检索结果-内蒙古大学图书馆

高原气象 2023年第2期42卷 333-343页

作者：鲍艳王玉琦南素兰俞淼无锡学院江苏无锡214105 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044 丹东市气象局辽宁丹东118000 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室所北京100081

动态植被模型是研究植被变化对气候反馈和影响的重要模型工具。本文对耦合了动态植被(Dynamic Vegetation,DV)和碳氮(Carbon and Nitrogen,CN)模型的NCAR陆面过程模式CLM4.5(Community Land Model version 4.5)对青藏高原(以下简称高原... 详细信息

动态植被模型是研究植被变化对气候反馈和影响的重要模型工具。本文对耦合了动态植被(Dynamic Vegetation,DV)和碳氮(Carbon and Nitrogen,CN)模型的NCAR陆面过程模式CLM4.5(Community Land Model version 4.5)对青藏高原(以下简称高原)植被的模拟性能进行了评估,获得了定量化的偏差信息,并对高原植被和气候变化因子的关系进行了初步探讨。结果表明:模型能大致再现叶面积指数(Leaf area index,LAI)在历史时期的季节循环、长期变化趋势和空间分布,但空间变率较遥感资料大。模拟的乔木覆盖度偏大,草地覆盖度偏小,因此严重高估了植被高原南部和东部的LAI。与遥感观测相比,模拟的LAI呈现了1~2个月的滞后,这与模式本身的植被动力机制不完善和模式的降水驱动偏差有关。高原植被变化趋势的时空分布与表层土壤水和降水等气象因子的趋势变化显示出较好的一致性,表明在该研究时段,地表水循环的变化(主要是降水和土壤水含量)对高原植被生长可能起主导作用。

关键词：青藏高原植被覆盖度动态植被模型 CLM4.5-CNDV

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动态植被模型ICM的改进及其对全球气候模拟的影响评估

动态植被模型ICM的改进及其对全球气候模拟的影响评估

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作者：俞淼南京信息工程大学

学位级别：博士

植被通过其自身的生物物理过程和生物化学过程对陆地表面与大气之间的物质、能量和动量交换起到重要控制作用，能在不同的时空尺度上对天气、气候产生显著影响。因而植被的参数化问题一直是陆面模式以及气候模拟研究中的核心问题。\n ... 详细信息

植被通过其自身的生物物理过程和生物化学过程对陆地表面与大气之间的物质、能量和动量交换起到重要控制作用，能在不同的时空尺度上对天气、气候产生显著影响。因而植被的参数化问题一直是陆面模式以及气候模拟研究中的核心问题。\n 动态植被模型——ICM(Interactive Canopy Model)考虑了植被生态系统中较完整的碳氮循环过程，能够较为客观真实地反映较短时间尺度上的植被动态变化特征。本文在对ICM模拟的植被季节和年际变化过程进行详细评估的基础之上，提出一个改进ICM中碳氮分配过程的新的参数化方案，对比改进前的ICM全球offline试验结果，并将改进后的ICM与NCAR大气环流模式CAM3.1进行耦合。主要结论如下：\n (1)利用MODIS和GIMMS卫星观测产品，与ICM模拟的植被动力学关键参数之一——叶面积指数(LAI)进行了对比分析。结果显示：模拟的LAI在低纬度和高纬度地区偏大，中纬度地区偏小；模拟的LAI最大值出现时间常晚于观测，此现象对于中高纬地区植被尤其显著；除热带部分地区以外，模拟的大部分地区植被的年际变率偏大。ICM对植被季节和年际尺度上动态过程的模拟能力存在明显不足，而模拟的植被生长落后于实际应是模型本身存在的一个本质问题。\n (2)在ICM原有植被参数化方案的基础之上，提出一个改进其中碳氮循环过程的新方案：考虑了植物成熟阶段的新生组织器官诸如花、果实等对碳氮分配的影响，假设新生组织是花期以后植物光合生成物的主要碳汇之一。同时引入物候模型ForcSar预测花期，调控碳氮分配过程。新方案的模拟结果表明，改进后的ICM能够更加合理地描述植被的动态变化过程：较好修正了原方案中模拟的中高纬度地区植被的生长落后问题；使得模拟与观测值的季节相关性显著增强，年际相关性也有一定程度提高；全球各类型植被LAI与观测之间的量值偏差有不同幅度减小。\n (3)将改进前后的ICM分别进行全球offline试验，并与根据观测资料给定各月LAI的CLM3.0模拟结果进行对比。结果说明：改进后的ICM能够更加合理地模拟与植被有关的地表各能量通量和水循环的季节变化特征。\n (4)利用欧洲中心再分析资料，评估了将改进后的ICM耦合进入大气模式CAM3.1的模拟能力，并与原CAM3.1的模拟结果对比分析。结果显示：考虑了植被动态过程的CAM3.1能够更合理地描述冬、夏季实际大气环流的基本特征，也能更好地反映实际大气的年际变率特征。\n 总而言之，改进后的动态植被模型ICM能够更加合理有效地模拟植被季节、年际尺度上的变化特征，将其应用于气候模式也更具优势，在研究植被-气候相互作用机制过程中具有广阔的应用前景

