北半球高纬度地区植被对气候变化的综合响应研究

Accompanying with drastic climate change, vegetation over northern high-latitudes has experienced significant changes. However, the response mechanisms of vegetation to climate or environmental changes are very complex, and great uncertainty occurs on future vegetation evolution forecasted by theories and models. It is necessary to fully consider the comprehensive influence of multi-factors. Therefore, in the framework of Earth System Model developed by Chinese Academy of Sciences (CAS-ESM), this project intends to force Global Dynamical Vegetation Model (DGVM) with historical reanalysis data, multi-model data from RCP2.6 and RCP8.5 of CMIP5, respectively, then to assess the characteristics of the comprehensive responses of vegetation over northern high-latitudes to climate change, and to diagnostic the associated key factor or combinated factors. This project will provide scientific basis for more accurately forecasting vegetation evolutions and climate change over northern high-latitudes. It will also provide references for improvements of DGVM and field experimental design.

伴随着急剧的气候变化，北半球高纬度地区植被已发生显著变化。然而，植被对气候／环境变化的响应机理十分复杂，理论及模式预估的未来植被演变具有很大不确定性，需充分考虑多因子的综合效应。因此，本项目将在中国科学院地球系统模式（CAS-ESM）框架下，使用历史再分析资料、CMIP5 RCP2.6和RCP8.5的多模式输出数据分别驱动全球植被动力学模式（IAP-DGVM），从而预估北半球高纬度地区植被对气候变化的综合响应特征,诊断其关键影响因子或因子组合。本项目将为更准确地预测北半球高纬度地区植被演变和气候变化提供科学依据；为全球植被动力学模式的改进及野外试验的设计提供参考。

北半球高纬度地区植被是陆地生态系统的重要组分，其对未来气候变化的综合响应十分复杂，模式预估的不确定性很大。本项目围绕该地区植被对气候变化的综合响应，利用全球植被动力学模式（IAP-DGVM）主要研究了三方面内容，包括（1）系统地评估IAP-DGVM对北半球高纬度地区植被的模拟能力；（2）预估北半球高纬度地区植被对气候变化的综合响应特征；（3）诊断影响北半球高纬度地区植被对气候变化响应的关键因子或因子组合。针对（1），研究结果表明，IAP-DGVM能够较准确地模拟北半球高纬度地区的植被分布和碳通量，从而显著提高了中国科学院地球系统模式（CAS-ESM）的模拟能力。针对（2），研究结果表明，在未来预估试验中，北半球高纬度地区植被显著增加，幅度达到了9.72%，其中，草和树分别增加了15.24%和5.94%，灌木却减少了11.46%；同时，该地区陆地总初级生产力（GPP）、净初级生产力（NPP）和自养呼吸（Ra）也显著增加。针对（3），研究结果表明，未来温度的变化显著影响北半球高纬度地区植被演变。“寒带针叶常绿树”（NEB）、“寒带阔叶落叶灌木”（BDBsh）和“C3极地草”（C3Ar）的覆盖度变化和温度变化的偏相关系数分别是–0.93（P<0.001）、–0.54（P<0.05）和0.69（P<0.01）。相比温度而言，降水的影响较弱，降水的变化与NEB、C3Ar覆盖度的变化的偏相关系数分别是0.62（P<0.1）、0.51（P<0.05）。碳通量在未来情景下的变化主要是气候变化、植被覆盖度、叶面积指数（LAI）综合作用的结果。在北半球高纬度大部分地区，未来情景下温度和降水增加都促使GPP、NPP和Ra增加。但是在局部地区，如西伯利亚西部，植被覆盖度的变化导致LAI和碳通量减小，抵消了气候变化引起的碳通量的增加，最终导致该地区碳通量增量较小。本项目实现了IAP-DGVM与CAS-ESM的耦合和应用，对CAS-ESM的发展具有重要贡献和科学意义。项目的完成使得CAS-ESM能够用于研究植被动态演变和气候变化的相互作用，能够用于研究植被动态演变对陆地碳通量的调节，进而反馈影响大气CO2。本项目成果为CAS-ESM提交CMIP6的DECK试验和相关MIP（如C4MIP）试验提供坚实基础。