青藏高原大气—植被相互作用的模拟试验Ⅱ.植被叶面积指数和净初级生产力

利用大气－植被相互作用模式AVIM对青藏高原上30个站点进行模拟计算，给出了青藏高原上植被叶面积指数和净初级生产力的分布特征。模拟结果表明，高原上叶面积指数、净初级生产力由东南向西北减少，模拟和观测的分布相一致。分析指出，青藏高原净初级生产力的分布决定于水热条件的共同作用，降水充沛、温度适宜的青藏高原东南部净初级生产力较高，而青藏高原西北部由于降水过少或温度过低，初级生产力很低。     

我国气候对植被分布和净初级生产力影响的数值模拟

基于0.5°×0.5°经纬网格分辨率的一个全球植被动态模式,利用全国676个雨量站点1961～2000年日资料在0.5°×0.5°网格上插值得到的降水和气温资料作为模式气候强迫,模拟研究了中国区域近40年来的植被动态变化,估算了当前中国区域陆地植被净初级生产力,并分析气候与植被净初级生产力的相关性。结果表明:模拟的植被分布时空格局与实际观测的对应关系良好,模拟与观测的叶面积指数总体上比较一致;植被初级生产力空间分布及总量(约为4.64×1015g.a-1(C))的模拟比较理想。对模拟结果分析显示降水是影响净初级生产力的主要气候因子,而在干旱、半干旱地区温度与植被净初级生产力存在显著负相关关系。研究表明该模式能够比较合理地模拟气候对植被年际动态和生产力变化的影响,对于进一步深入研究气候与植被相互作用是有意义的。     

基于CMIP5模式安徽省植被净初级生产力预估

利用耦合模式比较计划第5阶段（CMIP5）中5个全球气候模式3种典型浓度路径（RCPs）预估结果,基于植被净初级生产力模型,估算安徽省21世纪近期（2018—2030年)、中期（2031—2050年）和远期（2051—2099年）植被净初级生产力及其对气候变化的响应。结果表明：对不同模式在安徽省模拟能力的评估可知,气温以多模式集合模拟效果优于单个模式,MIROC-ESM-CHEM对降水的模拟能力较好。未来安徽省将持续变暖,北部变暖幅度高于南部,其中RCP8.5情景下变暖趋势更显著;全省降水量将增加,南部增加多于北部。随着气候趋于暖湿化,植被净初级生产力总体增加;与基准年相比,21世纪近期增加不明显,中后期显著增加,空间上南部增加总体高于北部。从气候变化响应来看,安徽省植被净初级生产力与降水量和平均气温均显著相关,并且对降水量的响应程度更高。     

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.     

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.     

全球植被分布对气候影响的数值试验

利用一个新的陆－气双向耦合模式R42_AVIM, 通过有无植被覆盖的对比试验分析, 探讨了全球植被分布对气候和大气环流产生的潜在影响。得出: 陆面植被覆盖使得地表特征参数发生行星尺度的明显改变, 在叶面积指数大的热带和中高纬度森林带尤其显著。在现实植被分布下, 陆地表面反照率减小, 地表净辐射收支和地表潜热通量增加, 而地表感热通量减小。植被叶面积指数比较大的区域地表温度降低, 并且这种温度的改变一直延伸到对流层中上层, 在热带表现为斜压结构, 而在中高纬表现为相当正压结构。植被的存在使热带和中高纬度森林带的蒸发和相应的高层凝结潜热加热增强, 从而增强了经圈环流的上升支, 使得冬季在热带和南半球中纬度降水增多, 夏季在热带和北半球中高纬地区降水明显增多; 而经圈环流下沉支的增强致使副热带降水减少且更干旱。同时, 植被的存在使大陆潜热释放增强, 气温下降, 减小了海陆温度对比, 亚洲夏季风也有所减弱。     

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。     

青藏高原大气一植被相互作用的模拟试验Ⅰ.物理通量和参数

在原大气-植被相互作用模式AVIM的基础上作了改进,包括对植被生理过程,如(1)光合作用;(2)呼吸;(3)分配和(4)物候等新的描述方法.对青藏高原上30个站点进行模拟计算,给出了高原上地表辐射及水热物理通量以及地表拖曳系数和地面反照率的分布特征.模拟结果表明净辐射和感热通量由东南向西北增加,高原西北部地表反照率较高,东南部地表反照率较低.     