关键词：动态植被模型全球气候 ICM模拟大气环流模式年际尺度

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流域土壤有效厚度水平衡验证及其对陆面水碳通量模拟的影响

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地理学报 2016年第5期71卷 807-816页

作者：黄日超陈喜孙一萌高满程勤波张永生河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室水文水资源学院南京210098

由于土壤特性和植被分布具有区域性,不同流域土壤有效厚度存在差异,进而影响土壤蓄水容量和陆面水碳等通量的时空分布。以湿润地区的东江流域,湿润、半湿润地区的淮河流域以及半湿润、半干旱地区的泾河流域为研究对象,采用LPJ动态植被模... 详细信息

由于土壤特性和植被分布具有区域性,不同流域土壤有效厚度存在差异,进而影响土壤蓄水容量和陆面水碳等通量的时空分布。以湿润地区的东江流域,湿润、半湿润地区的淮河流域以及半湿润、半干旱地区的泾河流域为研究对象,采用LPJ动态植被模型,以水量平衡为目标率定土壤有效厚度,分析不同气候区典型流域土壤有效厚度以及土壤蓄水容量和陆面水碳通量(径流量R,实际蒸散发量ET和净初级生产力NPP)变化。结果表明:东江、淮河、泾河流域的土壤有效厚度分别为70 cm、90 cm和140 cm,土壤有效厚度和蓄水容量随着气候干旱程度增加而增加;土壤有效厚度的修正有效减低该模型水平衡误差,对陆面水碳通量模拟结果的影响程度与区域气候条件有关,湿润地区多年平均径流深和实际蒸散发修正前后变化显著,半湿润、半干旱地区NPP变化显著。研究成果为提高LPJ模型在不同气候区应用可靠性提供参考依据。

关键词：土壤有效厚度土壤蓄水容量实际蒸散发净初级生产力动态植被模型

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1981-2010年气候变化对青藏高原实际蒸散的影响

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地理学报 2012年第11期67卷 1471-1481页

作者：尹云鹤吴绍洪赵东升郑度潘韬中国科学院地理科学与资源研究所北京100101

基于1981-2010年青藏高原80个气象台站观测数据,通过改进的LPJ动态植被模型,模拟并分析了青藏高原实际蒸散及其与降水的平衡关系(P-E)的时空变化。研究结果表明,在过去三十年来青藏高原气候呈现以变暖为主要特征的背景下,降水量整体略... 详细信息

