应，森林还通过生物物理过程影响气候，如改变地表水和能量平衡。以往的研究多集中在森林砍伐对地表温度的直接物理影响，例如热带地区可能变暖，而北方可能变冷。然而，对森林间接生物物理效应的研究较少，尤其是森林砍伐如何影响云及其辐射平衡，这对评估土地利用变化对气候变化的影响至关重要。
过去基于观测的研究发现森林砍伐会导致全球云量减少，但在空间上存在差异。这种方法多通过比较森林与相邻开阔地的云量，假设两者气候背景相同，从而推断森林对云量的影响，得到森林砍伐的局地效应。除了观测研究，大气环流模型（GCM）也常用于量化森林砍伐的影响，其发现全球平均云量可能因森林砍伐而增加。与观测研究不同，模型结果涵盖了森林砍伐的局地效应和非局地效应，所以在对比两种方法结果时，需要区分森林砍伐的局地和非局地影响。值得注意的是，过去这些研究主要关注总体云量的变化，但云在不同高度上对辐射的影响有所差异。低云具有高反射率，通过反射太阳辐射产生冷却作用，而高云允许短波辐射通过，同时吸收长波辐射，导致变暖。因此，分析森林砍伐对云辐射效应的影响时，还需注意其垂直结构差异。
本研究从两个角度评估森林砍伐对云剖面的影响，及其相关的辐射效应。一是基于ERA5再分析观测资料的空间代时间法，假设相邻网格背景气候一致（即非局地效应），对比森林和开阔地的云量差异，得到森林砍伐的局地效应。二是运用5个GCMs模型进行理想化森林砍伐实验，假设在50年期间，全球森林覆盖率最高的30%区域内森林以每年40万平方公里的速率线性移除，并保持土地覆盖不变进行30年的模拟，将其云量与前工业化时期对比，得到森林砍伐的影响。此外，本研究采用棋盘法模拟，剥离了GCMs模型的局地和非局地效应，以便与基于观测的结果对比。
研究结果发现两种方法在森林砍伐的局地效应方面显示一致性，均显示森林砍伐导致全球低云量和热带地区高云量的减少（图1）。这主要是由于低云与地表的紧密耦合，其形成和演变过程受到地表能量和水汽通量的影响。此外，深对流云的云顶高度大致可以指示森林砍伐影响云的最大高度。由于深对流云的云顶高度在不同地区有所不同，热带地区的云顶高度高于北方地区，因此森林砍伐更有可能影响热带地区的高层云。
图1 每单位森林砍伐导致的云量垂直剖面变化
云的形成受到热力学和水分因素的影响，研究从这两方面探究了在全球森林砍伐区域云量变化的关键因素，主要包括反照率及蒸散发、风速、温度梯度、湿度梯度等。这些因素共同导致了地表湍流热通量（感热和潜热）的变化，引起云量的变化。具体来说，北方地区，感热减少导致抬升过程减弱，而热带地区，潜热减少导致水汽供应减少，均造成了云量的减少（图2）。
图2 森林砍伐造成的地表湍流热通量变化
由于森林砍伐导致的云量减少会引起增温效应，而地表反照率的增大具有降温效应，阐明两者之间的竞争关系对全面理解森林生态系统的生物物理过程至关重要。因此，该研究以大气顶部出射辐射（TOA）为指标，比较了反照率和云量带来的辐射效应。结果发现森林砍伐导致的地表反照率增加所带来的冷却效应在地气系统辐射收支中起主要作用，而云量减少所带来的增暖效应则起到了一定的缓冲作用（图3）。云量减少的增暖效应分别抵消了大约44%（理想化毁林试验）和26%（空间代替时间方法）的地表反照率增加的冷却效应（图3）。
图3 森林砍伐对大气顶辐射通量的影响
该研究强调了未来在研究森林生物物理效应时考虑云-气候相互作用的重要性，然而，在方法及数据方面仍存在一定不确定性。在运用棋盘法模拟区分局地和非局地效应时，引入了水平插值误差。不同土地覆被对云的影响不同，理想化实验仅考虑森林变成草地的情况，基于观测的方法则涵盖了多种覆被的影响，可能导致结果的差异。总之，不同研究方法所得到的云辐射效应与地表反照率效应之间的竞争关系仍在数值上存在不确定性，未来需要对方法进行进一步探讨，以便更好地理解森林砍伐对区域和全球气候的复杂影响。
注1：中山大学大气科学学院博士毕业生罗浩是论文的第一和通讯作者，韩永教授是论文的共同通讯作者。
注2：edited by 地学新文献 & Ruijie