气候变化对中国中纬度半干旱草原生产力影响机理的模拟研究

应用大气植被相互作用模式(AVIM)模拟了内蒙古半干旱草原的净初级生产力和生物量。在此基础上,通过气温和降水变化的敏感性控制试验探讨了气候变化对草地初级生产力的影响机理。研究表明,无论是降水或温度的变化对草地的生产力都有显著影响。降水增加,生产力增加。而温度增加,生产力下降。气候变化对生产力影响的机理是:降水增加改善了土壤的水分供给条件,增强了光合速率,从而提高了生产力。温度增高,一方面可以增加光合速率,另一方面却使蒸散加强,土壤变干,光合速率下降,而后一作用过程在半干旱地区大于前者,因而温度增高使生产力下降。单一气候因子敏感性试验表明,温度增高或降低2℃,年净初级生产力(NPP)变化约20%,中纬度半干旱草地地上生物量可以改变30%以上。降水量变化50%,年NPP改变37%,地上生物量将改变近30%。     

2000—2021年江西省植被生态质量时空分布及其与气候因子的关系

基于卫星遥感数据和气象数据,采用距平分析、趋势分析、相关性分析等方法,分析了2000—2021年江西省植被生态质量时空变化特征,及其与气温、降水、日照等气候因子的关系。结果表明：1） 自2000年以来江西省植被生态质量整体改善明显,植被净初级生产力和生态质量指数呈明显上升趋势,年平均分别增加3.92 gC/m2和0.4,尤其2011年以后植被净初级生产力和生态质量指数处于较高水平,其中2018年最佳。2） 江西省植被生态指标低值区域位于城区周边,以及由长江和江西五大河流域的泥沙沉积形成的、以鄱阳湖为中心的冲积平原,中值区域位于中南部丘陵,高值区域分布于省境边陲山脉。3） 江西省植被生态指标与年降水量、年平均气温呈显著相关关系,与日照时数相关性不显著。与气候因子的相关性呈现地域差异,南部区域受气温影响较为明显,而中部盆地和东北区域受降水量影响更为明显。     

青藏高原1981～2000年植被净初级生产力对气候变化的响应

基于分辨率为0.1°×0.1°的植被、土壤和气象数据,利用大气-植被相互作用模型（AVIM2）模拟研究了青藏高原1981～2000年植被净初级生产力（NPP）对气候变化的响应。结果表明：青藏高原近20年自然植被（森林、草地和灌木）受气温和降水量增加的影响,NPP总量呈现上升趋势。灌木和森林NPP总量分别以每年1.14％和0.88％的速度增加,均达到统计上的显著性水平。草地NPP上升趋势不如灌木和森林显著。降水量变化对森林和草地NPP的影响高于气温变化对它们的影响,而降水量变化对灌木的影响则小于气温变化影响。总的区域平均来看,尽管1981～2000年青藏高原年平均净辐射通量略有降低,但由于平均气温以0.058 ℃·a-1的速率增加,且降水量略有增长,降水量与气温的共同作用使得青藏高原植被NPP总量呈上升趋势。     

1981-2008年中国陆地植被NPP对气候变化响应的敏感性试验

在验证CENTURY模型对中国陆地植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)模拟能力的基础上,利用该模型探讨了1981-2008年中国陆地植被NPP的年际变异和变化趋势对CO₂浓度、温度和降水变化的响应。结果表明,中国陆地植被NPP对不同气候因子的响应程度存在明显不同。其中,CO₂浓度变化对植被NPP年际变异的影响不显著,但能够引起中国大部分地区植被NPP趋势系数增大;温度对中国中高纬度地区植被NPP的年际变化影响显著,但就全国范围而言,植被NPP年际变异对温度变化的响应程度总体低于对降水变化的响应程度;降水变化是对中国植被NPP变化趋势起主导作用的气候因子。此外,综合考虑温度和降水变化的影响发现,植被NPP变化趋势的响应特征类似于降水单独变化时植被NPP变化趋势的响应特征。     

