北半球不同植被下积雪变化特征及模拟订正

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季节性积雪是冰雪圈最活跃的组成部分之一,具有高反照率和低热传导率的特征,不仅会改变局地水循环,还会影响局地能量收支。本文以北半球季节性积雪作为研究对象,采用1980-2014年MERRA2再分析资料、CMIP6历史模拟资料及2015-2100年CMIP6未来模拟资料,对北半球近35年积雪的分布特征和变化趋势进行了分析,比较了不同排放情景下积雪的未来变化;结合MODIS提供的下垫面类型及NDVI数据,分析了北半球中高纬度地区积雪变化对植被的影响及模式模拟;使用线性订正和EEMD替换分量的方式对模式结果分别进行订正,并比较了订正前后的差异。结果表明:(1)在再分析资料中,1980-2014年间北半球积雪主要分布在中高纬度地区,积雪覆盖及雪深整体均呈下降趋势,下降速率分别为-2.85×10-2%/a和-2.91×10-4m/a。积雪覆盖和雪深的变化具有显著的季节特征,在不同的季节表现出不同的变化。其中,积雪覆盖在春季和秋季表现出最显著的下降,下降速率分别为-3.10×10-2%/a和-4.48×10-2%/a,而雪深在春季和冬季下降最显著,下降速率分别达-4.08×10-4 m/a和-3.48×10-4 m/a。下降最显著的地区是落基山脉、欧洲和青藏高原。而在模式的历史模拟结果中,积雪覆盖及雪深的整体下降趋势均大于再分析数据,这主要是由于模式没有再现中纬度地区的上升趋势。在未来不同情景下,积雪将继续下降。在SSP1-2.6情景下,积雪覆盖和雪深下降最少,并在2040年后几乎不变。在SSP5-8.5情景下,积雪覆盖及雪深下降最剧烈,到2100年将仅为现在的一半。(2)从积雪过程来看,积雪的堆积和消融过程在不同植被类型上呈现出不同的特征。在北半球中高纬度地区,积雪在稀疏灌木中最先开始堆积并达到最大值,其次是常绿针叶林,而在混交林中堆积最慢,这导致了积雪覆盖与雪深的关系曲线呈现出不同的形态。随着气候的变化,积雪覆盖与雪深的关系曲线也发生了变化,并通过改变生长季和生命周期等对植被产生影响。2001-2012年间,北半球中高纬度地区常绿针叶林及混交林不断向北扩张,而稀疏灌木覆盖面积整体收缩,北半球中高纬度地区的NDVI随之增加。然而,CMIP6模式并没有很好地再现积雪过程的变化,尤其是在堆积和消融阶段中期,与再分析数据存在显著差异。在未来情景中,积雪覆盖和雪深随着排放的增加下降加剧,而积雪过程也随之改变。(3)比较MERRA2再分析资料与CMIP6历史模拟资料的结果,发现模拟结果与再分析资料存在一定差异。积雪覆盖和雪深差异最显著的地区是落基山脉和青藏高原,年平均值最大差异分别达20%和0.1 m以上。平均值和趋势差异最大的季节是春季和冬季。利用年平均值建立线性回归,对模式结果进行订正后,模式结果与再分析资料之间年平均值的差异整体减小,但季节平均值和趋势的差异仍然较大。而分季节逐点订正后,季节平均值的差异进一步减小,但趋势差异仍然显著。采用EEMD方法对模式结果进行分解,并将模式中的年代际分量和长期趋势替换为再分析资料的分量,结果大部分区域的平均值和趋势差值均显著减小。
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