利用区域气候—动态植被耦合模式对东亚植被—大气相互作用及其机理的研究

Vegetation-atmosphere interaction plays an important role in climate change. Previous studies has verified its significant impact on East Asian monsoon. However, most of the previous studies do not consider the realistic vegetation-atmosphere interactions due to the limitation of model development. The long term climate responses due to the conversion of land vegetation cover are commonly studied previously. Or they just use the coupled global climate-dynamic vegetation models, which have limitations on simulating the vegetation-atmosphere interactions on small scale. In this project, a recently coupled regional climate-dynamic vegetation model (the RegCM4-CLM4-CN-DV) and a revised vegetation-atmosphere coupling index will be used to measure the vegetation-atmosphere coupling strength on small scale over East Asia. After optimizing and verifying the model performance on simulating the climate and land vegetation cover change in East Asia, we will try to analyze the strength of vegetation feedback on regional climate changes in quantity and try to point out the “hot points” of vegetation-atmosphere interactions in this area. The interactive processes and the related physical mechanisms will be explored also. Furthermore, future changes of the “hot points” under the IPCC AR5 greenhouse gas emission scenario will be projected by analyzing the vegetation feedback strength as of the second half of the 21st century compared to that in present-day climate. Through this project, we try to deepen our understanding in the characteristics and physical mechanisms of the vegetation-atmosphere interactions and their impact on climate change in East Asia.

植被—大气反馈过程是气候变化中的重要环节，其对东亚季风气候的影响也已被诸多证实。但目前的研究多利用两种或多种固定植被覆盖的转变模拟研究植被变化的长期气候效应，缺乏对真实植被—大气相互反馈过程的考虑；而利用粗网格的全球耦合模式，对描述较小尺度的反馈特征存在一定困难。本项目拟利用新近耦合的区域气候—动态植被模式（RegCM4-CLM4-CN-DV），采用改进的植被—大气反馈指数，在较高分辨率上量化分析东亚地区植被—大气相互反馈强度及其空间分布特征。项目将在优化、验证该模式的模拟能力的基础上，定量描述区域内植被—大气反馈强度，标定反馈“热点”区域；利用模拟结果分析植被—大气相互反馈过程及其内在物理机制；最后拟在未来温室气体排放情景下模拟21世纪中后期东亚地区植被和气候变化状况，预估“热点”区域的变化趋势。通过项目研究，旨在进一步加深对东亚地区植被—大气相互反馈特征、机制及其对区域气候变化的理解。

细致深入理解植被与大气之间的相互作用特征及其对地气间能量、物质和动量交换的影响过程，不仅对理解气候系统变化，也对掌握陆地植被生态系统的演变特征具有重要科学意义。本项目利用能够反映较高空间分辨率的耦合区域气候—动态植被模式RegCM4-CLM4-CNDV，在优化验证模式对东亚地区植被分布和气候状态模拟能力的基础上，结合观测分析和敏感试验结果，对东亚地区的植被—大气相互作用过程及其物理机制进行了深入分析；进一步利用不同变暖背景下的多个全球模式模拟结果驱动该模式，分析了植被—大气相互作用对东亚地区气候变化的可能影响。. 研究结果得到了一套适用于模拟东亚地区植被—大气相互反馈过程的耦合区域气候—动态植被模式，该模式能够较好模拟区域内植被分布和气候状态的空间分布和季节、年际变率特征。研究进一步表明，在未来变暖背景下，由于气温和CO2浓度升高，中国南方大部分地区的自然植被将有裸土向草地或草地向林地升级的趋势并伴有叶面积指数增大；然而中国东北部地区植被LAI在较高排放的RCP8.5情景下表现出急剧减少的趋势。由于植被的反馈作用，RCP8.5情景下中国东北部冬季气温变暖的趋势将显著减缓，但同时该地区的夏季干旱化趋势可能增大。我们还利用多模式集合模拟的方法对区域内植被—大气相互作用对气候变化的影响进行了分析，结果表明，中国东北部和青藏高原可能是区域内高排放情景下植被—大气相互作用的“热点”区域，即中国东北夏季高温可能造成区域内植被覆盖减少，使得区域内冬季气温增暖减缓，夏季降水减少；然而在青藏高原，气温升高和夏季降水增多有利于植被覆盖增加，进而有利于高原冬季增暖和全年降水增加。除此以外，我们的研究也认为，中国东北部地区是植被变化预估不确定性较大的区域之一，如何减小该地区植被对气候变化响应特征的模拟，是后期需要继续深入的工作。. 我们的研究结果为深入理解东亚地区植被—大气相互作用特征及其中的物理机制提了一定的认识，为进一步聚焦植被生态与气候耦合系统关键区域提供了一定的物理依据。