动态植被模型与陆面水文模型的耦合研究

The vegetation has an important impact on the energy, water and carbon cycles over a basin scale. Whether or not can achieve a detailed description of the dynamic changes of the vegetation, is of great significance to improve the land surface modeling of these cycles. This study intends to couple an internationally popular dynamic global vegetation model with a new generation of distributed land surface hydrological model to faithfully reproduce the impact of vegetation changes on hydrological and ecological processes. The land surface hydrological model is treated as the foundation of the coupling and the dynamic global vegetation model will be simplified as a sub-module, which is combined with the soil - vegetation - atmosphere transfer mechanism of the land surface hydrological model. Description of the interactions between the two mechanisms in coupling is mainly reflected in: 1) soil moisture and soil stratification of the land surface hydrological module can change vegetation transpiration and photosynthesis of the vegetation module through stomatal process; 2), leaf area index dynamic change of the vegetation module can change the hydrological cycle by influencing canopy interception, evaporation and vegetation transpiration. In addition, as one of the characteristics of the project, this study intends to adopt detailed vegetation information by Light Detection and Ranging technology for the calibration and validation of the coupled model. Development of such distributed ecohydrological model in this project has important significance to deepen the understanding of the mechanisms between vegetation dynamic changes and land surface hydrological processes and therefore for a better simulation of energy, water and carbon cycles over a basin scale.

植被对流域水、热、碳循环具有重要影响。因而，实现植被动态变化的详细描述，对改进陆面水文模型的能量与物质循环模拟具有重要意义。本研究拟将国际上主流的动态植被模型与新一代分布式陆面水文模型相耦合，真实再现植被变化对水文过程和生态过程的影响。模型的耦合以陆面水文模型为基础，将简化的动态植被模型作为子模块与陆面水文模型的土壤-植被-大气传输机制相结合。耦合模型对两者相互作用机制的描述主要体现在：1)陆面水文模块的土壤含水量和土壤分层通过对气孔过程的影响改变植被模块的植被蒸腾和光合作用；2)植被模块的叶面积动态变化通过影响冠层截留、蒸发与植被蒸腾改变水文循环。另外，作为本项目的特色之一, 本研究拟采用由激光雷达技术获取的详细植被信息对耦合模型进行率定和验证。本项目所开发的这种流域分布式生态水文模型对于加深植被动态变化与陆面水文过程相互作用机制的认识并更好地模拟流域能量与物质循环具有重要意义。

本研究以阐明生态过程与水文过程的相互作用机理为研究目标，以基于水与能量平衡的分布式水文模型WEB-DHM (Water and Energy Budget-based Distributed Hydrological Model) 和动态全球植被模型IBIS (Integrated Biosphere Simulator) 为基础构建耦合的生态水文模型，并分别在全球尺度和赣江流域开展生态水文过程模拟研究工作。主要包括：1）综合利用激光雷达技术与文献调研搜集了不同植被类型的生态参数，气象驱动数据与站点观测总初级生产力（GPP）和蒸散数据（ET），以寒带北方林为例，研究了冠层导度的主要季节变化趋势以及与森林物候变化和气象因子的关系。研究结论显示植被冠层导度主要由太阳辐射和大气饱和差等为气象因子控制；森林物候变化对展叶期和落叶期的冠层导度具有重要影响；2）基于研究内容1，改进IBIS物候模块，并利用搜集的站点数据与遥感数据，验证改进的物候模型对叶面积指数（LAI）的改进效果。通过与MODIS观测数据对比显示，改进的物候模型由于综合考虑了太阳辐射、大气湿度和气温，因而能够更好地再现植被LAI的季节变化。3）以IBIS模型中的重要参数碳周转时间（τw，年）为例，研究了模型重要生态参数对模型改进效果。通过搜集全球不同森林类型样方尺度上的τw，基于随机森林模型估算了全球尺度的τw，并将估算值作为模型的改进参数，以高分辨率气象数据驱动模型，模拟结果显示利用改进的τw可以很好地改进动态植被模型对森林地上生物量的模拟。4）耦合改进的动态植被模型和水文模型，在全球尺度和赣江流域分别驱动模型。利用站点数据、全球数据（GPP、ET）以及径流数据对模型进行了不同尺度上的率定和验证。模型模拟结果显示，耦合模型能够在全球尺度上再现GPP和ET的时空变化，也能够实现流域尺度上的径流模拟；然而由于动态植被模型与水文模型尺度差异较大，耦合模型对流域尺度的生态参数（如LAI）模拟效果不佳，耦合模型仍需要进一步改进。本研究在国外知名学术刊物发表SCI论文5篇，（3篇正式发表、2篇二审中），完成了项目任务书中的目标。