耦合模式中碳-氮相互作用过程对季风气候和碳循环的反馈机制研究

Recent simulations with Climate/Earth System Models show that CO2 fertilization effect has been generally overestimated. Because these models do not consider the carbon-nitrogen interaction on the effect of CO2 fertilization. To solve this problem, nitrogen mechanism in the process of photosynthesis and respiration will be added in FGOALS-AVIM (The Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model, Land-Atmosphere Interaction model). The new photosynthesis and respiration scheme will be coupled to the climate system model and validated against data. A series of simulations will be designed to estimate the impacts of terrestrial carbon-nitrogen interactions on the climate and global carbon cycle. The response of terrestrial carbon source/sink to the carbon-nitrogen interaction will be shown. In the key regions (e.g., Asian and African monsoon zones), we will estimate the consequences of carbon-nitrogen interaction on terrestrial carbon storage, and will explore it’s possible dynamics mechanism. We then will compare the impacts of carbon-nitrogen interaction on monsoon climate considering carbon-nitrogen interactions with that of considering carbon dynamics only. Spatiotemporal changes of impacts of carbon-nitrogen interactions on climate and global carbon cycle will also be projected under the future mid to high emission scenarios of carbon dioxide. It can not only directly be used into carbon cycle processes of coupled models but also provide relevant carbon source/sink data for climate negotiation of China.

目前, 气候/地球系统模式对CO2施肥效应的模拟普遍偏高, 是因为这些模式还没有考虑碳-氮的相互作用。针对这一问题, 本项目在FGOALS-AVIM的光合过程和呼吸过程加入氮过程, 并完成新光合和呼吸方案的耦合和验证, 针对碳-氮相互作用对气候系统和全球碳循环响应和反馈机制进行数值模拟, 研究碳-氮相互作用对陆地生态系统碳源/汇的影响, 分析关键区域(重点关注亚非季风区)的碳收/支对这一机制的响应, 并探讨影响的机理；分析新光合和呼吸方案加入前后碳-氮相互作用对季风气候响应和反馈的差异, 预估未来碳-氮相互作用对气候系统和碳循环响应的时空格局。该项目将会为耦合模式在全球和区域尺度的碳-氮相互过程机理研究提供参考结果, 同时也国家气候谈判提供碳源/汇空间格局和演变的科学数据。

目前, 多数耦合模式高估了CO2施肥效应,这是因为这些模式还没有考虑氮限制作用。针对这一问题,本项目发展了一个适用于我国的碳氮耦合模式AVIM,并利用陆面模式CABLE进行比较。模式里详细地考虑了氮循环过程相关的子过程,实现了陆地生态系统氮循环和碳-氮耦合的模拟,使模式具备了氮循环的模拟能力。具体来说，在模式AVIM中,引入了氮对光合作用、同化作用及呼吸作用的限制，光合过程和呼吸过程中加入了氮机制, 完成了新光合和呼吸方案的耦合和验证。 模拟了氮-氮耦合对气候系统的相应，研究了氮过程对全球碳源/汇的影响, 分析了东亚季风区的碳收/支对这一机制的响应, 并探讨了形成机理；预估了未来碳-氮相互作用对气候系统的响应。本研究为耦合模式在全球和区域尺度的碳-氮相互作用研究提供了依据,并为地球系统模式的生物化学过程的不确定性研究提供了经验。