火灾对全球陆地生态系统碳净收支及气候的影响

Fire is critical for carbon balance of the terrestrial ecosystems on a global scale and affects climate remarkably. Earlier studies just provided the qualitative knowledge of fire's impact, while earlier quantitative works focused on its impact at a site or regional scale. In this proposal, using the NCAR (National Center for Atmospheric Research) earth system model CESM (Community Earth System Model) whose latest version of the Community Land Model CLM4.5 included the global fire model proposed by the proposal applicant, we will first improve the global fire model and model the fire-greenhouse gases/aerosols interactions in the CESM. Then, the proposal will provide the first quantitative estimates about the impact of fire on global-scale net carbon budget of terrestrial ecosystems and climate(focused on surface air temperature and precipitation in the proposal), reveal the characteristics and rules of spatiotemporal variability of fire's impact, and related biogeographic, biogeophysical, biogeochemical mechanisms. The proposal will improve the global fire model and Earth system model, provide the urgent-needed scientific data to support the researches of fire's impact on global climate and terrestrial carbon budget in the context of global change, deepen our understanding about global change and global carbon cycle, and can provide important references for projection of future global fires and their impacts, long-term fire management, as well as carbon negotiation.

火灾是全球尺度上决定陆地生态系统碳净收支的关键因子，同时对气候也有重要影响；然而，目前相关的研究多为定性的，定量方面的研究局限在站点或区域尺度上。本项目将以美国NCAR地球系统模式CESM（其陆面分系统模式最新版本CLM4.5采用了本项目申请人的火灾方案）为依托平台，在改进火灾参数化方案、实现地球系统模式对火灾－温室气体/气溶胶相互作用模拟的基础上,（国际上首次）定量估算20世纪全球尺度上火灾对陆地生态系统碳净收支及气候（温度、降水）的影响，并揭示该影响的时空变化特征、规律以及关键的生物地球地理、物理、化学过程。本项目的研究成果不仅可促进全球火灾模式及地球系统模式的发展，而且为研究全球变化背景下火灾的气候效应及其对陆地碳源汇特征的影响提供急需的科学数据支撑,加深我们对全球气候变化和全球碳循环的认识，并为火灾及其影响的预估、火灾长期管理政策的制定、"碳谈判"提供重要参考。

火灾是全球尺度上最主要的生态干扰形式和重要的地球系统过程。关于火灾影响陆地生态系统碳净收支和气候的已有研究多为定性的，定量方面的研究局限在站点或区域尺度上。本项目以美国NCAR地球系统模式CESM1.2（其陆面分系统模式最新版本CLM4.5采用了本项目申请人的火灾方案）为依托平台，在改进火灾参数化方案、实现地球系统模式对火灾－温室气体/气溶胶相互作用模拟的基础上,（国际上首次）定量估算全球尺度上火灾在地球系统中的作用，并揭示该作用的时空变化特征和规律，以及关键的生物地球地理、物理、化学过程。研究结果表明：火灾通过改变陆地生态系统结构和功能显著减少全球陆面碳净收益1 Pg C/yr, 减少全球陆面蒸散发600 km3/yr, 增加径流量600 km3/yr，而对全球降水量的影响很小；火灾造成全球陆面升温0.18度，减少全球陆面潜热通量和地表净辐射, 而对感热和地热通量的影响很小。火灾的影响主要是在热带稀树草原区，火灾还可改变以上变量的长期变化趋势。 相关机制的分析结果表明：火灾主要通过损害冠层减少蒸散发（潜热），进而导致陆表增温。我们的研究结果还表明：人类点火和火抑制作用，在20世纪以抑制燃烧面积为主；但由于热带森林砍伐引起的火灾为主导，人类对火灾的影响减少全球陆地碳汇功能达17%。本项目的研究成果不仅可促进全球火灾模式及地球系统模式的发展，并且可为研究全球变化背景下火灾的全球气候效应及其对陆地碳源汇特征的影响提供急需的科学数据支撑,为火灾及其影响的预估、火灾长期管理政策的制定、以及“碳谈判”提供重要参考，并加深我们对全球气候变化以及全球碳循环的认识。