基于1981-2010年青藏高原80个气象台站观测数据,通过改进的LPJ动态植被模型,模拟并分析了青藏高原实际蒸散及其与降水的平衡关系(P-E)的时空变化。研究结果表明,在过去三十年来青藏高原气候呈现以变暖为主要特征的背景下,降水量整体略有增加,潜在蒸散呈减少趋势,特别是2000年以前减少趋势显著;青藏高原大部分地区实际蒸散呈增加趋势,P-E的变化趋势呈西北增加—东南减少的空间格局。大气水分蒸散发能力降低理论上会导致实际蒸散减少,而青藏高原大部分地区实际蒸散增加,主要影响因素是降水增加,实际蒸散呈增加(减少)趋势的区域中86%(73%)的降水增加(减少)。

关键词：青藏高原实际蒸散潜在蒸散动态植被模型气候变化

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基于改进PT-hybrid算法的地表潜热通量变化分析

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灌溉排水学报 2021年第4期40卷 107-113页

作者：周耀坤邢万秋河海大学水文水资源学院南京210098

潜热通量(LE)影响陆地生态系统的水量平衡和能量收支。【目的】提高不同植被类型对应的地表潜热通量的反演精度对于探究生态水文过程具有重要的现实意义。【方法】本研究采用动态植被模型--LPJ-GUESS模型,引入表征植被占比的参数fv对PT-... 详细信息

潜热通量(LE)影响陆地生态系统的水量平衡和能量收支。【目的】提高不同植被类型对应的地表潜热通量的反演精度对于探究生态水文过程具有重要的现实意义。【方法】本研究采用动态植被模型--LPJ-GUESS模型,引入表征植被占比的参数fv对PT-hybrid潜热通量算法加以改进,从而提高陆面蒸散发的反演能力。【结果】根据全球49个通量站点的地面观测LE验证改进后的算法,改进算法所得LE值与实测值的决定系数R^(2)从0.63增加到0.74,均方根误差RMSE从17.1 W/m^(2)降低到11.7 W/m^(2)。进一步分析1982-2014年全球陆地LE变化特征,发现低纬度地区的LE均高于高纬度地区,并且LE在同一纬度上也呈现出不同的分布趋势。【结论】改进后的模型对地表潜热通量模拟精度显著提高,有助于精细刻画地表LE的时空分布特征。

关键词： PT-hybrid算法动态植被模型潜热通量亚像元时空演变特性

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森林分布响应过去气候变化:对未来预测的启示

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科学通报 2013年第34期58卷 3501-3512页

作者：刘鸿雁印轶北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室北京100871

植被动态可能导致全球碳循环和水循环的改变,并反馈于气候变化.本文以森林植被动态为重点,基于古生态学研究的成果论述了冰后期以来气候变化影响下植被动态的特点以及植被响应气候变化的模式,区分了气候对植被的胁迫作用、非气候因子对... 详细信息

植被动态可能导致全球碳循环和水循环的改变,并反馈于气候变化.本文以森林植被动态为重点,基于古生态学研究的成果论述了冰后期以来气候变化影响下植被动态的特点以及植被响应气候变化的模式,区分了气候对植被的胁迫作用、非气候因子对植被动态的缓冲作用以及干扰事件对植被分布改变的驱动作用.对过去研究的回顾表明,由于植被系统的开放性以及气候因子和非气候因子的共同作用,使得植被-气候关系远离平衡态,植被分布对气候变化的响应不是线性的,这也使得当前的植被分布与气候之间的关系难以量化.过去类比法、空间代替时间和动态全球植被模型是目前预测未来植被动态的3种主要途径,但都是建立在植被-气候关系平衡态的基础之上.提出动态全球植被模型较传统的经验性生物地理学模型更全面地考虑了植被动态的主要过程、火的干扰以及不同植物功能类群对气候变化响应方式的差异性,是未来的发展方向,但需要结合古生态学的相关成果,将时空尺度、气候变化本身的复杂性、非气候因子的作用、森林分布对气候变化的反馈以及人类活动对干扰的调控作用纳入模型中.

