植被覆盖变化的平衡反应
众所周知，在有植被的情况下，并非所有的降水都能到达下垫面。一部分被植被截留(截留效应)。植被所保留的水分的蒸发增加了大气中的水蒸气含量，(在水蒸气凝结的情况下)增加了降水的强度和持续时间。水分由植物的根从土壤中提取出来，并通过叶片气孔的蒸腾作用返回到大气中。蒸腾速率取决于植被的密度、高度和类型。例如，对于草地覆盖物，蒸腾作用近似等于蒸发量，而对于高大的树木，蒸腾作用可超过蒸发量一个数量级。此外，可能发生的情况是(如在茂密的落叶林中)，植被覆盖和土壤表面的潜热通量被引导到大气中，而如果土壤处于阴影中，则感热通量被引导到下垫面。很明显，这种情况只发生在连续林区的有限地区。当空间尺度增大时，影响水平感潜热运输和降水占主导地位。
土壤与植被间热湿再分配机制主要影响气象参数日振荡的形成。但这并不排除植被可以影响长时间尺度的过程这一事实。我们用下面的例子来说明这一点。木材通常会减少期间的最大径流雪融化暴雨，同时防止河流在无雨时期变浅。根据Baumgartner(1979)，林地径流量与降水的比值为0.18;在野外，这个数字是0.42。
已经确定，干旱地区的植被倾向于最大限度地减少土壤的水分损失，而在过度潮湿的地区，它倾向于以增加植被密度为代价来最大限度地提高生物量。不同的植物种类以不同的方式显示这种趋势:在干旱地区，植物的叶子朝着太阳光线的方向转动，而在水分过多的地区，植物的叶子垂直于太阳光线转动，因此在第一种情况下减少了蒸腾和蒸发，在第二种情况下增加了蒸腾和蒸发。还有一些组织更复杂的情况，上层植物的叶子保护下层植物的叶子，而不考虑它们的水分程度或上面空气层中水分的缺乏。对干旱地区和水分过多地区蒸腾量的估计表明，上述趋势在10至100公里的广阔空间尺度范围内都能观测到。这为正确描述全球气候模型中大型植物关联的影响带来了希望。
直到最近，植被覆盖层和大气之间的热量和水分交换过程都是通过引入交换强度对下垫面湿度和粗糙度和/或水平坐标的不同依赖关系来描述的。Dickinson et al.(1986)和Sellers et al.(1986)提出的生物圈模型考虑了植物生理特性对热量和水分交换的影响。在这些模型中，以植被覆盖层表面水滴形水分的温度和质量、一定水平的土壤含水量和土壤表面水分质量为因变量。通过植物根系的蒸腾和水运输是根据阻力定律进行参数化的，根据阻力定律，所检查的物质的通量被假定为与边界上其值的差异成正比，比例因子表征了汇率。后者被认为是下垫面和植被覆盖层的扩散阻力系数和单株内部及其表面的水分交换速率的函数。对于蒸腾，阻力系数表示为叶片扩散阻力和气孔阻力的总和，这取决于太阳辐射值、季节和植物从土壤中提取水分的量。根系的抵抗力由土壤的湿润程度、根系的大小以及(对于特定类型的植物)最大蒸腾作用决定。Dickinson et al.(1986)挑选出18种不同类型的下垫面，这些下垫面因根系的大小以及生理、空气动力学和辐射特性的植被。土壤按其机械结构分为十二类，按其颜色分为八类。所提出的模型的主要限制在于确定植物关联的平均性质及其相互作用的影响。克服这些限制是未来的事情。
自其出现以来，人类一直在不断完善破坏植被的方法。从一开始，这是通过收集野生植物的根和果实，然后当人类学会生火时，他故意引起火灾，现在我们看到自然植被被人工植被取代，植物区系的组成和结构恶化(植物王国的协同作用)。植被覆盖的第一次重大变化早在从狩猎和捕鱼到养牛和农业的过渡时期就开始了。从那时起，这些变化继续以越来越快的速度。变化的规模可以从下面的图中判断出来。根据Sagan等人(1979)的说法，自从人类首次出现以来，沙漠的面积增加了9 x 106平方公里;另一方面，在温带地区，森林面积减少了8 × 106平方公里，在温带地区减少了7 × 106平方公里热带；城市化已导致约1 × 106平方公里面积的植被全部遭到破坏;含盐量超标的土地面积增加了0.6 × 106 km2。因此，人为变化总共影响了26 x 106平方公里，即17%的土地面积。
