植被绿化减少了北半球高海拔地区和低海拔地区之间的地表温度差异

《Global and Planetary Change》：Vegetation greening reduces land surface temperature differences between high and low elevations in the Northern Hemisphere

植被对地表温度（LST）的反馈效应存在显著空间异质性，本研究利用北方半球2001-2022年MOD13A2 NDVI数据与LST数据，结合DEM通过空间替代时间法揭示植被反馈对LST的垂直梯度效应。结果表明，植被通过降低反照率增强辐射吸收的升温效应在2000米以上表现显著，且效应强度在2000-4000米达到峰值，4000米以上减弱。这种垂直分异主要由高海拔地区雪被覆盖地表的暗化效应主导，而低海拔地区植被通过蒸散发调节的降温效应部分抵消升温。

　　

崔桂林|丁能阳|刘杜琦|徐震

中国延边大学地理与海洋科学学院，延吉133002

摘要

植被对地表温度（LST）的生物物理反馈表现出强烈的空间异质性，但其沿海拔梯度的系统变化仍不甚明了。在此，我们采用时空替代方法，利用卫星获取的归一化植被指数（NDVI）、LST和数字高程模型数据，研究了北半球（北纬30°以北）植被对LST的海拔依赖性反馈。研究结果表明，在海拔约2000米以上，植被会引发净升温效应，而这一升温强度在海拔4000米以上逐渐减弱。2001年至2022年间，植被绿化使高海拔与低海拔地区的地表温度差异减少了约19.73%，这反映了温度梯度的减小而非绝对温度的趋同。这种海拔模式主要与高海拔地区的地表条件有关：植被在积雪覆盖或植被稀疏的地面上扩展会降低地表反照率，从而增强净辐射能量吸收；而在低海拔地区，增加的蒸散作用部分抵消了升温效应。这些发现突显了植被生物物理反馈的海拔依赖性，并强调了其在理解气候变化背景下山区地表温度变化中的重要性。

引言

植被作为陆地生态系统的基本组成部分，在全球碳循环和能量平衡中起着关键作用，其生长动态对气候变化非常敏感（Gerber等人，2004；Poulter等人，2013；Woodward和Lomas，2004）。全球变暖被认为是近期植被绿化的主要驱动力（Piao等人，2020；Zhang等人，2017；Zhu等人，2016）。此外，植被通过调节反照率、蒸散作用和辐射平衡等生物物理过程，对地表温度（LST）产生反馈（Li等人，2018；Liu等人，2022；Zhao和Jackson，2014）。理解植被与LST之间的反馈机制不仅对于阐明陆气相互作用至关重要，也是提高区域尺度气候模型精度、应对气候变化和制定生态保护策略的基础。植被生长对地表温度的反馈机制本质上非常复杂。先前的研究表明，植被可以通过增强蒸散作用缓解地表升温，同时通过降低地表反照率加剧升温（Li等人，2023）。此外，这种影响具有明显的季节性差异。例如，在北半球，植被绿化在冬季往往会导致升温，而在夏季则可能引起降温（Lian等人，2022）。这些发现凸显了植被生长对LST生物物理反馈的显著季节性和空间异质性。

海拔是影响温度、降水、大气压力和辐射条件的关键因素，因此它是决定植被生长模式及其对LST生物物理反馈的关键因素（Li等人，2015b）。例如，在高海拔地区，较低的温度和较短的生长期可能限制蒸散作用，从而减弱植被对地表温度的降温效应（Pepin等人，2022）。相比之下，低海拔地区温度较高，水热条件更适宜，通常支持更强的蒸散作用，从而增强植被对LST的降温效应（Gao等人，2019；Li等人，2015b）。海拔还强烈影响反照率路径，因为许多高海拔地区存在雪或岩石等明亮表面（Zhang等人，2025）；当植被扩展到这些区域或提前绿化时，高反照率表面被较暗的植被取代，会显著增加净短波辐射吸收，通常导致局部升温。此外，由于高海拔地区的大气寒冷干燥，植被引起的近地表湿度和冠层发射率的变化会导致向下长波辐射的相对较大变化，进一步加剧了生物物理反馈的海拔依赖性差异。海拔还通过改变地表粗糙度和空气动力阻力来影响湍流热交换，因为植被结构随海拔变化（Pepin等人，2015）。这些空气动力效应调整了显热和潜热通量的分配，根据局部植被条件放大或抵消温度响应。在许多高海拔地区，季节性积雪覆盖形成了与低地相比反照率更高的独特辐射背景（Ghatak等人，2014）。这种雪覆盖的地表改变了植被运行的基本能量环境，影响了植被对局部温度的影响，特别是在地表反照率和辐射交换方面。此外，在全球变暖的背景下，温度升高的速率随海拔增加而加快，高海拔地区升温速度比低地更快（Pepin等人，2015）。这种海拔依赖的升温可能会进一步改变不同海拔梯度上的植被动态和相关气候反馈。尽管关于植被生长对地表温度的生物物理反馈已有大量研究，但大多数研究集中在季节性或纬度梯度上，往往忽视了海拔作为关键调节因素的作用。这种忽视给我们对植被-温度反馈的理解带来了更大的不确定性。因此，迫切需要系统地评估沿海拔梯度的生物物理反馈机制，特别是为了深入理解复杂地形中的气候过程。

