全球植被年际尺度动态过程的数值模拟及其评估

动态植被模型（Interactive Canopy Model,ICM）中考虑了生态系统碳氮循环过程,能够描述较短时间尺度上的植被与大气之间相互作用过程。利用21 a的GIMMS卫星观测LAI资料,与ICM模拟结果进行年际变率对比分析,评估模型对植被年际变化的模拟性能。结果表明,ICM能在一定程度上反映植被年际变率的空间分布特征,但模拟的热带部分地区植被的年际变率偏小,除此之外大部分地区模拟的年际变率偏大;模拟能够反映出全球植被年际变化的主要空间分布型,同时低纬度地区植被的时间演变特征要好于高纬度地区;ICM对寒带灌丛、北非稀树大草原、落叶针叶林的年际变化模拟较好,但对中国东部农作物的模拟表现出了明显的周期振荡现象,与实际情况差距较大。     

动态植被模型对青藏高原植被的模拟检验

动态植被模型是研究植被变化对气候反馈和影响的重要模型工具。本文对耦合了动态植被（Dynamic Vegetation, DV）和碳氮（Carbon and Nitrogen, CN）模型的NCAR陆面过程模式CLM4.5(Community Land Model version 4.5)对青藏高原（以下简称高原）植被的模拟性能进行了评估,获得了定量化的偏差信息,并对高原植被和气候变化因子的关系进行了初步探讨。结果表明：模型能大致再现叶面积指数（Leaf area index, LAI）在历史时期的季节循环、长期变化趋势和空间分布,但空间变率较遥感资料大。模拟的乔木覆盖度偏大,草地覆盖度偏小,因此严重高估了植被高原南部和东部的LAI。与遥感观测相比,模拟的LAI呈现了1～2个月的滞后,这与模式本身的植被动力机制不完善和模式的降水驱动偏差有关。高原植被变化趋势的时空分布与表层土壤水和降水等气象因子的趋势变化显示出较好的一致性,表明在该研究时段,地表水循环的变化（主要是降水和土壤水含量）对高原植被生长可能起主导作用。     

不同植被LAI的MODIS反演及其在青藏高原东部的应用

应用Terra和Aqua卫星的MODIS资料和三维叶分布模式,结合MODIS陆地植被覆盖产品数据,估算了6种生物群落的LAI,并与我国西北地区叶面积仪观测结果进行了对比和分析。结果表明,从两颗卫星连续8天的观测资料可以估算出LAI,反演结果的相对误差基本在±20%以内,平均相对误差为13.7%,说明该方法可以反演实际植被的LAI;根据植被类型的差异,建立了6种生物群落LAI与NDVI的指数关系,相关性较好;青藏高原东部的LAI时间变化有不一致性的特征,反映了不同生物群落的生物学特性的差异;不同季节的LAI变化在空间上有很大差异,说明本研究区域西部冷、干和高原东部相对暖、湿的复杂气候特征。     

东亚地区陆地植被净初级生产力与夏季气候的模拟

利用中国科学院大气物理研究所(IAP)一个海洋-大气-动态植被耦合模式(GOALS-AVIM),进行了100年模拟积分.基于模拟结果,对东亚地区的植被净初级生产力(NPP)、降水、地面气温和短波辐射的季节变化进行了标准化对比,分析了NPP的时空格局与气候因子(气温、短波辐射和降水)的关系;利用奇异值分解(SVD)对东亚夏季降水场和NPP的关系进行分解.结果表明,夏季东亚地区植被NPP及相关气候因子的时空变化规律明显,耦合模式可以很好地模拟出观测存在的降水及NPP、LAI(叶面积指数)大值区随季节北移南退的形态;由于耦合模式中AVIM的双向特点,模式模拟的NPP与其他物理场的季节变化有很强的对应关系,而且在不同时间和地区,NPP与降水、地面气温、短波辐射表现出不同的对应关系,其中植被NPP时间变化与气温和降水的相关性都较高;从NPP场和降水场夏季逐月标准化距平奇异值分解的空间分布模态来看.NPP与降水在时空场上表现出很强的耦合性,NPP的空间格局与降水存在较好的相关性,不同地理位置的相关性强弱不同,分解出的降水场异常相关模态也再现了东亚夏季降水移动的时空特征,同时东亚雨带随季节变化与NPP的气候变率表现出不同的对应模态.     

