我国北方干旱化对区域碳收支影响的模拟研究

区域碳收支的估算是当前全球变化研究的关键问题之一，作为对全球增暖响应的敏感区，我国北方区域频发的干旱及严重的干旱化对区域碳收支已经产生了不可忽视的影响。然而，至今还缺乏针对我国北方地区干旱和碳收支关系的系统研究，二者相互作用的机理尚不清楚。本研究拟在已有工作的基础上，基于气象台站观测资料建立陆面模式（CLM4.0）较高分辨率的大气强迫场，驱动陆面模式模拟我国北方干旱/半干旱地区地表过程各分量的长期变化（1951-2008 年）；进而以模拟的土壤湿度为指标，分析我国北方干旱/半干旱地区的干湿变化特征，并定量分析干旱与区域碳收支变化的时空关系及干旱化趋势对碳收支的影响，结合区域模式（WRF）的模拟研究探讨干旱与区域碳收支相互影响的机理，为国家应对气候变化及区域可持续发展提供科学依据。

本项目通过构建基于气象台站观测数据的较高分辨率的陆面模式大气驱动场，并基于对土壤孔隙物理特性的理解，在陆面模式中引入描述土壤孔隙度的物理参数来订正陆面模式模拟土壤湿度的湿偏差，然后利用大气驱动场驱动陆面模式模拟了我国陆面过程的长期变化数据集。在此基础上，定义和检测土壤干旱，定量评估了不同时间尺度干旱的空间和时间演变特征。定量评估了土壤干旱对区域植被光合固碳过程的影响，计算了GPP、NPP等变量的长期变化特征和土壤干旱对其的影响。最后借助模拟结果分析了土壤干旱—区域碳收支的联系和相互作用的机制。项目研究主要结果表明：基于台站观测资料的大气场与再分析资料相比在描述中国区域气象要素的变化方面有明显的优势，为陆面过程的长期模拟提供基础性输入数据。 通过引入土壤孔隙度参数订正后的土壤湿度模拟与原始方案的结果比较，系统性湿偏差有了明显的下降。模拟土壤湿度与观测比较显示在观测资料相对丰富的区域（东北地区两者的相关系数0.83，黄河中上游区域相关系数0.73）两者的一致性显著。另外陆面水循环的另一个变量——径流的模拟与观测相比，黄河流域相关系数为0.79长江流域为0.96，与PDSI干旱指数相比在西北和华北两个变化趋势显著的区域两者的相关系数分别为0.81和0.70。土壤干旱不同时间尺度干旱的空间分布和变化趋势为1951-2008年40%的月份发生了月尺度的干旱, 平均影响面积占我国陆地总面积的54.6%；年内干旱的月数变化呈干旱区显著减少，半干旱、半湿润区显著增加趋势，而湿润区减少但趋势不显著。全国平均来看，土壤干旱总体上导致了总碳固定量的减少， GPP减少量为371.52 gC/m/day，NPP减少量为380.16 gC/m/day。减少量占平均量的百分比均为0.13%。但土壤干旱对碳收支的影响存在明显的区域差异。