关键词：生物地理学第四纪生态学气候变化孢粉动态植被模型

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中国东部森林的气候变化脆弱性 ——基于样地实测和生态系统过程模型的评估

中国东部森林的气候变化脆弱性 ——基于样地实测和生态系统过程...

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作者：徐凯北京林业大学

学位级别：博士

近些年来,在全球气候变化的大背景下,森林生态系统在应对气候变化时所表现出的脆弱性逐渐成为了当前生态学领域的研究热点之一。作为生态系统最重要的功能之一,森林生产力常被用作反映脆弱性的指标。考虑到森林生产力测算中存在的不确定... 详细信息

近些年来,在全球气候变化的大背景下,森林生态系统在应对气候变化时所表现出的脆弱性逐渐成为了当前生态学领域的研究热点之一。作为生态系统最重要的功能之一,森林生产力常被用作反映脆弱性的指标。考虑到森林生产力测算中存在的不确定性,本研究首先在群落尺度上就如何利用树木年轮精确估算森林生产力进行了取样方法的探究,然后基于可靠的生产力时间序列对中国东部从寒温带到亚热带的典型森林群落的生产力在过去20年间的气候变化脆弱性进行了评估,并分析了气候、群落结构以及物种多样性对脆弱性的影响。在此基础上,增加了对森林植被覆盖变化及气候暴露度的考虑,构建了在区域尺度上评估森林气候变化脆弱性的方法框架,并利用生态系统过程模型对中国东部森林历史和未来气候变化情景下的脆弱性格局进行了分析。主要研究结论如下:(1)基于树木年轮估算森林生产力及其时间序列的最优取样方案为:将样地中树木按照等株数划分为四个径级,分别对最大到最小四个径级中约100%、40%、20%和10%的个体进行年轮采集。各径级最优取样株数与生产力(生物量)在四个径级的分配比例高度相关,并且随着气候梯度发生显著变化。本文基于生物量在各径级的占比以及气候因子建立了模型,所预测的取样方案能够很好地估算群落生产力的空间格局和时间动态。此外,以往研究中常用的两种抽样方法在估算森林生产力上具有较大的不确定性,需谨慎使用。(2)以净初级生产力发生显著变化的概率为指标进行的评估表明,中国主要森林群落的生产力在过去二十年间的气候变化脆弱性沿纬度和经度均呈现出规律性变化,大体上为东北高、西南低的空间格局。气候、物种多样性以及群落结构对森林群落生产力的脆弱性均有影响,但气候和多样性起到了主要作用,群落结构的影响相对最小。不同演替阶段之间群落生产力的脆弱性没有显著差异,但主要影响因素有一定差别,方差分解结果表明,演替早期和中期森林生产力的脆弱性主要受物种多样性的影响(解释力分比为28.64%和8.08%),而演替后期则更多受气候条件的作用(解释力40.6%),群落结构在所有阶段的解释力都相对较小(0.04%-0.63%),但它与其他两方面因素的协同作用也有一定影响(解释力0.01%-12.63%),因此针对不同演替阶段的森林群落应当采取针对性的措施以应对气候变化对森林生产力带来的不利影响。(3)在区域尺度上,本文基于IPCC提出的脆弱性概念,以综合表征水分和热量条件的“湿润度指数”来反映生态系统的气候暴露度,将森林生产力与综合反映区域植被完整度和植被类型变化的“植被稳定性”相结合作为系统自身敏感性和适应能力的体现,构建了森林气候变化脆弱性的综合评估方法框架。基于该方法,采用MC2动态植被模型,对中国东部森林历史和未来的气候变化脆弱性进行了评估。结果表明,历史阶段(1940-2018年)中国东部森林的气候暴露度的脆弱性大体上呈北高南低的格局,同时期的植被稳定性主要受天然植被完整度的影响,但植被类型没有发生明显改变,而森林生产力基本保持了较为稳定的状态,森林综合的脆弱性在80年代初开始显著升温前普遍较低,但随后近四十年的升温已造成超过一半的区域处于中度及以上脆弱,且大都位于纬度较高的地区。未来(2019-2100年)气候持续变暖的情景下,我国东部森林的气候暴露度的脆弱性将进一步升高,各森林类型的分布区将显著向高纬度移动,但大部分区域的森林生产力会因升温而提高,森林综合的脆弱性将普遍朝着更脆弱的方向发展。本研究首先在群落尺度上就森林生产力的精确计量进行了方法上的探究,利用模拟手段,为气候变化评估提供了一种准确估算森林生产力时间序列的可行方法;之后从森林生产力这一核心的生态系统功能出发,首次对我国东部从寒温带到亚热带的典型森林群落生产力的气候变化脆弱性进行了评估,并发现森林生产力的脆弱性主要受气候和物种多样性的影响。此外,本研究还提出了区域尺度的森林气候变化脆弱性评估方法框架,对中国东部森林的历史及未来气候变化脆弱性进行了系统量化评估。本研究的结果不仅能够为我国当前的森林经营、生态系统保护等提供方法和决策上的参考,对于未来气候继续变暖条件下相关应对政策的制定也具有重要的理论指导意义。