植被覆盖异常变化影响陆面状况的数值模拟

利用NCAR最新的公用陆面模式CLM3．0，通过数值模拟初步研究了植被叶面积指数（LAI，leafareaindex）异常变化对陆面状况的可能影响，结果表明，植被LAI的异常变化能够引起地表能量平衡、地表水循环等陆面状况的异常。（1）植被LAI的异常变化主要影响太阳辐射在植被与地表之间的分配，以及地表的感热、潜热通量。植被LAI增大，能够引起植被吸收的太阳辐射增加，而到达土壤表面的太阳辐射减小，并导致植被的蒸发、蒸腾潜热通量增加，造成地表的蒸发潜热和感热通量不同程度的减小。（2）植被LAI增大时，植被对降水的拦截和植被叶面的蒸发增大，植被的蒸腾作用也明显增强；植被LAI增加会使得热带地区各个季节的土壤表面蒸发、地表径流减小，而土壤湿度有所增加；LAI增加造成中高纬度地区土壤蒸发的减少主要出现在夏季；LAI增加还能够引起中高纬地区冬、春积雪深度不同程度的增加，造成春末、夏初地表径流的增加。（3）植被LAI增加能够使得叶面和土壤温度有所下降，但植被LAI的变化对叶面、土壤温度的影响相对较小。     

IAP大气-植被耦合模式的建立及其模拟

为了充分理解气候与植被之间在不同时间尺度上的反馈作用,需要把动态植被模式耦合到气候模式里.本研究通过引进动态植被模式VEGAS(VEgetation-Global Atmosphere-Soil),在中国科学院大气物理研究所9层(IAP9L)气候模式的基础上,初步建立了一个新的IAP大气一植被耦合模式IAP9L_VEGAS.对该模式积分多年的结果分析表明:IAP9L_VEGAS可以较合理地模拟出植被生态系统生产力和植被、土壤碳库的总量及其季节变化,而且该模式模拟的叶面积指数的全球分布与观测资料十分接近.与未耦合动态植被模式的IAP9L模式模拟结果的比较表明:在非洲和南美等热带雨林地区,IAP9L_VEGAS模拟的叶面积指数比IAP9L中根据经验设置的大3.5以上,更接近观测;此外,IAP9L-VEGAS模拟的降水和近地面气温均较IAP9L更加接近观测实况.     

1982~1999年中国地区叶面积指数变化及其与气候变化的关系

利用1982～1999年AVHRR Pathfinder卫星遥感观测的植被叶面积指数（leaf area index,LAI）资料和中国730个气象台站的温度、降水观测资料,研究了中国不同地区（东北地区、华北地区、长江流域、华南地区和西南地区）LAI的季节、生长季和年变化,及其与气候变化（温度、降水）的关系。结果表明,在中国大部分地区,年平均LAI和生长季平均LAI均是增加的。由于区域和季节气候的差异,LAI变化趋势具有明显的空间和季节非均一性。从区域平均的角度来看,不同地区年和生长季平均LAI都有增加趋势,并且在华南地区增加最快。因而,在全球变化背景下,华南地区可能是潜在的碳汇。在季节尺度上,各地区区域平均LAI基本上都是增加的,并且都在春季增加最快。温度变化是LAI变化的主要原因。但是人类活动如农业活动、城市化等对华北平原、长江三角洲和珠江三角洲等地区LAI变化的作用不容忽视。     

基于MODIS资料的贵州植被叶面积指数的时空变化及其对气候的响应

利用2000～2006年MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星遥感观测的植被叶面积指数月平均资料以及相应时段的月平均气温、降水的观测资料对贵州植被的时空变化进行了分析.结果表明贵州2000～2006年植被分布受水热条件控制表现出对气候因子不同的响应关系,其中对降水的响应关系比气温明显,特别是冬季和春季,而植被在夏季和秋季的分布主要受气温的制约,与降水的关系并不明显.从季节和年际尺度的时间变化角度而言,植被对气温的响应比对降水明显,季节变化和年际变化的相关系数分别为0.89和0.73(分别通过99.9%和95%信度检验).     

