青藏高原土壤有机质动态变化与气候相互作用的数值模拟

Recent climate warming will accelerate the decomposition of soil organic matter (SOM) and enhance release of CO2 to the atmosphere over the Tibetan Plateau (TP), which will result in variations of SOM distribution and modify soil thermal and hydraulic characteristics, therefore influence climate over the TP. Due to lack of SOM data, the interaction between SOM and climate is missing in current climate models, which is partly responsible for the modeling discrepancy over the TP. This project will employ the multi-layer soil particle-size distribution (sand, silt and clay content) and SOM dataset compiled from near 9000 thousand profiles from the Second National Soil Survey of China, updating the soil dataset in China land area especially those over the TP used in land surface model BCC_AVIM, incorporating SOM in the parameterization of soil thermal and hydraulic characteristics, trying to account for the influence of SOM on thermal and hydrological transfers in the frozen soil over the TP, and to improve performance of BCC_AVIM in simulating land suface processes and land-atmosphere fluxes over the TP. Forced by NCEP reanalysis, SOM and seasonal frozen soil over the TP in the past 60 years are to be simulated by BCC_AVIM with modified soil thermal and hydraulic regimes. Finally, BCC_CSM with fully coupled carbon cycle is employed to investigate the interactions between SOM variation and climate over the TP, trying to enhance the understanding about the climate change and its possible impacts over the TP.

近年来的气候变暖会加速青藏高原冻土中有机质的分解和释放，导致该地区土壤有机质的分布及土壤水、热传输特性发生改变，从而影响青藏高原的气候。由于缺乏资料，现有气候模式对这种相互作用过程的刻画严重不足，造成高原地区较大的模拟偏差。本项目将利用根据第二次全国土壤普查资料整编的土壤质地和有机质分布资料，对陆面模式BCC_AVIM所用的中国地区尤其是青藏高原土壤基础数据进行更新，改进模式中的土壤导水率和导热率参数化方案以反映有机质对土壤水、热传输和高原季节性冻融过程的影响，并用站点观测资料进行检验，试图改善BCC_AVIM对高原地区陆面过程以及陆-气通量的模拟。利用改进的BCC_AVIM和NCEP再分析资料对青藏高原地区60年来土壤有机碳和季节性冻土的动态变化进行模拟，利用包含陆地碳循环的地球气候系统模式BCC_CSM探讨土壤有机质动态变化与高原气候的相互作用，以增进对青藏高原地区气候变化的科学认识。

气候变暖会加速青藏高原冻土中有机质的分解，而气温升高和大气中CO2增加有利于高原植被的生长，从而增加凋落和土壤碳含量，这两种因素的“合力”决定该地区土壤有机质的分布，从而影响土壤水热传输特性、陆气相互作用的强度乃至青藏高原的气候。本项目利用根据土壤普查数据整编的观测资料，对陆面模式BCC_AVIM 使用的中国地区土壤基础数据进行更新，修订模式中的土壤导水率和导热率参数化方案，改善了BCC_AVIM 对高原地区陆面过程以及陆-气通量的模拟，并利用改进的 BCC_AVIM和气候系统模式BCC_CSM对青藏高原地区近30年来土壤有机碳的动态变化进行模拟。此外，利用再分析数据探讨了高原地区地表热源的时空变化特征及其与亚洲气候的联系。结果如下：（1）考虑土壤有机质影响的参数化方案计算的土壤导热率更接近实测值，比原方案减少30%甚至更多，土壤有机质含量越高，这种减弱作用越显著。（2）高原植被叶面积指数的季节变化明显，夏末初秋达到峰值，而生物量的季节变化略微滞后于植被冠层的生长；叶面积指数的年际波动主要受降水量的影响，根部生物量的年际波动不大，而枝干生物量则逐年增长，这与增暖和大气中CO2含量不断上升一致；生物量的增多导致凋落物的增加，土壤碳密度逐年增加。（3）夏季到初秋植被生长，高原生态系统总体从大气中吸收CO2，冬、春季由于植被光合作用微弱或者停止，以土壤呼吸向外排放CO2为主，气候平均而言，青藏高原地区是陆地碳汇，该碳汇近30年来逐渐减弱。（4）高原春夏季地表感热呈西部大东部小的空间分布，潜热的分布则相反；感热在春季最大而潜热在夏季最大；在年际时间尺度上，高原西部地表感热与潜热有较好的负相关；青藏高原地表感热异常从春季到夏季具有很好的持续性。（5）从春季同期变化来看，伊朗高原地表感热与青藏高原西部（东部）地表感热同位相（反位相）变化，伊朗高原地表潜热与青藏高原东部地表潜热同位相变化；就非同期变化而言，春季伊朗高原地表感热与夏季青藏高原东部地表感热存在反相变化关系。