森林破坏最严重的地区是热带地区。根据Woodwell等人(1983)的数据，热带森林面积的减少速度为每年0.16 × 106平方公里到0.19 × 106平方公里。根据粮农组织1988年和1990年热带森林评估的新估计表明热带森林砍伐从1980年的0.132 x 106 km2增加到1990年的0.193 x 106 km2。如果这种森林砍伐在1990年后继续下去，其速度将取决于森林砍伐国家的人口增长雷竞技手机版app热带带，那么根据IPCC(1992)，到下个世纪末，热带森林的面积将从73% (14.47 × 106平方公里)增加到91% (16.86 × 106平方公里)。所有这些都表明，目前植被覆盖的人为变化具有全球性特征。这会导致什么样的气候后果?为了回答这个问题，我们考察了两种极端情况:森林面积的破坏和植被覆盖的完全破坏(见Kagan et al.， 1990)。
破坏森林。与此同时，下垫面反照率、土壤湿度和大气中二氧化碳浓度也发生了变化。反过来，这些变化取决于次生植被的形式和为土壤腐殖质保护所采取的措施。我们考虑人类经济活动的下列情景:(1)木材被烧毁，被砍伐的土地上的植被没有恢复，土壤腐殖质没有保存;(2)木材被烧毁，被砍伐的土地上的植被恢复，土壤腐殖质没有保存;(3)焚烧木材，开垦耕地，采取适当措施保持土壤腐殖质。
我们将由于森林破坏导致下垫面反照率的变化Scts定义为(anf - af)sf/s，其中anf为已开垦土地的反照率;Af和s{为森林反照率和面积;S是土地面积。根据Whittaker和Likens(1975)， 1950年的森林总面积为48.5 x 106 km2，其中24.5 x 106 km2为热带森林(热带丛林和季节性热带森林);5.0 x 106平方公里的常绿亚热带森林;7.0 × 106平方公里的温带季节性森林和12 × 106平方公里的北方森林。假设热带丛林和寒带林的反照率为0.10，季节性热带林、亚热带常绿林和温带季节性林的反照率为0.15，则af的面积加权平均值为0.12。假设清场地、草甸植被和耕地的反照率分别为0.14、0.20和0.25，我们得到Sas«0.01、0.03和0.04。我们注意到过去25-30年的最大反照率变化是由沙漠化的影响，盐碱化、温带和热带森林砍伐和城市化在3.3 × 10~4和6.4 × 10~4之间(Henderson-Sellers and Gornitz, 1984)。
此外，根据Whittaker和Likens(1975)的数据，热带丛林的生物量密度(以碳为单位)为20.25 kgC/m2，季节性热带和亚热带常绿森林为13.5 kgC/m2，北方森林为9.0 kgC/m2。因此，有了关于森林面积的现有信息(见上文)，我们可以推测，当烧毁所有森林时，大约有0.744 TtC (1 Tt = 1012 t)被转移到大气中。森林的破坏也伴随着土壤呼吸的增强。假设热带丛林土壤生物量密度为13.0 kgC/m2，热带常绿亚热带季节性林为7.0 kgC/m2，温带季节性林为10.7 kgC/m2，北方针叶林为20.6 kgC/m2，则森林土壤腐殖质总碳含量为0.631 TtC。如果土壤呼吸导致腐殖质碳含量减少15%，我们就获得了大气中碳的额外增加，这将等于0.095 TtC。通过这种方法，大气中碳的总输入量为0.839 TtC。
大气中过量的碳必须部分由海洋吸收，部分由陆地生物群吸收。我们将假设，在未被森林占据的土地上，原始植被的生产不是受到大气中二氧化碳含量的限制，而是受到其他因素的限制(例如，受到短波太阳辐射通量和土壤含水量的限制)。在这种情况下，过量的大气碳汇必须由海洋和已开垦土地上的次生植被的吸收来确定。我们假设大约有一半的过剩二氧化碳被海洋吸收，由于次生植被的同化，大气碳汇可以通过草地和耕地的生物量密度来评估，根据Whittaker和Likens(1975)的说法，生物量密度等于0.72和0.45 kgC/m2。因此，我们得出的结论是，将荒地转变为草地和耕地分别需要从大气中去除0.035和0.022 TtC，并且在上述三种情景下，大气中二氧化碳浓度的总增加分别等于196、188和169 ppm。
