臭氧污染影响陆面植被的参数化方案研发及其在全球气候变化和碳循环研究中的应用

Ozone pollution decreasing photosynthesis and stomatal conduction is the most important way of air pollution influence on terrestrial ecosystems, and one of main ecosystem disturbance processes on the global scale. In this proposal, we will first develop a new parameterization scheme based on our observations data pool, and introduce it into the Chinese Academy of Sciences’ Earth System Model (CAS-ESM) and National Center for Atmospheric Research (NCAR)’s Community Earth System Model (CESM). Then, based on the two ESMs, we will provide the first quantitative estimates about the role of ozone effect on vegetation in global and regional net carbon budget of terrestrial ecosystems and climate, and reveal the characteristics and rules of the role’s spatiotemporal variability as well as related key biogeophysical and biogeochemical processes. The proposal will improve the ESM's modeling on terrestrial ecosystems and land-atmosphere interactions, provide the urgent-needed model platform and scientific data to support the researches of air pollution’s impact on climate and terrestrial carbon budget in the context of global change, and advance our knowledge of global climate change and carbon cycle.

对流层臭氧可通过影响植物叶绿体功能和气孔开合程度，改变光合速率和气孔导度，是大气污染影响陆面生态最重要的方式，以及全球尺度上最主要的生态干扰过程之一。本项目以我们收集并整理的大量场观测数据为基础，采用Meta回归分析方法，建立新的参数化方案，并将其应用于中国科学院地球系统模式CAS-ESM和美国NCAR地球系统模式CESM中。在此基础上，以这两个地球系统模式为依托平台，开展数值试验，（国际上首次）定量估算臭氧胁迫作用对全球陆面碳净收支和气候的影响，并揭示该影响的时空变化特征和规律，以及关键的生物地球物理和化学过程。本项目的研究成果可提高地球系统模式对陆面生态及陆-气相互作用的模拟能力，为研究全球变化背景下大气污染的气候效应及其对陆地碳源汇特征的影响提供急需的模式平台和科学数据支撑，并加深我们对全球和区域气候变化以及碳循环的认识。

对流层臭氧（O3）对植物的胁迫作用（臭氧生态胁迫）是全球尺度上最主要的生态干扰形式之一和重要的地球系统过程，也是大气污染影响陆地生态系统最重要且观测资料最多的方式。国际上已有的参数化方案建立时基于的观测数据少，且采用的了诸多不合理的假设。本项目中，我们基于收集和整理的、且经过严格质量控制后的4926个臭氧对植物胁迫作用的实验观测数据（是已有参数化方案所用样本量的7倍以上），设计了对阔叶树、针叶树、灌木、草、作物的线性或非线性拟合函数，建立了适合地球系统模式的臭氧生态胁迫参数化方案。新参数化方案不仅可去除已有参数化方案的假设，而且拟合能力较已有方案提高20%以上，且所有拟合关系均具有统计学意义。新参数化方案已应用于地球系统模式CESM和CAS-ESM中。基于耦合了新参数化方案的地球系统模式，我们开展了是否包含臭氧生态胁迫作用的两组数值模拟试验Ozone-on和Ozone-off。通过比较两组数值模拟结果的差异，我们量化了臭氧生态胁迫的影响。对陆地生态系统碳循环而言，臭氧生态胁迫显著减少全球当前陆地碳净收入达0.4PgC/yr, 减少全球陆地生态系统碳储量达852.5PgC，对生态系统碳汇的减少要强于火灾（另一种全球主要生态干扰形式）。空间上看，除了北半球高纬度地区外，臭氧生态胁迫基本都是减少陆地生态系统碳净收入，但影响基本都不显著。臭氧和火灾对陆地生态系统碳循环的影响机制是不同的，前者主要是影响进入生态系统的碳量，而后者是生物质燃烧引起的碳排放被过火区植被恢复形成的碳汇所抵消的结果。对气候而言，臭氧生态胁迫导致的全球增温仅有0.01度，小于火灾的影响，臭氧生态胁迫与火灾一样主要是通过减少全球陆表潜热导致的陆表增温；区域上，对年平均温度的影响主要反映在欧亚大陆高纬地区降温和其它大部分地区的增温；臭氧生态胁迫对温度的影响主要在冬季。臭氧生态胁迫减少全球降水量仅21km3/yr，但减少全球蒸散发达2085km3/yr，并增加全球径流量（全球淡水资源）达2064km3/yr, 比火灾的影响大，这主要是因为臭氧污染不仅与火灾一样减少植被冠层，而且可直接通过减少气孔导度减少植物蒸腾。本项目研究成果可提高地球系统模式对碳循环及陆-气相互作用的模拟能力，并可服务于全球碳盘点以及我国碳中和、减缓及应对气候变化、可持续发展相关政策的制定。