國家生態科學數據中心在落葉森林物候期模擬方法改進方面取得研究進展


中國科學院地理科學與資源研究所、國家生態科學數據中心何洪林研究組在落葉森林物候期模擬方法改進方面取得重要成果。利用中國生態系統研究網絡(CERN)長期觀測數據對當前常用的落葉森林展葉期和落葉期模擬方法進行了系統評價,提出新的落葉期模型,改進了國際主流模型CLM模型中落葉森林物候期及總初級生產力的模擬。這一研究成果于2023年10月發表在模型領域國際主流期刊Journal of Advances in Modeling Earth Systems(IF:8.469)。

物候是指示環境變化的重要因素,物候期調節著生態系統的碳、水和能量交換過程。然而,當前陸地生物圈模型在落葉森林展葉期、落葉期模擬方面還存在較大偏差,限制了模型模擬碳通量及其對氣候變化響應的能力。研究團隊利用2003-2015年在中國生態系統研究網絡(CERN)5個森林站點(長白山、北京、茂縣、神農架和貢嘎山)觀測的落葉樹種物候期數據和氣象數據,系統評估了4個展葉期模型和4個落葉期模型的模擬性能,采用最優的展葉期模型和本研究提出的新的落葉期模型,改進了CLM4.5模型的落葉森林物候子模塊,并且模擬分析了2016-2100年中國落葉森林的物候期變化。

研究結果表明,對于展葉期的模擬,平行模型和交互模型的性能優于春暖模型和連續模型,并且它們的模擬性能隨冷激效應的假設不同而不同(表1)。本研究提出的新的落葉期模型考慮了葉片衰老狀態閾值與夏季溫度的關系,比常用的溫度閾值模型、日照時間閾值模型和日照時間低溫累積模型具有更好的模擬性能(表2)。并且,改進后的CLM4.5模型能夠更好地模擬碳吸收持續時間和碳吸收幅度,從而提升了GPP的模擬效果(圖1)。

表1 CERN站點不同展葉期模型的模擬效果比較


表2 CERN站點不同落葉期模型的模擬效果比較



圖1 原CLM4.5(CLM4.5_old)和改進后的CLM4.5(CLM4.5_new)模擬的總初級生產力(GPP)(a)、GPP的年際變化(b)、碳吸收持續時間(c)和碳吸收幅度(d)與觀測值的比較。(a)、(c)和(d)中的誤差棒為標準差。

在RCP4.5情景下,由于氣候變暖的減緩,中國落葉森林展葉期的提前速度從1981-2015年的0.20天/年減緩到2016-2100年的0.11天/年,但落葉期的延遲速率變化不大(圖2)。與1981-2015年相比,由于氣溫年際變化的增強,2016-2100年亞寒帶地區落葉森林的物候期年際變化將增加(圖3)。研究結果強調了改進當前陸地生物圈模型中落葉森林物候模塊(特別是落葉期模擬方法)的必要性,這對降低未來落葉森林碳通量變化預測的不確定性具有重要作用。


圖2 改進后模型模擬的1981-2015年(a,b,c)和RCP4.5情景下2016-2100年(d,e,f)中國落葉森林的展葉期(a,d,g)、落葉期(b,e,h)和生長季長度(c,f,i)的趨勢。誤差棒為標準差。*表示P<0.05。


圖3 改進后模型模擬的1981-2015年(a,b,c)和RCP4.5情景下2016-2100年(d,e,f)中國落葉森林的展葉期、落葉期和生長季長度的年際變化。

該研究獲得國家自然科學基金項目(31971512,31988102,42141005)的資助。國家生態科學數據中心博士生呂妍為第一作者,何洪林研究員和張黎副研究員為通訊作者。


論文鏈接:

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023MS003655


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