在0.5维季节热力学模型(见5.5节)框架内获得的对人类经济活动不同情景的计算结果指出，当燃烧的森林由于植被无法更新(第一种情况)，大气中二氧化碳浓度的增加占主导地位，正因为如此，气候变化气候特点在质量上与大气中二氧化碳浓度加倍引起的变化一致，而在数量上却有几十个百分点的差异。的影响反照率增加在南部的方框中，地表温度只略微下降。森林向草地和耕地的转变(第二种和第三种情景)导致了相反的气候特征变化，这是由于陆地表面反照率增加的影响大于大气二氧化碳浓度增加的影响。
植被被完全破坏。上面描述的一系列数值实验导致了一个有些意想不到的结果:森林的破坏导致土壤含水量的增加和径流的减少。在现实中，植被覆盖的破坏(例如，将森林转变为稀树草原或将稀树草原转变为沙漠)伴随着土壤含水量的下降。显然，得到的结果是水文循环参数(土壤水分容量W0和用于径流形成的降水y的百分比)恒定的结果，一般来说，这取决于植被覆盖的类型和状态。由于这种对整个地球的依赖性是未知的，所以只有一件事要做:检查一个极端的情况，在这个情况下，通常的景观被一个完全没有任何植被的表面所取代，从其性质来看，它让人想起干燥的灰色土壤。
让这个表面的反照率等于0.25，湿度为零。我们还考虑到，在没有陆地植被的情况下，土壤腐殖质中的碳必须在大气和海洋之间重新分配。根据Whittaker和Likens(1975)的研究，陆地植被中的碳含量为0.828 TtC，土壤腐殖质中的碳含量为2.9 TtC，而土壤腐殖质中所含的2.9 TtC中，只有2.0 TtC(土壤腐殖质中与大气进行交换的活性部分的碳量)的15%被添加到大气中。因此，海洋-大气系统净进碳量为1.128 TtC。像以前一样，假设二氧化碳在海洋和大气中进行了平等的重新分配，我们就会得到大气中二氧化碳的浓度必须比现在的浓度增加264 ppm。由此可知地表反照率、土壤含水量和大气中二氧化碳浓度的极限值。
很明显，只有在列出的三个因素都不单独考虑，而是综合考虑的情况下，才能确定完全破坏植被的气候后果。它们的综合效应表明，结果接近于在零土壤含水量的实验中得到的结果。这表明，前两个因素，在影响它们的意义上是分开的气候系统他们之间相互竞争，对大多数人来说，实际上是相互补偿。唯一的例外是年平均气温地表方面:反照率增加的优势效应导致地表温度(相对于土壤含水量为零时的反照率)下降，地表气温随之下降。
总的来说，地球植被的全面破坏导致行星反照率的增加，大气和净辐射冷却的减少辐射通量在下垫面，大气和海洋经向感热和潜热输送减弱，质量加权平均空气温度下降，地面空气温度上升(整个半球)，温带和低纬度蒸发和降水减少，高纬度增加，径流增加，盒子之间的边界向北移动，寒冷深水形成区域的温度上升，海冰消失，温带和低纬度深海温度上升，上升流减弱，UML厚度增加，最后，a温度下降在上升流区。在此过程中，大气质量加权平均温度和湿度以及降水和蒸发量的季节振荡振幅减小，而在温带和低纬度，地表空气温度的季节振荡振幅增大，而在高纬度则急剧减小。
总之，我们提出了气候系统对植被覆盖人为变化的平衡响应的一些估计。根据Sagan等人(1979)的研究，地表反照率的变化与已经提到的增加有关沙漠地区，对森林的破坏热带和温带纬度、土壤盐碱化和城市化导致全球地表气温下降1°C。根据Potter等人(1981)的估计，地表反照率的增加以持续(在过去一千年)沙漠化和热带森林破坏为代价，导致全球地表空气温度和降水分别下降0.2°C和1.6%(北半球地表空气温度下降0.6°C)。最后，大多数估算表明，由于大气二氧化碳浓度增加一倍，全球表面空气温度和降水平均值增加的区间为1.2至4.5°C，区间为0.06至0.20 mm/天。因此，尽管初始条件不同，但对植被覆盖人为变化后果的现有估计在性质上是相似的。
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