关键词：气候变化脆弱性评估方法森林生产力森林生态系统动态植被模型

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东亚地区植被与大气的相互作用研究

东亚地区植被与大气的相互作用研究

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作者：马迪中国科学院大学

学位级别：博士

陆地生态系统是地球系统的重要组成部分，地球系统中各个组成部分通过各种物理化学及生物作用相互影响。为了更好的理解和预报气候变率，就需要了解各个组成部分相互之间的关系，尤其是陆地生态系统与气候之间的关系。\n 本文首先对... 详细信息

陆地生态系统是地球系统的重要组成部分，地球系统中各个组成部分通过各种物理化学及生物作用相互影响。为了更好的理解和预报气候变率，就需要了解各个组成部分相互之间的关系，尤其是陆地生态系统与气候之间的关系。\n 本文首先对利用完全耦合的共同气候系统模式(CCSM3.5)，模拟植被覆盖度变化后对东亚季风区气候的长期影响，同时利用半耦合的共同气候系统模式(CCSM3.5)对比分析了海洋在植被影响大气的过程中的作用。完全耦合模式试验中，东亚季风区植树造林后对局地气候造成了明显的影响，全年平均降水增加，夏季降温冬季升温，春秋季节温度变化不明显。夏季降温主要是由蒸发机制造成的，冬季升温主要是由水汽增加导致的温室效应造成的。半耦合模式试验中，东亚地区植树造林后，全区降水变化不显著，夏季降温冬季升温。半耦合模式夏季降温机制与完全耦合模式降温机制相同，均为植被增加后，蒸发蒸腾作用增加，导致地表降温。然而冬季升温机制与完全耦合试验完全不同，半耦合试验中冬季升温主要是由于植被变化后，地表反射率减小，地表反射辐射减少，地表吸收到更多的热量导致升温的。完全耦合试验中，植树造林后除了对试验区的气候造成影响，还会通过影响大气环流，进而影响其他区域的气候。冬季，植树造林后减小了试验区风速的同时，冬季风下风区的风速也有所减弱。基于风速-蒸发-海表面温度SST的正反馈，使得风速进一步减小，海表温度SST升高。海表面上空大气温度增加且含水量增大，并沿着异常西南风输送到东亚季风区，使东亚季风区沿海地区水汽增加明显，使向下长波辐射增加（温室效应），东亚沿海以及中南半岛地区温度升高。\n 其次，本文还利用完全耦合的共同气候系统模式(CCSM3.5)并使用集合预报方法模拟研究了植被覆盖度变化对东亚季风区短期气候的影响。由于植被蒸腾作用加强，使东亚季风区地表温度显著降低，夏季降温比冬季明显。即植树造林后短期内会立即改变局地辐射收支状况，降水增加，气温降低，从而有效缓解全球变暖。\n 另外，本文还使用了平衡反馈分析法EFA，利用观测值以及完全耦合的共同气候系统模式(CCSM3.5)的结果，计算了植被与大气之间的反馈系数。从而量化植被与大气的相互关系。植被对温度的反馈系数在大兴安岭、贝加尔湖等地区为正，约为1～2℃(0.1FPAR)-1。在中国南部地区反馈系数也为正，但反馈系数较小约为0.2～1℃(0.1FPAR)-1。植被对降水的反馈系数噪音较多，在我国华北地区为正的反馈，反馈系数约为1.5cmmonth-1(0.1F PAR)-1。利用模拟结果分析发现，由于FPAR在东亚季风地区变率很小导致无法求得该地区的植被对大气的反馈系数。在中高纬度地区植被与温度的反馈系数约为1℃(0.1FPAR)-1，与观测资料计算的结果基本一致。而在中低纬度，如北美西部沿海灌木区、非洲稀树大草原、中亚干旱草原，印度以及澳洲大部，这些以草和灌木为主的地区对降水的响应比树木快，植被与温度呈负反馈，反馈系数约为-0.2～-1.0℃(0.1FPAR)-1。\n 最后，本文还通过分析东亚地区几种典型的下垫面的辐射能量平衡特征进一步阐述了下垫面属性与局地能量收支特征的关系。通过研究发现巴丹吉林沙漠地区两种典型下垫面由于地表反射率的不同以及土壤湿度的不同，可以对该地区能量分配产生重要的影响，进而影响局地气候。而戈壁地区感热通量则是该地区地表能量平衡的重要分量，可以占到净辐射的50％左右。

