IAP大气-植被耦合模式的建立及其模拟

为了充分理解气候与植被之间在不同时间尺度上的反馈作用,需要把动态植被模式耦合到气候模式里。本研究通过引进动态植被模式VEGAS(VEgetation-Global Atmosphere-Soil),在中国科学院大气物理研究所9层(IAP9L)气候模式的基础上,初步建立了一个新的IAP大气-植被耦合模式IAP9L_VEGAS。对该模式积分多年的结果分析表明:IAP9L_VEGAS可以较合理地模拟出植被生态系统生产力和植被、土壤碳库的总量及其季节变化,而且该模式模拟的叶面积指数的全球分布与观测资料十分接近。与未耦合动态植被模式的IAP9L模式模拟结果的比较表明:在非洲和南美等热带雨林地区,IAP9L_VEGAS模拟的叶面积指数比IAP9L中根据经验设置的大3·5以上,更接近观测;此外,IAP9L_VEGAS模拟的降水和近地面气温均较IAP9L更加接近观测实况。

气候年际变率对全球植被平均分布的影响

采用改进后的通用陆面模式的动态植被模式(CLM-DGVM)研究当前气候条件下气候年际变率对全球潜在植被平均分布的影响。设计两组区域数值实验,一组使用基于NCEP再分析资料衍生的1960—1999年多年气象数据循环驱动,对照实验使用这40a的气候平均态或单年气象资料驱动(即没有气候年际变率),分别考察有无气候年际变化对热带、温带和寒带的潜在植被分布平衡态的影响。在此基础上以1950—1999年上述数据及对应的气候平均态为驱动做两组全球实验。结果表明气候年际变率导致全球植被总覆盖度下降,其中树和灌木减少而草增加;全球平均覆盖度的变化按常绿树、草、灌木、落叶树顺序递减,而相对变化(即格点覆盖度差异的绝对值的全球平均值与气候平均态下植物覆盖度的比值)按灌木、草、落叶树、常绿树顺序递减。在温度、降水、风速、比湿、光照、气压等6种气候因子中降水年际变率对于植被平均分布影响最显著。受降水影响,当年降水小于1200mm时植被总覆盖度的差异随其变率增加而下降,其它时候影响不明显。年降水小于1500mm时树减少,幅度随其年际变率变大而增加。常绿树无论降水多寡均减少,而落叶树在年降水大于1500mm时随其变率变大而增加。草在年降水小于1500mm、变率为中等时差异最大,降水较大时其年际变化对草的影响不大。温度年际变率对落叶树分布影响不大而使常绿树减少,尤其是在寒带,其幅度大致随变率增加而变大。草主要在温度高于-10℃增加而灌木在温度低于0℃增加。植被总体覆盖度在温度高于0℃时受影响普遍降低,降低的区域对应于温度年际变率较大的区域。以上结果说明用气候模式或生物地理模式预测未来植物分布时要同时考虑气候平均态和气候变率两方面的变化。

环杭州湾地区自然植被净初级生产力的变化特征及其成因

利用1971—2006年环杭州湾地区25个气象站的降水、温度和云量资料及全球CO2年平均体积分数资料,采用LPJ全球动态植被模式(Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model),通过模拟环杭州湾地区的植被年净初级生产力(Annual Net Primary Productivity,ANPP),分析了该地区ANPP的变化特征,并探讨了植被ANPP变化的可能原因。结果表明:1)就环杭州湾地区,36a间植被ANPP均表现出不同程度的增加,尤其以嘉兴市北部、绍兴市东部较明显;全区平均增加速率为1.5243g·m-2·a-2;2)通过多元线性回归分析发现,环杭州湾地区平均云量与植被ANPP的关系最为密切,偏相关系数为-0.5175,而温度、降水与植被ANPP的关系不明显;同时,植被ANPP对气候变化的响应存在一定的地域性差异;3)在全区平均情况下,36a间由温度下降、降水增加、云量减小、CO2体积分数升高引起的植被ANPP变化趋势分别为-0.0813、-0.0171、0.7601、0.8673g·m-2·a-2,其对应的贡献率分别为-5.18%、-1.09%、48.38%、55.21%。由此可见,该地区植被ANPP变化的主要强迫因子是CO2体积分数和云量,而降水变化对植被ANNP的变化作用不大。

