植被返青期对气候系统的响应和反馈机制研究

Vegetation phenology shifts in response to climate change and causes important feedbacks to the climate system. The onset of spring greening (SG) has been advanced significantly in the Northern Hemisphere over 1980s-2010s. In some regions, the advancement is up to 12 days per decade. Due to the climate fluctuation, spatial heterogeneity in climate change and different sensitivity among vegetation, the shifts of SG are spatially and temporally heterogeneous. The heterogeneity leads to significant complexity in investigating climate change via impact on and feedbacks to shifts of SG. In this project, we will inter-compare and validate SG derived from multiple satellite-based vegetation index products, fileld observations to disclose the inter-annual variation and long-term trend of SG, and validate the results at typical sites with real-time observations by PhenoCam. We will create a time series of global SG which is used as land surface forcing in coupled earth system model experiments to disclose how the shifts of SG modify the land surface characteristics, and thus influence the land-atmosphere coupling and near-surface energy budget and partitioning (latent heat, sensible heat, ground heat etc.). We will further link the SG shifts with the anomalies in regional precipitation and temperature.

植被物候的变化是对气候波动和变化的响应，同时改变地表生物物理过程的季节性特征，从而改变陆-气间的物质能量交换，影响气候系统过程。1980s-2010s期间，北半球植被的春季返青期明显提前，在一些区域，每十年提前达12天。事实上，因为气候的年际波动、气候变化的区域差异，以及不同植被对气候的敏感性差异，返青期的变化呈现很强的时空异质性。这种时空异质性使研究返青期变化对气候系统的响应和反馈机制变得复杂。本项目将利用多种遥感植被指数产品，通量观测资料互比验证，细化研究不同区域、不同植被返青期的年际变化特征，并在典型站点利用多光谱物候观测仪的实时观测进行验证，厘清全球返青期的时空变化及其对气候因子的响应。基于全球返青期时空变化数据驱动地球系统模式的陆面过程，进行耦合模拟试验，研究返青期变化如何通过改变地表特征，从而改变陆地与大气间的耦合特征及地表能量的平衡和再分配，以及与温度降水异常的联系。

植被物候的变化是对气候波动和变化的响应。物候的变化同时改变地表生物物理过程的季节性特征，从而改变陆-气间的物质能量交换，影响气候系统过程。因为气候的年际波动、气候变化的区域差异，以及不同植被对气候的敏感性差异，返青期的变化呈现很强的时空异质性。针对返青期变化对气候系统的响应和反馈机制时空复杂性，本项目利用多源遥感产品、气候再分析资料、地球系统模式开展了系统的研究，主要研究内容和结果包括（1）利用多种遥感指数（归一化植被指数、归一化水指数和归一化雪指数）提取植被返青期，归一化植被指数提取的返青期效果明显优于归一化水指数和归一化雪指数，与通量观测和物候相机影像提取的结果拥有较高一致性；（2）比较了融雪物候、有效积温和降雪量对返青期的影响，发现融雪过程中土壤温度和土壤含水量的协同变化主导了植被春季返青期的变化；（3）植被返青期提前导致生长季前期生态系统碳吸收增加，而后期碳吸收略有减少，因为生长季前期植被的需水量较低，环境中养分较为充足，温暖干燥的条件提高了植被的水分利用率，从而增强了光合作用，但前期植被生长迅速而过度利用水分和养分，使得后期水分亏缺降低植被的水分利用率，并导致生态系统碳吸收轻度降低；（4）基于近30年返青期时空变化数据驱动地球系统模式的陆面和大气过程，进行耦合模拟试验，阐释了返青期提前通过改变陆地与大气间的耦合特征及地表能量的平衡和再分配，通过水汽的放大效应与气候变暖之间行成正反馈效应。本研究形成基于遥感植被指数产品的全球返青期时间序列；发表SCI论文10篇，多篇文章发表Nature Climate Change, Global Change Biology, Agricultural and Forest Meteorology等气候环境领域高影响期刊；培养博士生4名，其中3名已经获得博士学位；初步建立了一支集多尺度观测、分析、模拟为一体的科研团队，与国内外多个相关科研机构建立了合作关系。