关键词：东亚季风区巴丹吉林沙漠共同气候系统模式动态植被模型平衡反馈分析方法辐射平衡地表能量通量陆地生态系统是

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气候年际变率对植物影响的模拟研究

气候年际变率对植物影响的模拟研究

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作者：邵璞中国科学院研究生院

学位级别：博士

本论文的工作主要是利用修改后的通用陆面模式的全球动态植被模型CLM3-DGVM(Community Land Model Version3.0-Dynamic Global VegetationModel)结合已有的观测数据、文献资料考察气候年际变率对植被的分布、叶面积指数(LAI,Leaf Area I... 详细信息

本论文的工作主要是利用修改后的通用陆面模式的全球动态植被模型CLM3-DGVM(Community Land Model Version3.0-Dynamic Global VegetationModel)结合已有的观测数据、文献资料考察气候年际变率对植被的分布、叶面积指数(LAI,Leaf Area Index)、生产力等生物物理特征的影响,并试图从植被和大气的相互作用角度探讨其影响的机理。\n 用改进后的CLM3-DGVM以及大气环流模式CAM3(CommunityAtmosphere Model Version3.0)进行一系列的区域和全球的离线及耦合数值实验。离线模拟用NCEP/NCAR再分析资料衍生的1950-1999年三小时时次的气象数据及其气候平均态循环驱动。首先验证CLM3-DGVM的模拟效果。研究表明该模式能够较好地再现当前气候条件下植物的分布,和温度、降水等气候因子的对应关系也符合理论和经验统计结果。模式同时能够较好模拟各种植物类型的年最大LAI,但是对LAI的季节变化的模拟还存在不足。生产力方面,模式对植物总初级生产力(GPP,Gross Primary Production)的全球格局也有较好的模拟,但是对净初级生产力(NPP,Net Primary Production)的模拟结果存在系统偏差(偏低)。\n 在此基础上,考察有无气候年际变化对不同气候分区的潜在植被平衡态的影响。绝大部分植物类型的分布受到气候年际变化的抑制,多种植物功能型(PFT,Plant Functional Type)共存时草一般由于树的减少而增加。气候年际变率导致全球植被总体覆盖下降了5.9%,其中树和灌木明显减少而草略有增加;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伞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物分布的影响最显著。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。在温度高于0℃时植被总覆盖度受温度变化影响普遍降低,降低的区域对应于温度年际变率较大的区域。\n 我们对模拟的LAI与气候因子间的时空关系进行了评估,并在此基础上研究当前气候条件下不同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。研究表明植物LAI的分布具有正的空间自相关性和较高的空间聚集性。对潜在植物LAI和气候因子的关系进行拟合时不同气候因子对不同PFT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。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。大体上气候年际变化使草、灌木和热带树的LAI升高,使寒带树LAI下降。\n 在植物生产力方面,一般来说降水的影响最显著,但是某些地区温度通过对植物物候的干扰对NPP的间接作用可能会超过降水的影响。降水年际变率能影响各种PFT的GPP/NPP年变化,一般它们之间是正相关的关系,但这种相关是有限的。从不同气候分区来看,寒带植物年际变化受降水变率的影响最小(包括C3极地草),其次依次是灌木和热带树,温带树生产力的年变化受降水变率的影响最大。从植物类型上看,草的NPP/GPP受气候尤其是降水的年际影响波动明显,树的生长速率慢,恢复速率小,因而对短期和年际气候变化不敏感。此外,也有观测资料表明温度和太阳辐射对植物生产力的影响受环境因素干扰较大,具有很强地域性。\n 除此之外我们还对模式初始化所需的时间、采用不同气象驱动场进行初始化对模拟结果的影响以及人类活动对植被一大气系统的干扰等相关科学问题进行了初步的探讨。\n 这些基于CLM3-DGVM的结论在自然界的植物—气候系统中具有一定的普遍意义。用气候模式或植被模式预测未来植物动态趋势时要同时考虑气候平均态和气候变率两方面的变化,而不同气候区不同植物受不同气候因子的影响程度各不相同,找出不同PFT的主要气候影响因子和理

关键词：动态植被模型气候年际变率植物大气相互作用叶面积指数植被生产力

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关键陆面参数的估算和优化及其在区域模拟中的应用

关键陆面参数的估算和优化及其在区域模拟中的应用

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作者：刘野南京大学

学位级别：博士

地气之间的能量、水分和物质交换是实现地表-大气相互作用的主要途径。用以描述上述过程的陆面过程模式中包含一系列涉及到地表生物、物理过程和土壤水热交换过程的众多参数。由于观测试验条件和科学认识水平的局限,现行陆面过程模式中... 详细信息