东亚季风区夏季陆地生态系统碳循环对东亚夏季风的响应

东亚地区陆地生态系统的时空变率表现出明显的对季风气候的响应特征。使用EOF（经验正交分解）方法分析了AVIM2动态植被陆面模式离线模拟试验模拟的1953～2004年东亚季风区夏季陆地生态系统总初级生产力（GPP）、生态系统净初级生产力（NPP）、净生态系统初级生产力（NEP）、植被呼吸以及土壤呼吸的时空分布特点,探讨了东亚夏季风对陆地生态系统碳循环影响机制。研究发现,在强季风年,江淮地区高温少雨的特点限制了光合作用,造成GPP偏低;而华南地区在强季风年气候温暖湿润,利于植被生长,GPP偏高。季风对于植被呼吸和土壤呼吸影响不明显,使得GPP和植被呼吸之差NPP的变化及NPP和土壤呼吸之差NEP的变化与GPP的变化保持一致。在强季风年江淮流域地区干热的气候条件使得NPP和NEP降低;但是在华南地区温度升高的同时降水增多使得在NPP偏高的基础上NEP也偏高。     

青藏高原植被对未来气候变暖的反馈

本文使用NCAR的公共陆面过程模型CLM4.5-CNDV对21世纪末青藏高原（以下简称高原）植被的变化趋势和时空分布进行了预测,以研究高原植被对未来气候进一步变暖的反馈。模式大气驱动数据基于“美国大气科学研究中心”NCAR/NCEP历史时期的气候数据和“第五次国际耦合模式比较计划”CMIP5的多模式集成数据未来气候的变化构建而成,目的是为模式提供高原未来相对真实的气候变化特征。研究得到的主要结论如下：未来高原叶面积指数（LAI）总体呈增加趋势,植被覆盖度增加,高原总体变绿。在未来高原气候变暖湿的状况下,高原植被迁移活动明显,以乔木为代表的植被功能类型倾向于向更冷干的西北方向扩展,覆盖面积增大,高原植被类型整体呈现从冷到暖的一个“升级”调整过程。在未来气候进一步暖化的情况下,高原植被LAI的显著变化区与降水和土壤水变化表现出了较好的一致性,表明未来地表水循环分量（尤其是降水和土壤水）可能成为限制植被生长的最重要的气候因子。研究中也发现CLM4.5-CNDV模式初始植被类型设置与高原实际植被分布严重不符,导致了高原植被模拟和预测上产生了较大的不确定性,这也是未来模式改进的方向。     

江苏省植被净初级生产力时空分布格局研究

基于MODIS植被净初级生产力(NPP)数据产品,利用ArcGIS地理信息系统软件和ENVI遥感软件空间分析工具,分析了2000—2006年间江苏省 NPP的时空分布.研究结果表明:江苏省NPP值空间分布由东南部向西北部递减,在时间变化上,研究时段内2004年NPP值相对较高,2003年相对较低;通过对各个地级市及距海岸不同距离的NPP值分析,发现随着距离海岸线的距离不断加大,NPP值先增加后降低.最后对江苏省NPP时空分布影响因素做了简要分析.     

大规模植被恢复对东亚气候的可能影响

利用动态植被模型CLM4-CNDV、区域气候模式RegCM4.6-CLM3.5和全球气候模式CAM4探究了当前气候状态下东亚区域可能的自然植被分布以及自然植被恢复对东亚区域气候产生的可能影响。结果表明,当前气候条件下,农作物区可能分布的自然植被为:蒙古高原以北、东北、华北平原和四川盆地的部分地区为裸土;东亚东南部及蒙古高原以北地区主要为林地;四川盆地及山东半岛主要为灌木;东北地区、东南沿海和长江中下游地区主要为草地。将农作物区恢复为自然植被后将对区域气候产生显著影响。其中,东亚东部大部分地区由于植被叶面积指数增加引起的蒸散发增强,使得夏季降水增加且温度降低显著;华北、四川盆地和广东中部平原地区植被叶面积指数减小,伴随区域内夏季降水显著减少且温度升高。而蒙古高原地区的气候变化不仅受区域内植被覆盖变化影响,还可能与印度地区和我国东南部植被变化引起的大气环流调整有关,使得蒙古高原西部冬季温度降低,而其东部夏季温度升高,同时夏季降水减少显著。研究所采用的试验方案是在相对理想的情况下进行的,但其结果为进一步区分不同地区植被覆盖变化的影响提供一定的参考。     

