气候和生态系统翻转／突变点的理论与模拟研究

Current climate change studies suggest that Earth System is approaching to its “Tipping Point”, across which the large scale climate and ecosystem change will become inevitable. However, results from the existing Earth System Models, i.e., the most comprehensive models, show low confidence and little consensus on the likelihood of such global-scale abrupt or nonlinear changes over the 21st century. This project intends to bridge the gap between the theoretical analysis and numerical simulations in the climate change studies. Based on relevant concepts in the nonlinear dynamic theories, the mechanisms concerning the potential tipping elements in the Earth System Models will be investigated, focusing on the fundamental features of the tipping elements, such as the existence of multiple equilibria, essential positive feedbacks within the vegetation-land-atmosphere interactions, characteristics of perturbation evolution around the critical point, and the nonlinear behaviors, such as spatial pattern, fractal and chaos, during the transition. Sensitivity tests of both the simplified theoretical models and Earth System Models will be performed and compared so as to improve our knowledge about the possibility of large-scale transitions in the near future.

本世纪地球系统是否会超过“翻转点”，出现不可避免的大范围气候与生态变化，是当前全球变化研究中最引人关注的话题之一。目前地球系统模式缺乏对翻转点／翻转成员的系统性、理论性研究，不同模式的模拟／预估之间存在巨大的不确定性，争议很大。本项目研究将基于非线性动力学理论相关研究成果，针对当前气候－生态系统的主要潜在翻转成员（如热带雨林、寒带森林、半干旱草原等），开展地球系统模式翻转／突变过程的关键机理特性研究，包括模式是否存在多平衡态、生态－环境－气候间的重要正反馈过程、临界点附近的扰动演变特性、翻转／突变过程中的非线性特征等，以期提升对地球系统翻转／突变现象的理论认识，为地球系统模式的进一步研制与发展提供理论参考。同时整合地球系统模式与生态动力学理论模型的研究成果，揭示气候－生态系统翻转／突变规律，服务于我国应对气候变化、生态保护、制定可持续发展战略及参与全球变化国际政治外交谈判等。

地球系统“翻转点”问题是当前全球变化研究中最引人关注的话题之一。目前地球系统模式缺乏对翻转点／翻转成员的系统性、理论性研究，不同模式的模拟／预估之间存在巨大的不确定性，争议很大。急需开展地球系统模式翻转／突变过程的关键机理特性研究，以期提升对地球系统翻转／突变现象的理论认识，为地球系统模式的进一步研制与发展提供理论参考。.本项目主要研究以下内容：.a）基于遥感产品及地面气象观测整合产品，分析了生态脆弱区气候与生态变化特征及影响主导气象因子，建立了全球生态系统特征参量与气象因子及土地覆盖类型的回归方程，反映了生态系统对气候变化（变迁）的敏感性、年际波动与适应性。.b）分析了全球植被动力学模式模拟的生态系统对气候变化（温度、降水变化等）的敏感性差异及不对称性影响，指出改进模式中的萌衍方案、碳分配方案、生态－地理参数等，可有效改善模式对生态系统生长特性以及生态-气候翻转/突变特性的模拟能力。.c）建立描述个体竞争及与之对应的个体生长环境空间差异性的高分辨率生态动力学理论模型。指出个体竞争是刻画生态系统结构特性及演变的重要机制，气候系统模式对竞争的高度简化，是对生态演变与突变的模拟存在较大不确定性的重要因素。.项目成果正在引入到新一代全球植被动力学模式IAP－DGVM2的发展，并应用于筹建中的我国大科学装置“地球系统模式装置”。.