植被对干旱趋势的影响

历史干旱事件的观测和数值研究表明,植被可通过地—气水分、能量和其他通量交换影响和反馈干旱.本研究旨在了解气候变化情形下植被对干旱趋势的影响和机制.应用美国大陆七个动力气候降尺度区域气候变化情景,计算和分析了现在和未来的干旱指数、空间分布和季节变化.通过比较同一气候区两种植被类型区域干旱强度和频率理解植被的影响.集成分析结果表明,未来美国干旱很可能增加,其中大平原中部所有季节都很显著,而东南和西南地区夏秋更为显著.植被对干旱趋势的影响和气候区有关.在温暖和潮湿/干燥气候区,林地(草地)未来干旱强度和频率的增幅大于对应的农田(荒漠)区域,因此植被可以放大未来干旱的风险.相反,在寒冷和潮湿气候区,林地(草地)区域未来干旱强度和频率增幅较小,表明植被放大未来干旱的作用可能只在某些气候情形下出现.这种植被对未来干旱影响的复杂性和对气候区的依赖性对气候模式提供可靠的干旱模拟和预测及森林管理部门制定适应和减缓气候变化的策略提出了新的挑战.     

中国西部植被覆盖变化对北方夏季气候影响的数值模拟

植被覆盖的变化是气候变化的成因之一,植被改变对气候的反馈可能会加强或者减缓气候的变化.文中利用CCM3全球气候模式以及20世纪70年代和90年代中国西部的植被覆盖资料进行数值模拟试验,研究了这两个时期植被变化对北方夏季区域气候的影响.模拟结果表明:植被增加的地方,地面吸收的辐射通量增加;植被减少的地方,地面吸收的辐射通量减少.地面辐射平衡的变化造成局地大气热量异常,并引起周边大气热量的调整,从而导致东亚地区夏季大气环流异常.相对于70年代的植被状况,用90年代植被模拟的北方地区对流层上层为异常气旋性环流,而中、低层为异常反气旋环流,东北亚到中国东部盛行异常北风,同时西太平洋副热带高压强度偏弱、位置偏南.这种异常环流特征说明模拟的90年代中国东部夏季风明显减弱,异常的环流形势造成华北和东北地区夏季水汽输送减少,水汽辐合减弱,年降水量减少了40 mm,呈现减少的特征,这是和观测事实是比较吻合的.降水和环流的异常还造成华北和东北夏季平均地面气温降低了0.4-0.8℃.因此近30年来中国西部植被变化可能是东亚夏季风年代际变化以及北方夏季降水减少的一个重要因素.     

动态冠层模型ICM的改进及其对中高纬地区植被季节和年际变化的模拟试验

植被动态冠层模型Interactive Canopy Model(ICM)考虑了生态系统中较完整的碳氮循环过程,能够较为客观真实地描述较短时间尺度上植被的动态变化特征.本文在ICM原有碳氮分配方案基础上,考虑了植物花、果实等新生组织对碳氮分配的影响,假设新生组织碳库是花期以后植物的主要碳汇之一,并利用物候模型Fore-...     

西北地区陆地生态系统植被状态参数业务化遥感研究

植被指数(NDVI)和叶面积指数(LAI)是两个非常重要的陆地生态系统植被状态参数.我们首先利用最大值(MVC)合成方法使用先进遥感数据如MODIS、AVHRR3等得到旬合成植被指数(NDVI),然后利用最新的经验方法针对不同的陆地生态系统类型反演得到叶面积指数,重点研究了我国沙尘暴发生频率较高的我国西北地区植被覆被状态及其变化情况.植被指数能够反映区域,乃至全球范围植被年季状态,用于监测陆地生态系统植物光合作用活动及其变化.植被指数作为一个基础参数能够用于计算反演更高级别的陆地生态系统状态参数.叶面积指数直接影响植被的光合作用,蒸腾作用的变化和陆面过程的能量平衡状态.在沙尘暴预测研究中使用的起沙过程模型需要将叶面积指数作为一个关键输入变量,另外,绝大多数生态过程模型模拟碳、水循环时也都需要将叶面积指数作为一个非常重要的输入变量.我们总结了最新的叶面积指数经验反演方法,针对6钟不同的陆地生态系统类型应用不同经验模型计算得到了叶面积指数.     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part II： Simulations of Biological Processes