地气之间的能量、水分和物质交换是实现地表-大气相互作用的主要途径。用以描述上述过程的陆面过程模式中包含一系列涉及到地表生物、物理过程和土壤水热交换过程的众多参数。由于观测试验条件和科学认识水平的局限,现行陆面过程模式中的某些参数尚不能很好地描述下垫面地表特征,这极大地限制了模式的模拟性能提高。因此,从众多的陆面参数中甄别出对地表感热和潜热通量影响最大的关键陆面参数,进而对其进行估算和优化,可望有效地提高陆面模式的整体性能。本文基于我国北方干旱/半干旱区多个站点的野外观测资料,首先利用拓展傅里叶振幅敏感性检验方法（EFAST）分别从通用陆面模式（CoLM）43个参数和简化的简单生物圈模型（SSiB2）32个参数中甄别出对感热和潜热通量影响最大的关键参数。结果显示,无论是参数单独作用（一阶敏感性）还是考虑了参数间复杂非线性相互作用（总体敏感性）的敏感性分析结果,两个模式中敏感度前10的参数即可解释目标变量方差变化的90%以上。在这些参数中,敏感度的基本排序为地表粗糙度（Zomm）,叶面积指数（LAI）,与土壤水文过程有关的“b”参数,饱和水导率,根分布函数、植被覆盖分数和空气动力学阻抗。它们对地表-大气间能量收支、蒸发/蒸腾和湍流交换等过程具有重要影响,为甄别出的关键陆面参数。针对上述关键陆面参数,我们着眼于敏感度最高的地表粗糙度（Zorn）和叶面积指数（LAI）,分别采用参数估算和参数优化两种方法改进。其中,参数估算结合陆面野外观测实验和大气边界层湍流交换理论,分别利用独立方法、最优参数方法和拟合法,估算了榆中站2006年～2008年和通榆退化草地和农田站2003年～2008年Z0m的值。发现三种方法的估算结果在数值上十分接近,估算的Zom表现出明显的季节和年际变化特征,反应了地表植被生长状况的季节和年际变率。对比调研发现,在现有的陆面过程模式中并不能充分地反应出这一特征。用估算的地表参数（Zom）替换模式的默认值后,成功改进了单点上对感热和潜热通量的模拟。进一步对我国半干旱区15个野外观测站7、8、9月Zom估算结果表明：同一下垫面类型Z0m在量级上基本一致,并呈现出草地—农田—森林（Zom）依次呈量级递增的趋势,这可为将单点上估算的陆面参数应用到区域尺度提供有用的信息。另一方面,对于通过观测直接或间接获取都非常困难的参数,例如：土壤“b”参数、饱和水导率和根分布函数等,我们借助于数学手段在考虑了参数物理约束的高维空间内搜索出使模拟效果与观测结果最为吻合的参数优化方法来进行优化。