植被生态系统群体结构的统计动力学模型的建模与计算方法研究

Terrestrial ecosystem dynamic models are one of the basic tools in the study of global climate and ecosystem change. However, the existing models mostly use empirical formulas developed from ecological field observations and lack of solid physical and mathematical base. They are either oversimplified so that are unable to represent the essential self-organization structures of ecosystem, or too detailed in fine-scale phenomena and cannot be apply for global simulations due to the computational complexities. This application will focus on two key scientific questions, i.e., the development of dynamic model and related mathematical representation of the multiple spatiotemporal patterns and nonhomogeneity in terrestrial ecosystem, and the parameterization of the structures and evolutions of complicated system. Based on physical and ecological principles, the statistics as well as the governing equations of vegetation population structure are to be derived with the consideration of characteristics of plant individual differences and interaction between individuals and populations. A statistical ecosystem dynamic model of structured vegetation population which is suitable for massive computing is to be developed by means of statistical physical and mathematical methods. The methodology in this research will also be useful for similar modeling issues in the development of Earth System Models.

本项目针对重大研究计划“高性能科学计算的基础算法与可计算建模”的重点支持项目6 “气候与植被相互作用动力学的建模与计算方法”。植被生态系统动力学模式是研究全球气候与生态系统变化的重要研究工具。但现有方案多使用生态实验得到的经验公式，缺乏严谨数理基础，或过于简单无法表征生态系统的自组织结构，或无法用于全球进行大规模计算。故急需在数理基础上解决其关键问题，进行具有层次结构的群体动力学建模，以揭示其时空结构特征，进而阐明气候－植被耦合系统的演变规律。本项目将研究“多时空尺度的复杂非均匀植被生态系统的动力学建模及数学表达”及“描述复杂系统结构及其演变的参数化表达及优化”两个关键科学问题，基于物理学原理及生态学规律，应用统计物理和数学方法，由植物个体特征及相互作用导出群体结构特征及其演变方程组，建立可大规模计算的植被生态系统群体结构的统计动力学模型。这也可为地球系统其它类似问题的可计算建模提供参考。

本项目针对重大研究计划“高性能科学计算的基础算法与可计算建模”的重点支持项目“气候与植被相互作用动力学的建模与计算方法”。生态动力学模式是研究全球气候与生态系统变化的重要研究工具。但现有方案多使用生态实验得到的经验公式，缺乏严谨数理基础，或过于简单无法表征生态系统的自组织结构，或无法用于全球进行大规模计算。故急需在数理基础上解决其关键问题，进行具有层次结构的群体动力学建模。.本项目重点解决复杂非均匀植被生态系统层次结构的动力学机理及相关的计算方法等建模难点，用数理方法建立可表征生态系统群体结构及其演变的统计动力学模型。项目主要研究以下内容：.1）建立描述植被生态系统结构及系统演变过程的理论模型。基于热带雨林观测，分析了热带树木生长、生理过程对气候变化的响应。建立描述生态系统大尺度空间非均匀结构特征的理论模型，包括生态系统物种的竞争／共存的理论模型、植物群体年龄结构的生态动力学模型、小尺度植被斑块结构与空间非均匀性的数学描述、气候／环境大尺度空间非均匀性与植被生态系统多样性的关系，以及大规模生物网络中复杂相互作用与系统特性的关系。.2）发展可计算的群体结构的统计动力学模型。参照现有植被动力学理论，建立描述单一物种个体生长发育的高分辨率的模型，进行大规模数值模拟，得到局部植物群落自组织结构的统计表达，建立了可隐式表达这些非均匀结构的统计模型。采用半确定半统计方法，描述高阶矩对系统动力学的修正项，建立生态群体统计动力学模型。.与传统的平均场生态模型相比，项目提出的可计算的群体结构的统计动力学模型可很好地刻画生态系统非均匀结构的统计特性，并考虑了统计高阶矩对系统的修正项，可以更好地模拟生态系统的结构及演变过程，同时计算量比现有的空间显式生态动力学模型大为简化。.项目成果已被作为中科院地球系统模式下一代全球植被动力学模式的基本设计框架，并将应用于筹建中的我国大科学装置“地球系统模式装置”。