In Part I, the authors succeeded in coupling the spectral atmospheric model （SAMIL_R42L9） developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences （LASG/IAP/CAS） with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model （AVIM） and analyzed the climate basic state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM. In this Part Ⅱ, we further evaluate the simulated results of the biological processes, including leaf area index （LAI）, biomass and net primary productivity （NPP） etc. Results indicate that R42_AVIM can simulate the global distribution of LAI and has good consistency with the monthly mean LAI provided by Max Planck Institute for Meteorology. The simulated biomass corresponds reasonably to the vegetation classifications. In addition, the simulated annual mean NPP has a consistent distribution with the data provided by IGBP and MODIS, and compares well with the work in literature. This land-atmosphere coupled model will offer a new experiment tool for the research on the two-way interaction between climate and biosphere, and the global terrestrial ecosystem carbon cycle.     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part Ⅱ: Simulations of Biological Processes

In Part Ⅰ, the authors succeeded in coupling the spectral atmospheric model (SAMIL_R42L9) developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences (LASG/IAP/CAS) with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model (AVIM) and analyzed the climate basic state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM. In this Part Ⅱ, we further evaluate the simulated results of the biological processes, including leaf area index (LAI), biomass and net primary productivity (NPP) etc. Results indicate that R42_AVIM can simulate the global distribution of LAI and has good consistency with the monthly mean LAI provided by Max Planck Institute for Meteorology. The simulated biomass corresponds reasonably to the vegetation classifications. In addition, the simulated annual mean NPP has a consistent distribution with the data provided by IGBP and MODIS, and compares well with the work in literature. This land-atmosphere coupled model will offer a new experiment tool for the research on the two-way interaction between climate and biosphere, and the global terrestrial ecosystem carbon cycle.     

4～10月藏北地区地表植被参数的卫星遥感研究

利用MODIS可见光和近红外1~3波段的卫星资料推算得到“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原实验”(GAME/Tibet)实验区4~10月季风前后的地表植被参数的变化情况,并将其与NOAA-14 AVHRR卫星资料分析得到的实验区的植被参数进行了比较。同时分析了不同算法在青藏高原的适用性。     

Evaluation of CMIP5 Earth System Models in Reproducing Leaf Area Index and Vegetation Cover over the Tibetan Plateau

The abilities of 12 earth system models (ESMs) from the Coupled Model Intercomparison Project Phase5 (CMIP5) to reproduce satellite-derived vegetation biological variables over the Tibetan Plateau (TP) were examined. The results show that most of the models tend to overestimate the observed leaf area index (LAI) and vegetation carbon above the ground, with the possible reasons being overestimation of photosynthesis and precipitation. The model simulations show a consistent increasing trend with observed LAI over most of the TP during the reference period of 1986-2005, while they fail to reproduce the downward trend around the headstream of the Yellow River shown in the observation due to their coarse resolutions. Three of the models: CCSM4, CESM1-BGC, and NorESM1-ME, which share the same vegetation model, show some common strengths and weaknesses in their simulations according to our analysis. The model ensemble indicates a reasonable spatial distribution but overestimated land coverage, with a significant decreasing trend (-1.48% per decade) for tree coverage and a slight increasing trend (0.58% per decade) for bare ground during the period 1950-2005. No significant sign of variation is found for grass. To quantify the relative performance of the models in representing the observed mean state, seasonal cycle, and interannual variability, a model ranking method was performed with respect to simulated LAI. INMCM4, bcc-csm-1.1m, MPI-ESM-LR, IPSL CM5A-LR, HadGEM2-ES, and CCSM4 were ranked as the best six models in reproducing vegetation dynamics among the 12 models.     

MODIS资料分析新疆植被生长的季节变化

基于实际的研究区域,介绍了植被的光谱特征,并引用了植被指数的概念,对MODIS探测器监测植被的特点进行说明。选择MODIS数据植被指数NDVI的时间序列分析方法分析新疆2004年植被的季节变化。