遗传算法是常用的参数优化算法,本文在其基础上改进了进化策略来提高优化效率、节约计算成本。为了弥补优化算法仅考虑了参数在数学上最优而缺乏物理解释的缺点,把可以通过观测手段获取的陆面参数Zom和LAI一起优化,可以利用这些参数的物理特征来筛选优化结果。结果表明,改进的遗传算法可以搜索出与模式默认参数模拟效果相当的参数组合,经过辅助判据地表温度、同种下垫面类型站点的交叉验证、参数物理验证后,筛选出的参数组合适用于本试验中半干旱区同种下垫面类型的所有站点,在多数站点的模拟效果甚至优于模式默认参数,实现了系统改进模式性能的目标。在区域尺度上,卫星遥感可以提供时空连续的高分辨率地表特征参数产品。本文利用MODIS地表分类产品和中国科学院地理与资源研究所反演的LAI产品替换区域模式WRFNMM/SSiB2中另一关键的地表参数,叶面积指数（LAI）,发现使用卫星产品以后可以明显改善模式对东亚地区夏季降水的模拟能力。特别是对于季风雨带季节性演变的模拟：模式使用默认参数模拟的雨带偏北,导致华北北部降水偏多,黄淮降水偏少；而使用卫星遥感的叶面积指数（LAI）后,由于改进了地表能量收支过程和地表温度的模拟,从而加大了中国东部南北向温度梯度。根据热成风原理,高空西风增强,进而抑制了副高过度北推,从而阻碍了雨带的虚假北移,改善了上述降水的模拟偏差。本文还讨论了陆面参数在动态植被模型SSiB4/TRIFFID开发和验证过程中的关键作用,并利用卫星遥感产品评估了SSiB4/TRIFFID对全球植被和叶面积指数的分布和演变特征的模拟性能。SSiB4/TRIFFID全面地考虑了地表植被生长、竞争和演替过程,模拟性能优良。但其主要的验证工作限于北美地区,且对美国东部夏季LAI存在严重低估。本文首先将SSiB4/TRIFFID的应用推广到全球,调整了C3植物的光合作用最佳温度,从而改善了默认参数对东亚大草原、印度半岛等地区植被模拟的偏差。其次,增加了落叶阔叶林这一植被类型,并根据植物的生物、物理特性给出了描述这一类型的相关地表参数,成功地修正了原模式对美国东部LAI的低估。

关键词：陆面参数参数敏感性试验参数估算参数优化区域模式动态植被模型

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