中蒙干旱半干旱区动态植被与地表水热相互作用的分析与模拟研究

The interaction between vegetation and land surface water/heat play an important role in the land-atmosphere interaction. The vegetation activity is strengthened by global warming in areas of the mid-high latitude in the Northern Hemisphere, which results in changes in water and heat balance on land surface through land-atmosphere interaction. However, there have been few studies regarding these changes in the Sino-Mongolian arid and semiarid region during the period of intensive global warming in the past 30 years. Therefore, this project aims to use observed land surface data to investigate the dynamic vegetation changes in the Sino-Mongolian arid and semiarid region, and the relationships between dynamic vegetation and land surface water/heat will be also discussed. In addition, to further understand the interaction between dynamic vegetation and the land surface water/heat, we will perform a series of numerical simulation experiments using Community Earth System Model (CESM). Firstly, the capability of the CESM to simulate the dynamic vegetation changes in the Sino-Mongolian arid and semiarid region will be evaluated using the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) data. Then the same climatology data will be used to drive the CESM to simulate the dynamic vegetation and land surface characteristics in the Sino-Mongolian arid and semiarid region using the prescribed CO2 concentration with or without Dynamic Global Vegetation Model (DGVM), and the simulated vegetation and the land surface water/heat characteristics will be analyzed to investigate the interaction between vegetation and land surface water/heat. This project will also investigate the distribution of C3 and C4 grassland presenting different carbon fixation pathways of plants, and the effect of C3 and C4 grassland on land surface water/heat will be studied. The findings of this project will contribute to understanding of the land-atmosphere interaction.

植被与地表水热的相互作用是陆-气相互作用中的关键过程。全球变暖导致北半球中高纬度的植被活动加强，这种变化通过陆-气相互作用对区域的水热平衡产生影响，而目前对中蒙干旱半干旱区植被动态变化与地表水热的相互作用缺乏足够的认识。本项目拟利用监测数据分析与数值模拟相结合的方法，分析中蒙干旱半干旱区的植被动态变化特征及其与区域水热的关系；并基于公用地球系统模式（CESM）模拟该区的植被时空分布特征及地表水热变化；在对模拟结果对比验证的基础上改变CO2浓度，将动态植被子模式（DGVM）打开和关闭状态下模拟植被特征与地表水热状况，以研究动态植被对地表水热的影响及气候变化背景下植被动态变化与地表水热的关系，并分析不同CO2代谢途径的草地类型（C3草地和C4草地）对区域水热的影响。以期深入了解中蒙干旱半干旱区动态植被与区域水热相互作用的机理，也为进一步认识气候变化对中蒙干旱半干旱区地表过程的影响提供参考。

中蒙干旱半干旱区是全球变化的敏感区和生物脆弱带，揭示该区干旱化的发生和发展机理是当前研究的热点问题之一。然而，由于植被与地表水热的关系复杂，尚未有一套成熟的理论与方法在区域尺度上揭示它们之间相互作用的机理。因此，本项目将观测数据分析和数值模拟相结合，利用卫星遥感、NDVI、气候观测站点资料以及公用地球系统模式CESM，研究了中蒙干旱半干旱区植被的动态变化特征，揭示了气候变化与植被及地表水热的相互作用，并进一步探讨了CO2上升条件下区域植被的动态响应特征及其对区域水循环的影响。研究发现，中蒙干旱半干旱区的气温在1982-2013年期间呈上升趋势，尤其夏季的气温升高显著。从空间上看，气温上升显著的地方主要分布在研究区的西南部。研究区的植被NDVI在生长季（4-10月）呈增加趋势，主要分布在蒙古东部、西北部和东南部；整个生长季植被NDVI受降雨的影响大于气温；研究区大部分区域的NDVI与降水呈正相关，其中70%的区域相关性显著（P<0.05），主要分布在研究区东部。进一步分析不同的植被类型发现，常绿针叶林、灌木林、稀疏灌木林、草地对降水变化表现出积极的响应特征，其中灌木林和草地响应显著。通过多组数值模拟试验表明，植被的叶面积指数在加倍CO2浓度下表现出积极的响应特征，然而CO2上升引起的气候变化不利于植被叶面积指数的增加。从不同植物功能型来看，CO2浓度的升高及其引起的气候变化不利于常绿针叶林的生长，而落叶阔叶林、灌木和草地的叶片投影覆盖度在相应的条件下有所增加。CO2浓度的加倍及其引起的气候变化使区域的地表径流增加了4.74mm，主要是由于CO2浓度的升高促进了植被生长进而提高的遮阴效果使地表蒸发减少和冠层蒸腾受到抑制的结果。本项目的研究结果不仅加深了中蒙干旱半干旱区干旱化机理的认识，也可以为当地的生态建设及合理调控区域的植被资源提供依据。