CLM4.5模型生态系统呼吸模拟研究

来源 :甘肃农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kefamz
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生态系统呼吸(ecosystem respiration,RE)是除总初级生产力(gross primary productivity,GPP)之外,陆地生态系统与大气之间的第二大碳通量。然而,RE受复杂的物理、化学和生物相互作用过程的调控,具有很强的时空异质性,在全球尺度上尚未被准确估算,从而给全球陆地生态系统碳收支评估带来影响。因此,准确估算RE变化对全球碳循环研究至关重要。模型模拟是估算陆地RE变化的一种常用手段,目前陆地生态系统过程模型的RE模拟仍存在很大不确定性。本研究以FLUXNET和ChinaFLUX两组碳通量观测数据作为通用陆面模型(community land model version 4.5,CLM4.5)区域和站点RE模拟结果的验证数据,对区域和站点尺度RE模拟结果在空间、年际和季节变化上进行验证分析,主要探究不同时空格局RE模拟的误差原因,并在此基础上针对RE模拟误差的主要成因从模型参数角度提升CLM4.5模型RE的模拟精度。研究结论如下:(1)与FLUXNET的47个站点RE观测数据年值相比,CLM4.5捕捉RE空间格局模拟相关性较好(R=0.61,P<0.01),除草地模拟RE整体低估之外(相对误差为-18.89%),其余植被型均存在不同程度的高估。从纬度格局来看,RE模拟总体呈现低纬度模拟RE高估,高纬度模拟RE低估的趋势。(2)与空间格局模拟效果相比,CLM4.5模型RE年际变化模拟相关性总体相对较低。从不同生态系统类型角度来讲,草地模拟RE较高的相关性和较低的偏差使得整体模拟效果相比森林生态系统较好。CLM4.5模型RE模拟年际变化高估或低估情况与空间格局模拟结果相似,即草地生态系统各站点RE低估,森林生态系统中的不同植被功能型存在不同程度的高估。(3)CLM4.5模型RE模拟季节偏差整体趋势与年际变化相似。从不同植被功能型来看,常绿林(常绿针叶林和常绿阔叶林)模拟RE全年高估,其余植被型在生长季(4-9月)和非生长季(10-3月)出现不同程度的高估和低估,特别是草地站点在生长旺季RE低估更为明显。为了进一步评估各植被型季节变化综合模拟效果,本研究根据各度量指标(R、RMSE、MBE等)对其模拟效果进行排名,结果表明各植被型模拟效果由优及差依次为混交林、常绿针叶林、草地、农田、落叶阔叶林、常绿阔叶林。(4)相比区域尺度森林生态系统各植被功能型的季节变化模拟效果,CLM4.5模型较好地捕捉了长白山、鼎湖山和千烟洲站点RE的季节变化趋势。森林生态系统各站点的RE生长季和非生长季模拟效果同区域尺度模拟效果相似,即鼎湖山和千烟洲站点代表的常绿林逐年RE均高估,长白山代表的落叶阔叶林和混交林在逐年RE变化捕捉变化中存在不同程度的高估和低估,生长旺季相比生长季总低估量较大。(5)以海北和内蒙为代表的草地生态系统站点尺度模拟RE季节变化同区域尺度变化相似,即在空间格局、年际和季节变化中均存在不同程度的高估和低估。CLM4.5模型整体高估了海北站点的RE季节变化,内蒙站点表现出非生长季模拟RE高估,生长季模拟RE低估的现象。(6)以长白山森林和海北草地站点为例的参数敏感性分析表明,土壤呼吸温度敏感性(Q10-RS)是影响森林和草地站点土壤呼吸以及RE的关键参数。基于此,本研究根据文献资料对Q10-RS大小按不同植被型进行划分,其中常绿针叶林最优Q10-RS为1.99,常绿阔叶林最优Q10-RS为2.17,落叶阔叶林最优Q10-RS为2.6,混交林最优Q10-RS为2.79,草地最优Q10-RS为1.75。(7)综合各站点优化后的RE模拟效果可以看出,文献整合的最优参数集相比使用CLM4.5模型默认的Q10-RS其各站点RE季节变化模拟精度总体提升。主要表现在草地生态系统的模拟相关性提升较显著,森林站点RE高估量和草地站点季节变化整体低估量相比之前均有所改善,森林生态系统和草地生态系统各站点的RE模拟均方根误差(RMSE)和平均偏差(MBE)均有所降低。
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