地表温度是气候变化的关键指标，它受陆-气反馈机制的影响，能够直观、敏感地反映地表能量的扰动。土地利用变化被认为是人类对自然环境最直接的改变之一。土地利用的变化改变了近地表的地球物理和地球化学特性，从而改变了陆地和大气之间的水分和能量交换，导致局地对流和大规模大气环流的变化，进一步改变地表温度。然而，以往的研究更多关注土地利用变化对地表温度气候态的影响，而对温度的极端变化更多关注全球变暖的影响。全球地表温度的极端变化和平均变化对土地利用变化响应的时空差异及影响机理尚未被充分探究。

近日，我系高艳红教授团队利用目前最先进的耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的土地利用计划（LUMIP）的相关数值模式模拟数据，研究了土地利用变化在历史（1995–2014年）和未来（2080–2099年）两个时间段内引起的全球地表温度变化。基于地表能量平衡方程，给出了研究时段内导致长期平均和极端态地表温度变化的主要贡献因子，并分析了可能的物理机制。研究表明，在历史和未来时期，土地利用变化引发的极端态地表温度下降的幅度最高可能为平均态的10倍。向下（入射）长波辐射成为控制北半球中高纬度地区地表温度变化的主导因子。土地利用变化首先可以通过陆-气相互作用扰动地表能量平衡，进一步调节北半球中高纬度地区的水汽和云量的空间分布。局地效应和远距离效应的共同作用影响了北半球中高纬度地区向下长波辐射和地表温度的变化。

北美、南美、中亚和澳大利亚沿海地区广泛分布的森林和天然非森林植被在历史时期有所下降。未来的森林砍伐预计将主要出现在热带非洲。在北半球中高纬度和热带地区，土地利用变化的主要类型是将森林和天然非森林植被转化为牧场和农田（图1）。潜热是大部分热带地区的主要影响因素。而在大多数北半球中高纬度地区，向下长波辐射成为影响地表温度变化的主要因素。在December-January-February（DJF）中观察到的地表温度变化的空间分布与平均态相似，但其变化幅度约为平均态变化的2–3倍（图2）。当地表温度变化在极端态底部5%时（Bot5%），向下长波辐射的主导区域向南扩展，几乎覆盖了整个北半球。潜热作为主导因子的面积显著减少（图3）。在未来时期，平均态和Bot5%的地表/近地表变化预计与历史时期相似，但幅度较小。这可能是由于未来时期北半球中高纬度地区的土地利用变化将弱于历史时期，从而导致相应较弱的局部效应。

土地利用变化可以通过地表温度本身、大气温度、水汽和云影响北半球中高纬度地区的地表温度变化。在北半球中高纬度的一些土地利用变化大值区，地表反照率略有增加，地表净辐射相应减少，地表温度也会降低。另一方面，地表净辐射和地表温度的降低会增加近地面大气的密度，从而增加地表气压，导致了大气环流调整，东风异常削弱了背景西风气流，并导致该地区水汽含量偏低，云层覆盖的减少也有助于削弱向下长波辐射。

这项研究对比分析了土地利用变化对地表温度变化平均态和极端尾部的影响，指出了向下长波辐射的重要作用，并分析了温度、水汽、云量等相关因素的影响。研究结果将加强对土地利用、辐射和大气环流之间相互作用的理解，同时为有针对性地改变陆地表面环境的提供科学依据。复旦大学大气与海洋科学系博士生张萌为论文的第一作者，高艳红教授为论文的通讯作者，美国哥伦比亚大学丁敏芳教授、北京大学物理学院大气与海洋科学系俞妍助理教授、复旦大学大气与海洋科学系王国印高级工程师为论文的共同作者。

图1：土地利用变化的空间分布及时间序列。（a）历史时期土地利用变化引起的森林和非森林之和变化的空间分布。（b）与（a）相同，但为牧场和农田之和。（c）与（a）相同，但为未来时期。（d）与（c）相同，但为牧场和农田之和。（e）1850–2099年，土地利用变化在北半球中高纬度地区（30–90oN）的五种土地利用类别（森林、非森林、牧场、农田和城市）变化的时间序列，以百分比表示。（f）与（e）相同，但在热带地区（20oS–20oN）。

图2：历史时期土地利用变化导致的地表温度变化的空间分布及其影响因素。（a）土地利用变化导致的CMIP6-LUMIP多模式集合年平均地表温度变化（单位：摄氏度）的空间分布。（b）向下长波辐射对年平均地表温度变化贡献（单位：摄氏度）的空间分布。（c）对年平均地表温度变化贡献最大（首要贡献）因子的空间分布。（d）–（f）与（a）–（c）相同，但为June-July-August（JJA）的平均值。（g）–（i）与（a）–（c）相同，但为December-January-February（DJF）的平均值。打点区域表示CMIP6-LUMIP多模式集合平均值的变化符号与7个单个模式中的至少5个模式的变化符号一致。

图3：历史时期土地利用变化导致的地表温度变化下尾部的空间分布及其影响因素。（a）地表温度变化最小值的月份。（b）向下长波辐射（LWd）对地表温度变化最小值的贡献百分比。（c）全球陆地上五个气象要素（向下长波辐射、向下短波辐射、地表反照率、潜热和感热）对地表温度变化贡献的空间加权平均，分别以浅绿色、天蓝色、深绿色、橙色和红色表示。地表温度变化为灰色。所有数据均按地表温度变化的百分位数进行排序。（d）当地表温度变化为底部5%平均值（Bot5%）时，土地利用变化引起的地表温度变化的空间分布。（e）向下长波辐射对Bot5%地表温度变化贡献的空间分布。（f）引起Bot5%地表温度变化的首要贡献因子的空间分布。打点区域和星号表示CMIP6-LUMIP多模式集合平均值的变化符号与7个单个模式中的至少5个模式的变化符号一致。

论文信息：

Zhang, M., Gao, Y., Ting, M., Yu, Y., & Wang, G. Land-use induced changes in extreme temperature predominantly influenced by downward longwave radiation. Communications Earth & Environment, 5, 758 (2024). https://doi.org/10.1038/s43247-024-01936-0