全球动态植被模型CLM3.5-DGVM中碳循环过程的模拟与检验

全球动态植被模型(CLM3.5-DGVM)是美国国家大气研究中心(NCAR)开发的陆面模式CLM3.5(CommunityLand Model Version3.5)的陆地碳循环子模块,模型本身根据当地的温度和降水等环境条件计算得出植被分布。本研究参照陆地-碳模式比较计划(C-LAMP)的模拟方案和评价标准,对CLM3.5-DGVM中的碳循环过程进行了模拟与检验。结果表明,CLM3.5-DGVM高估了陆地生态系统的叶面积指数(LAI)和净初级生产力(NPP),且在中高纬地区尤为明显;其模拟的LAI最大值与观测值相比在全球尺度上有1～6个月不等的位相偏差。CLM3.5-DGVM很好的模拟了NPP的全球分布以及总初级生产力(GPP)和感热通量(SH)的季节变化,但在北半球中高纬度地区对NPP模拟过高;对陆地碳通量的年际变率模拟较好,但高估了其振幅。

一个动态植被模型在欧洲森林碳水循环模拟中的适应性评估研究

对动态全球植被模型M-SDGVM（Modified Sheffield Dynamic Global Vegetation Model）,在1996～1998年15个欧洲森林通量站碳通量和水汽通量的季节和年际变化进行模拟和评估研究,总的来说,模型能够合理再现各个站点春、夏季节碳的吸收,秋、冬季节碳的释放,以及水汽释放的季节变化趋势,其中,对水汽通量的模拟更为理想。对模型的上述适应性评估研究表明,改进后的M-SDGVM有能力研究不同气候条件下欧洲森林生态系统碳、水循环过程及其响应机制,但是,模型对部分站点的模拟仍存在不确定性,通过对这些偏差及其可能的产生机理进行分析,有助于模型的进一步发展和应用研究。

陆地生态系统模型及其与气候模式耦合的回顾

陆地生态系统和气候系统通过能量通量、水汽通量、物质交换相互影响、作用。作者对陆地生态系统模型及其与气候模式耦合的研究进行综述和讨论,总结了当代5类主要全球陆地生态系统模型,即生物地理模型、生物地球化学模型、森林林窗模型、陆面生物圈模型和动态全球植被模型,以及它们与气候模式耦合的研究进展。阐述了动态全球植被模型及其与气候模式耦合研究在全球变化研究的重要作用。最后,对未来模拟研究的方向进行了分析。

植物功能性状对动态全球植被模型改进研究进展

动态全球植被模型(dynamic global vegetation models,DGVMs)在模拟和预测陆地生态系统对气候变化响应中表现出很大的不确定性,重要原因之一在于动态全球植被模型将定义植物功能型的性状值设置为常数,忽略了植物功能性状对环境变化的响应.动态全球植被模型现有的植物功能型框架已经严重地阻碍了其发展,因此迫切需要一种新的方法来克服这种局限性.植物功能性状不仅可以反映植物对环境连续变化的响应,而且与生态系统的结构和功能密切相关,可提升当前动态全球植被模型对生态系统过程的模拟和功能的预测.本文从动态全球植被模型发展和植物功能型局限性入手,详细介绍了植物功能性状发展现状及其对动态全球植被模型改进的重要价值,归纳总结了植物功能性状对动态全球植被模型改进的主要方法,并指明植物功能性状对动态全球植被模型改进的发展方向.以期通过凝练植物功能性状在构建下一代动态全球植被模型中发挥作用,推动动态全球植被模型在我国的发展和应用.

