温带森林在热浪期间的气候调节作用：兼具升温与降温功能的独特发现

为探究森林对气候影响，研究人员观测荷兰 4 个站点，发现温带森林在热浪时有升温降温双重作用，意义重大。

　　

研究背景

在全球气候加速变化的当下，极端天气事件日益频繁，其中热浪对生态系统和人类生活的影响愈发显著。森林，作为地球上重要的生态系统之一，一直被视为缓解气候变化的 “天然卫士”。它不仅在生态、经济和社会层面有着不可替代的作用，还在调节气候方面扮演着关键角色。比如，森林可以通过改变辐射、增强蒸散作用和储存碳等方式，对局部和全球的陆地表面起到降温效果；同时，森林还能影响水分循环，调节区域气候。

然而，森林对气候的影响并非简单直接。以往大量研究聚焦于森林对温度的影响，多通过比较开阔地和林下气温来展开。但森林生态系统对气候系统的作用十分复杂，其碳固存能力虽能在较长时间尺度上缓解温室效应，可低反照率的树冠却会增强太阳辐射吸收，导致大气升温。而且，在不同湿度区域，森林对气候的影响也大不相同。在湿润地区，蒸散作用产生的较大潜热通量能抵消部分升温效应；而在缺水地区，大部分吸收的辐射以感热形式消散，反而加剧冠层上方的温度上升。

此外，关于森林在热浪期间对气候的调节作用，尤其是对冠层上方气候的影响，相关研究还存在诸多空白。一方面，此前研究多从微气候或大气单一视角出发，很少有研究能同时观测冠层上方通量、多层温度，以及附近草地作为对照，且观测时间覆盖热浪条件。另一方面，虽然知道森林可能对云形成有间接影响，但缺乏对冠层上方气候与开阔地的直接对比研究。所以，深入探究森林在热浪期间的气候调节功能迫在眉睫，这对于全面评估森林生态系统服务、应对气候变化意义非凡。

研究机构与研究内容

为了填补这些研究空白，来自国外的研究人员开展了一项极具意义的研究。该研究成果发表在《Agricultural and Forest Meteorology》上。研究人员选取了荷兰的 4 个不同站点，包括位于沙丘上、植被丰富多样的 Loobos 森林站点，以及 Cabauw、De Bilt 和 Deelen 这 3 个作为开阔地对照的站点。在 1997 - 2020 年期间，对这些站点的开阔地、林下和冠层上方的各项数据进行观测。

研究人员运用了多种技术方法。在数据测量方面，使用铂电阻温度计测量近地表气温，通过涡度相关法（eddy covariance method），利用三维超声风速仪量化能量的湍流通量。由于各站点海拔不同，为使数据具有可比性，研究人员进行了插值处理，将其他站点的温度数据转换为与 Loobos 站点相同海拔高度的数据。在热浪定义上，研究采用了世界气象组织的定义，并根据研究期间的十年数据（1997 - 2006 年）确定气候平均值，以 Loobos 冠层上方 23.5m 处的温度来定义热浪日（Heatwave Day，HWD）。

研究结果

1. 能量和冠层效应的气候学特征：研究发现，森林中感热（H）通常大于潜热（LE），而开阔地（草地）则相反，且这种差异在热浪条件下更为明显。在热浪日，森林中的H增大（与正常暖季相比，中位数差异为 104W/m2），LE减少（中位数差异为 11W/m2），这是因为树木为减少水分流失关闭气孔，蒸发能力下降。而草地在热浪日LE增加（中位数差异为 58W/m2），蒸发冷却作用增强。从温度变化来看，白天森林上层（冠层上方、7.5m 处）与开阔地的温差呈山谷型变化，林下凋落物层与开阔地的温差呈峰值型变化。在下午，冠层开始使上方温度升高，同时，开阔地表面潜热通量增加，冷却了表面，加大了上层温度与开阔地温度的差异。夜晚，开阔地温度下降快，森林近地表能量积累，冠层向凋落物层发射更多长波辐射，使得林下近地表夜间温度下降较少，有时甚至高于开阔地温度。而且，热浪日冠层对凋落物层、冠层上方和 7.5m 处温度的影响比正常暖季更强。
2. 森林与开阔地温度差异对比：森林温度剖面在白天和夜间大多低于开阔地，但夜间林下凋落物层温度例外。虽然冠层在白天和夜间对冠层上方环境有平均降温作用，但在下午和傍晚早期，冠层有使冠层上方环境升温的潜力，升温幅度可达 5°C。白天，森林上层与开阔地的温度对比范围更大，说明夜间冠层对上层的影响较小。在热浪期间，森林上层H增加、LE减少，导致 23.5m 和 7.5m 处白天温度升高，而林下凋落物层平均温度相对稳定。相比之下，开阔地虽LE增加，但平均温度仍升高。这表明森林冠层在热浪期间对近地表环境有很强的缓解作用，且此时冠层对凋落物层的降温效果比正常时期更强。
3. 冠层对森林温度剖面在暖季的影响：研究还发现，白天和夜间，站点平均冠层效应随开阔地温度升高近似线性增加，这意味着森林冠层在缓解极端高温方面有潜在作用。当开阔地温度较高时，其与林下凋落物层的温差更大，冠层的降温效果更明显，这也解释了为何热浪期间冠层对近地表环境的降温作用更强。而开阔地温度与 Loobos 森林冠层上方或中层温度的关系较弱，说明外部温度对冠层影响森林上层大气环境的方式影响较小。

研究结论与意义

这项研究通过连续的地面测量首次表明，考虑冠层上下过程时，温带森林在热浪期间具有同时升温与降温的功能。森林通过增强感热对大气有升温作用，特别是在热浪条件下；而对林下凋落物层代表的近地表环境有降温作用。研究显示，冠层上方温度通常比开阔地高，中层空气在热浪夜间峰值时比开阔地高约 5K，凋落物层温度在热浪日比开阔地低 12.5K。这充分说明温带森林的气候调节服务意义重大且比以往认知的更复杂，在评估森林生态系统服务时，必须全面考虑冠层上下生态系统服务的差异。

该研究为理解森林在气候变化中的作用提供了新视角，有助于更精准地评估森林生态系统服务，为制定合理的森林保护和管理策略提供了科学依据，对应对气候变化、保护生态环境具有重要的指导意义。同时，研究也指出了未来研究方向，如扩大研究不同生物群落和生态系统，纳入更多原位观测、遥感数据、再分析数据和气候模型数据，进一步探究影响森林气候的各种因素，从而更深入地揭示森林与气候之间的复杂关系。