植被状态指数监测西北干旱的适用性分析

利用1982—2003年22年逐月GIMMS 8 km分辨率的NDVI数据和西北地区138个气象台站同期月降水数据,分析了植被状态指数(VCI)对西北地区历史干旱的监测能力。根据西北气候和植被类型的特点,选取雨养农业区、灌溉农业区和青藏高原高寒草原区为典型研究区域,研究了VCI对不同地区气象干旱的监测能力,并对VCI监测干旱的适应性进行分析。结果表明:VCI可以较好地反映西北大部分历史干旱的空间分布及其演变特征。对于不同的气候区域,VCI监测干旱的效果存在一定的差别。对于西北东部的雨养农业区,VCI能够较好地反映降水的盈亏对植被影响,是监测这一地区干旱的有效指标;在西北区西部的灌溉农业区,VCI基本不能反映这一地区降水的多寡,不能作为这些地区气象干旱监测的指标;VCI也不能反映青藏高原高寒草原区降水的亏缺,不能作为监测这些地区气象干旱的指标;在极涡干旱的戈壁、沙漠地区VCI会出现虚假的高值。     

环杭州湾地区自然植被净初级生产力的变化特征及其成因

利用1971—2006年环杭州湾地区25个气象站的降水、温度和云量资料及全球CO2年平均体积分数资料,采用LPJ全球动态植被模式（Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model）,通过模拟环杭州湾地区的植被年净初级生产力（Annual Net Primary Productivity,ANPP）,分析了该地区ANPP的变化特征,并探讨了植被ANPP变化的可能原因。结果表明：1）就环杭州湾地区,36a间植被ANPP均表现出不同程度的增加,尤其以嘉兴市北部、绍兴市东部较明显;全区平均增加速率为1.5243g·m-2·a-2;2）通过多元线性回归分析发现,环杭州湾地区平均云量与植被ANPP的关系最为密切,偏相关系数为-0.5175,而温度、降水与植被ANPP的关系不明显;同时,植被ANPP对气候变化的响应存在一定的地域性差异;3）在全区平均情况下,36a间由温度下降、降水增加、云量减小、CO2体积分数升高引起的植被ANPP变化趋势分别为-0.0813、-0.0171、0.7601、0.8673g·m-2·a-2,其对应的贡献率分别为-5.18%、-1.09%、48.38%、55.21%。由此可见,该地区植被ANPP变化的主要强迫因子是CO2体积分数和云量,而降水变化对植被ANNP的变化作用不大。     

青藏高原大气—植被相互作用的模拟试验——Ⅰ.物理通量和参数

在原大气-植被相互作用模式AVIM的基础上作了改进，包括对值被生理过程，如（1）光合作用：（2）呼吸；（3）分配和（4）物候等新的描述方法。对青藏高原上30个站点进行模拟计算，给出了高压上地表辐射及水热物理通量以及地表拖曳系数和地面反照率的分布特征。模拟结果表明净辐射和感热通量由东南和西北增加，高原西北部地表反照率较高，东南部地表反照率较低。     

植被净第一性生产力及其对气候变化响应研究进展

较详细地综述了近些年来，特别是近10年来，国外、国内在全球和区域陆地植被净第一性生产力研究进展，主要包括：植被净第一性生产力研究理论方法；植被净第一性生产力模型和模拟估算；全球气候变化的自然植被净第一性生产力研究和植被覆盖变化及其与气候关系的研究进展；遥感作为当今唯一一种能重复，连续获取全球环境数据信息的高新技术，近年来在植被净第一性生产力研究领域的广泛应用等。同时对今后植被净第一性生产力研究特点和趋势做了讨论，并提出了看法。