印度洋海温异常对南亚区域净初级生产力影响的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋-大气-动态植被耦合气候模式(GOALS-AVIM)的模拟结果,分析了印度洋海表温度(SST)变化及其与南亚陆面净初级生产力(NPP)的关系。模式连续运行50年,取后40年结果分析。对模拟的印度洋海表温度距平(SSTA)的经验正交分解(EOF)进行分析,发现第一特征向量在全区域表现为一致变化的趋势,表明在春夏秋冬四季中印度洋海温都有一致增暖或降温的趋势,同时赤道印度洋海温一致变化与赤道太平洋Nin^o3指数有滞后的正相关,太平洋的Nin^o3指数变化超前印度洋海温一致变化8个月左右。第二特征向量则表现为热带印度洋SST存在着东西方向振荡的偶极子型振荡特征,而且偶极子强度有明显季节变化,并有很明显的季节相位锁定。印度洋SSTA的一致变化的异常趋势与南亚地区的季节和年平均NPP变化表现出很强的同期和滞后相关性;与南亚地区年平均NPP相关性较高的印度洋夏季SST的EOF第一模态正负相位对应着不同的850hPa流场、500hPa高度场以及南亚地区降水场的异常。分析表明,印度洋及南亚地区的夏季风加强或减弱导致受南亚地区降水异常,并使该地区NPP产生异常的增加或减少。

CLM3.0-DGVM中植物叶面积指数与气候因子的时空关系

作为陆面模型里植被的特征量,叶面积值数(LAI)和植被覆盖度在陆地-大气相互作用的相关研究里被广泛应用。LAI的模拟是动态植被模式(DVM)的核心任务之一,需要对模拟的LAI与气候因子间的时空关系进行评估以更好的了解模式性能以及理解植被-大气反馈过程。用1950—1999年的气象数据驱动通用陆面模式的动态植被模式(CLM3.0-DGVM)模拟得到的全球潜在植被的LAI和2001—2003年MODIS观测资料衍生出的LAI数据进行对比,并在此基础上研究当前气候条件下不同植物功能型(PFT)的LAI与不同气候因子在年际尺度上的时空关系,包括运用Moran系数理论分析空间自相关性、运用逐步回归算法构建空间最优一阶线性回归方程、分析模式LAI与气候因子间的滞后相关性。研究表明:1)以MODIS衍生数据作参照,改进后的CLM3.0-DGVM能较好地模拟不同PFTs的LAI年最大值的空间分布型,但是在物候模拟即LAI的季节循环上存在不足;2)植物LAI的分布具有正的空间自相关性。对潜在植物LAI和气候因子进行拟合时不同气候因子对不同PFTs的方差贡献不一样,一般降水最大、风速最小。这反映了陆地生态系统和气候间复杂的相互关系;3)模式模拟的LAI和气候因子有显著的1—2a的滞后相关,其中光照、降水和LAI的滞后相关性波动较大,而温度、比湿的较小,风速的不明显。这些基于CLM3.0-DGVM的结论在自然界的植物-气候相互作用系统中具有普遍意义:不同地区不同植物受不同气候因子的影响不一样;找出不同PFT的主要气候影响因子和理解其中最关键的生物物理和生物化学过程是至关重要的。进一步工作需要用更精确和更高分辨率的气候数据以及局地观测的LAI对DGVM做评估,同时DGVM本身也需要继续改进(例如加入农作物和灌溉过程的模拟)。

杭州湾地区生态-气候监测预警系统及其应用

基于3S技术、中尺度模式及动态植被模式建立了生态-气候监测预警系统,其中包括4个子系统:土地覆盖动态监测系统、城市热岛动态监测系统、城市气候监测系统和植被NPP模拟与监测系统。利用土地覆盖监测系统可以精确地获取各种土地覆盖类型,并分析土地利用覆盖变化;利用土地覆盖监测系统结果、Landsat-TM红外影像及常规气象资料构建城市热岛监测系统,分析该地区城市热岛效应的时空变化;利用土地覆盖分类结果,对改变下垫面进行敏感性试验,模拟城市发展对城市气候的影响,构建城市气候监测系统;利用LPJ模拟杭州湾地区植被NPP及对气候变化的响应,构建植被NPP模拟与监测系统。生态预警系统可以实时监测土地覆盖、城市热岛、城市气候、植被NPP变化,对保护耕地资源、改善生态环境、提高城市人居环境、合理利用气候资源、保持农林业的可持续发展有着重要的指导和现实意义。

环杭州湾地区近36年自然植被净初级生产力的变化特征

利用LPJ模式,以1971—2006年常规气象站观测资料作为模式输入数据,模拟了环杭州湾地区植被NPP,并分析了近36年来研究区植被NPP的时空变化特征。结论表明:①环杭州湾地区NPP 36年平均为552.10 gC/(m2.a),逐年变化呈上升趋势,速率为1.52 gC/(m2.a2);②研究区植被NPP 36年平均在494.23～617.23 gC/(m2.a)之间;东部沿海及距海较远地区值较大,且基本上呈经向分布;而中部地区值较小,且基本呈纬向分布;NPP年代空间分布与NPP近36年平均空间分布情况基本一致;③随着气候条件的变化,NPP相对大值区在空间上增大,但是增幅有一定的地域性差异;随着降水或CO2浓度的增大(减小),NPP有增大(减小)的趋势;随着温度或云量的增大(减小),NPP有减小(增大)的趋势;在1971—2006年间,对环杭州湾地区植被NPP起主要影响的因子为CO2浓度,其次为云量。