气溶胶的直接辐射效应对中国陆地生态系统生产力的影响

In China, the main cities and areas have suffered serious aerosol pollution since 1980s which has significant impacts on solar radiation. Aerosol direct radiative effect results in the decrease of total solar radiation reaching the surface with the fraction of diffuse radiation increased, which may be favorable or unfavorable for the terrestrial ecosystem productivity. The decrease of the total solar radiation caused by aerosols might also alter the meteorological conditions at the surface and the land surface processes, thus further affecting the vegetation photosynthesis and terrestrial ecosystem productivity. In this study, remote sensing data are utilized to calculate the direct radiation, the diffuse radiation and the aerosol direct radiative forcing in China with an atmospheric radiation transfer model. And these simulated results are in turn used as input to drive a land surface model coupled with a 3D canopy radiative transfer model to calculate the terrestrial ecosystem productivity in China. In addition, multi-level tests and the uncertainty analysis are also designed to conduct in this study. Finally, the impacts of aerosol direct radiative effect on ecosystem productivity are quantified and investigated in the light of its mechanism. This would provide us some new interpretation on the transition between the carbon source/sink of the terrestrial ecosystems in China, which would definitely contribute to the accurate estimation of the magnitude and distribution of the carbon source/sink of the terrestrial ecosystems in China as well as their variations, and provide a theoretical foundation for international diplomatic negotiations on carbon emission reductions.

近30年来，我国主要城市和重点地区遭受了比较严重的大气气溶胶污染，对太阳辐射具有显著的影响。气溶胶的直接辐射效应，使到达地面的太阳总辐射减少，但散射光比例增加。这些变化都会对陆地生态系统生产力产生有利或不利的影响。气溶胶导致太阳总辐射的减少，可能还会改变地表气象环境条件和地表过程，从而进一步影响植被的光合作用以及陆地生态系统生产力。本研究拟利用卫星遥感资料，通过大气辐射传输模型计算中国区域直射辐射、散射辐射以及气溶胶直接辐射强迫，再利用这些结果驱动耦合3D植被辐射传输模型的陆面模式，计算中国陆地生态系统生产力，并进行多层次检验和不确定性分析。最终实现气溶胶直接辐射效应对生态系统生产力的影响估算，并从机理上进行解析，使我们在分析我国陆地生态系统碳的源/汇关系的变化方面有新的解释，这对准确地估算我国陆地生态系统碳源汇的大小、分布及其变化，进行环境外交谈判都有重要的现实和理论意义。

大气气溶胶对到达地面的太阳辐射存在辐射强迫从而引起太阳直射辐射和散射辐射的变化，同时辐射的变化还可导致气象环境条件发生变化，最终影响生态系统生产力。这些因素相互交织在一起，很难通过观测方法分析清楚，只能借助于大型综合模型对能量和物质交换过程进行系统研究分析。本研究拟利用卫星遥感气溶胶资料，结合大气辐射传输模型、植被辐射传输模型和陆面模式，揭示大气气溶胶的直接辐射效应对我国生态系统生产力的影响机理。主要研究结果有：1）中国区域气溶胶存在时间变化趋势和空间异质性；2）中国区域气溶胶可以改变地表太阳辐射，尤其是总辐射和散射辐射，气溶胶的直接辐射效应也存在时间变化趋势和空间异质性；3）中国区域气溶胶的直接辐射效应影响陆地生态系统碳循环过程，2001-2014年气溶胶导致中国地区的碳汇增长了4.50 gC m-2 season-1，其中35.02%的区域出现了碳汇的减少，64.98%的区域出现了碳汇的增多。除此之外，我们发现气溶胶使得6.32%的区域由碳汇变成碳源，最主要的变化发生在我国西北部地区，仅有0.84%的区域由碳源变成碳汇。整个中国有25.7%的区域为碳源，74.3%的区域为碳汇，总体上表现为碳汇，其平均的NEE为每生长季-38.67 gC m-2。在2001-2007年，全国平均的变化为每年每生长季变化-4.25 gC m-2 season-1，相反在2008-2014年为每年每生长季变化0.82 gC m-2 season-1。可以看出在2008-2014年我国气溶胶导致了我国碳循环向碳源的方向发展，但其影响较小。因此需要对今后气溶胶浓度变化所引起的碳源汇变化趋势进行进一步的研究。弄清楚气溶胶导致的碳源/汇的变化，有利于合理规划我国的经济发展和控制污染源排放，一方面要保证经济的增长，另一方面又要尽可能提高碳汇，避免碳汇转化为碳源。