全球植被碳储量的时空格局动态

植被碳储量对生态系统碳平衡具有重要调节作用,对植被碳储量进行模拟并分析其对气候变化的响应是全球陆地生态系统碳循环和气候变化研究的重要内容。基于全球植被动态模型模拟的全球植被碳储量,分析植被碳储量在1901年-2000年间的时空变化趋势,及其与气温和降水的时空关系。将LPJ-DGVM(Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model)模型对植被碳储量的模拟结果与国际上被广泛接受的其他研究结果进行了对比后得出,该模型对植被碳储量具有较好的模拟能力。对植被碳储量的模拟结果表明:全球过去100年的植被碳储量在整体上呈增加趋势,增加率为0.0016kgC/(m2a),通过分段线性回归方法得出植被碳储量时间变化趋势存在显著的转折点,20世纪50年代初以前,植被碳储量具有下降趋势,线性斜率为-0.0014kgC/(m2a),之后植被碳储量呈现显著的增加趋势,增加率为0.0055kgC/(m2a),是整体增加率的3倍多,因此整体增加率显著低估了近半个世纪以来植被碳储量的实际增加率。在空间栅格尺度上的分析表明,植被碳储量对气候变化的响应具有很大的区域差异,在不同地区,温度和降水的变化对植被碳储量的变化趋势贡献不同,并与各地区植物生长所受的环境条件约束的状况有关。研究结论进一步说明LPJ能够较好的模拟植物生长与气候之间的相关关系、揭示植被碳储量变化规律和特征,另外为了更好地研究气候变化对植被碳储量的影响,下一步需要对LPJ进行改进,增强其对人类活动如土地利用变化和农业灌溉行为等的模拟能力。

气候变化背景下森林动态模拟研究综述

在全球气候变化背景下,森林的地理分布与生态过程研究受到越来越多的关注。森林对气候变化的响应是一个复杂的过程,在已有模拟方法中,林窗模型和全球植被动态模型由于考虑了气候作用下植被的演替与更新等机理,能较为合理地模拟气候变化背景下森林的瞬态响应,是目前气候变化研究的热点之一。全球植被动态模型以植物功能类型(PFTs)表示区域森林植被组成,通过模拟PFTs比例的变化来反映森林地理分布格局的动态变化。通过回顾上述两类模型的发展历程,梳理了模型在模拟研究森林地理分布及生态过程中,对过去和未来气候变化的潜在响应方面的应用,并针对模型中存在的不足,提出今后应在动态模型多尺度研究、加强模型对非气候因子的描述、模型间比较、多源遥感数据与模型同化等方面开展重点研究。

黄河兰州以上区域草地覆盖变化对水源涵养的定量影响分析

为厘清黄河兰州以上区域草地变化对水源涵养的影响,利用动态全球植被模型,结合逐年土地利用变化数据,通过不同的情景模拟,定量分析了1980—2020年黄河兰州以上区域水源涵养量的变化趋势和响应特征。结果表明:该区域年均水源涵养总量约242.1亿m^(3),其中草地生态系统的贡献量约为202.8亿m^(3),占比83.8%,并且在2002年前、后分别呈下降(-5.1亿m^(3)/a)和上升(3.5亿m^(3)/a)趋势;黄河兰州以上区域1980—2020年草地变化对该区域水源涵养具有不显著的负向效应,2015—2020年间年均减少了6.7亿m^(3),整体上并未显示出明显的区域差异;不同草地退化程度情景下的模拟表明,虽然轻度退化带来的草地蒸散发分量变化使得区域水源涵养量略有提升,但随着退化程度的加剧区域水源涵养量显著减少。

冻融过程与陆地生态系统碳循环的相互关系研究进展

全球变化与可持续发展研究是当今地学研究的两大主题,陆地生态系统碳循环对全球变化影响重大。冻土中的碳储量占据全球陆地碳储量的重要份额,它对气候变化十分敏感,是气候变化的指示器,研究冻土地区土壤的冻融过程及其与陆地生态系统碳循环之间的相互关系对于全球变化研究具有重要意义。在总结冻融对碳循环过程影响机理的基础上,回顾了国内外关于冻融影响下碳循环模拟研究的主要进展,指出了其存在的主要问题,并对未来冻融与碳循环研究发展趋势做了初步的展望。