南京信息工程大学博士生马雨桐以第一作者在《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》揭示东北农田森林交界带午后低强度降水变少
植被不仅会受降水影响，也能通过生物物理效应调节降水。对于大尺度（~100-1000s km），植被通过蒸腾影响大气水汽含量，进而影响局地及下风方降水；而局地尺度（~1-100 km），植被异质性可形成热力差异，诱发次级环流，从而改变局地及邻近区域降水的位置和强度。然而，相比大尺度植被变化，局地尺度植被异质性对降水影响的研究仍然有限。中国东北辽宁省存在典型的农田森林交界带：西侧为平原农田，东侧为山地森林（图1a，b）。以往研究表明，中纬度植被对温度的调节具有明显昼夜差异，白天降温、夜间增温。这种相反作用在日平均尺度上可能被部分抵消，却会在日内尺度上更为突出，并进一步影响降水日变化特征。近年来，该区域同时经历快速变暖和植被绿化（图1c，d）。那么，这些变化是否已经重塑农田与森林之间的局地热力差异和次级环流？又是否进一步改变了降水日变化特征？图1 辽宁省（a）土地覆盖类型和（b）地形分布；1981–2020年暖季平均交界带区域平均（c）气温（单位：℃/decade）和（d）植被叶面积指数（单位：m²m⁻²）时间序列围绕这一问题，南京信息工程大学陆气相互作用团队陈海山教授指导的博士生马雨桐，联合俞淼教授、宋耀明副教授等合作者，以辽宁省农田森林交界带为研究案例，基于1981-2020 年MSWEP 降水资料、CMA 站点资料和ERA5 再分析资料，系统分析了暖季降水日变化特征及其变化机制。相关成果发表于《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》。地表温度（LST）、温度、散度和风场的日变化特征及其长期趋势分别如图2和图3所示。从气候态来看，西侧平原农田的LST 整体高于东侧山地森林，且二者温差在白天随太阳辐射增强而扩大，并于正午前后达到峰值；夜间温差虽有所减弱，但平原仍保持相对偏暖（图2a-j）。温度高度-经度剖面进一步表明，这种热力差异可向上延伸至边界层内（图2k-r）。在这种植被与地形的共同作用下，午后由地形加热激发的平原风明显减弱，交界带附近低层辐合和上升运动偏弱（图2v，w）；而夜间，区域内仍主要受山地风环流控制（图2s、z）。从长期趋势看，1981-2020 年农田和森林LST 均显著升高，但农田增温幅度更大，使农田-森林热力差异进一步增强，且在正午前后最为明显（图3a-j）。与此对应，正午至午后时段交界带上空低层辐合和上升运动呈减弱趋势，表明平原风呈进一步减弱趋势（图3v，w）。图2 1981–2020年暖季平均（a–h）LST日变化空间分布；（i）农田和森林区域平均LST日变化及（j）温差时间序列（农田减森林）；（k–r）农田森林交界带上空温度的高度-经度剖面日变化；（s–z）散度（阴影）和风场（矢量，垂直速度：-1 Pa/s，放大×50）的高度-经度剖面日变化我们按照降水强度百分位将降水划分为十个等级，并分别计算不同强度等级和时次下的降水特征趋势。结果表明，显著变化主要集中在50分位数以下的低强度降水：正午至下午时段低强度降水总量呈明显减少趋势，其中LT 11:00-14:00 最为显著，LT 14:00-17:00 次之（图4-5）。图4 1981–2020年农田和森林暖季降水总量趋势箱线图。数据按降水强度的十分位数进行分组图5 1981–2020年暖季低强度（低于50百分位数）降水总量趋势日变化，（a–h）空间分布，（i–p）农田和森林区域平均时间序列。（a–h）打点区域和（i–p）红色/蓝色虚线及相应数值代表通过α=0.05的显著性检验，灰色虚线代表非显著趋势由于降水过程与天气形势密切相关，我们进一步筛选所有低强度降水事件，并进行天气型聚类，最终得到三类典型天气形势（T1-T3，图6）。结合水汽通量和垂直速度特征来看，T1 表现为强上升型，动力抬升明显；T2 表现为水汽充足型，水汽条件较好；T3 与T1 的环流结构相似，但整体强度较弱，属于弱上升型（图7）。时间序列结果表明，正午至下午低强度降水的减少主要发生在T3 天气型下（图8）。图6 三种主导低强度降水事件的典型天气形势，（a–c）500hPa和（d-f）850hPa的风场（矢量）和位势高度（等值线，阴影）图7 三种主导低强度降水事件的典型天气形势下，（a–c）水汽通量（矢量）及其散度（阴影，单位：10⁻4 kg m⁻2 s⁻1），（d-f）农田森林交界带上空垂直速度高度-经度剖面图8 1981-2020年不同天气型下低强度降水事件频次的日变化。（a-c）T1-T3，LT 11:00-14:00；（d-f）T1-T3，LT 14:00-17:00。蓝色虚线及数值表示显著趋势（），灰色虚线表示不显著趋势。通过进一步分析水汽通量、垂直速度和边界层高度等变量，我们发现正午至下午低强度降水减少主要与垂直上升运动减弱有关。在T1 天气型下，大尺度动力抬升较强，局地地表异质性的影响几乎被覆盖，因此降水未表现出显著减少趋势（图9a，b）。相比之下，T3 天气型的大尺度强迫较弱，下垫面的作用更容易显现。随着农田森林热力差异增强，原有次级环流逐渐减弱，边界层上升运动受到抑制，从而不利于低强度降水形成（图9c、d）。相关物理机制如图10。图9 T1和T3天气型下，1981–2020年正午时段（LT 11:00–14:00）农田森林交界带上空垂直速度（单位：-1 Pa/s）高度-经度剖面日变化。（a）T1原场，（b）T1趋势，（c）T3原场，（d）T3趋势图10 植被异质性、天气形势与低强度降水变化机制示意图。上图表示变暖和植被绿化背景下，农田森林热力差异增强并削弱次级环流；下图表示不同天气型下低强度降水的响应特征Ma, Y., Chen, H.*, Yu, M., Song, Y., Du, X., Tao, Y., & Huang, D. 2026 Suppression of midday-to-afternoon low-intensity rainfall over the crop-forest ecotone of Liaoning Province, Northeast China: Roles of surface heterogeneity and synoptic forcing. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 131, e2025JD046157. https://doi.org/10.1029/2025JD046157
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