近年来，遥感技术为植被-气候相互作用的研究提供了重要数据。归一化植被指数（NDVI）是一种广泛使用的植被生长指标，可定量反映植被覆盖和绿化趋势（Haboudane等人，2004；Myneni等人，1995）。同时，LST作为地表能量平衡的直接代理指标，与植被分布和状况密切相关（Liu等人，2022；Pepin等人，2015；Zhao和Duan，2020）。遥感技术能够获取大范围地理尺度上的连续NDVI和LST数据，从而在区域层面量化沿海拔梯度的生物物理反馈。此外，数字高程模型（DEM）数据可以提取特定海拔的信息（Palazzi等人，2019），有助于更深入地理解海拔在植被-气候反馈中的作用。基于这些基础，本研究利用卫星获取的NDVI和LST数据，系统评估了北半球不同海拔梯度上植被对地表温度的生物物理反馈。我们采用了时空移动窗口方法，该方法已被广泛用于评估土地利用和土地覆盖变化对局部温度的影响（Lee等人，2011；Li等人，2015a）。这种方法有助于区分不同尺度上局部背景气候和植被生长条件之间的复杂双向相互作用（Li等人，2023），使我们能够估计LST对NDVI的敏感性。

因此，本研究探讨了以下关键科学问题：首先，植被对LST的生物物理反馈是否沿海拔梯度表现出系统变化？其次，植被对地表温度的调节效应如何随海拔变化，以及这些效应在过去二十年里如何演变？最后，根据地表能量平衡方程，驱动海拔依赖性生物物理反馈的潜在机制是什么？通过回答这些问题，本研究为全球植被绿化背景下地表温度变化的空间异质性提供了新的见解，有助于提高复杂地形中气候模型的性能，并为山区生态系统的保护和气候适应策略提供科学依据。

部分摘录

卫星驱动的植被绿化数据集

本研究使用的NDVI数据来自MOD13A2产品（doi：https://doi.org/10.5067/MODIS/MOD13A2.061），其时间分辨率为16天，空间分辨率为1公里，覆盖2001年至2022年的数据。我们选择了2001年至2022年间北纬30°以北地区的NDVI数据作为研究区域。通过平均聚合生成了月度NDVI合成图。为了与其他数据集保持一致并便于后续分析，所有数据都被重新采样到相同的空间分辨率。

沿海拔梯度的植被与地表温度之间的关系

分析表明，大约65.4%的北半球地区随着海拔升高，植被引起的升温效应增强（图1a）。在大陆尺度上，亚洲的海拔依赖性升温最为明显（0.31/100米），其次是欧洲（0.18/100米）和北美洲（0.14/100米），而北非则呈现相反的模式

高海拔地区植被的升温机制

先前的研究表明，山区地区的升温速率通常高于相邻的低地（Beniston等人，1997；Diaz和Bradley，1997；Liu和Chen，2000；Pederson等人，2010；Pepin等人，2015；Qin等人，2009）。这种海拔依赖性升温（EDW）现象影响了植被动态，通常导致沿海拔梯度的绿化强度差异（Berner等人，2020；Keenan和Riley，2018；Piao等人，2020）。

结论

本研究表明，植被对地表温度的生物物理反馈在北半球表现出明显且非线性的海拔依赖性模式。在海拔约2000米以上，植被绿化增强了地表升温效应，最强效应出现在2000至4000米之间，而在4000米以上逐渐减弱。这种海拔变化反映了主导地表能量平衡过程的变化。在高海拔地区，植被在积雪覆盖的地面上扩展

CRediT作者贡献声明

崔桂林：方法论、正式分析、数据管理、概念构建、初稿撰写。丁能阳：可视化、验证、软件应用、调查、审稿与编辑。刘杜琦：可视化、验证、软件应用、调查、审稿与编辑。徐震：监督、项目管理、资金获取、审稿与编辑。

未引用的参考文献

Bounoua等人，2000

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42471133）的支持。