华南森林干沉降速率参数化改进对区域活性氧化氮沉降量估算的影响

Uncertainties in treating forest dry-deposition velocity in today's global and regional air quality models substantially limit our understanding and prediction of nitrogen variability in the forest regions in Southern China. Based on our previous investigations, we will first analyze long-term micrometeorological and nitrogen deposition data to understand their seasonal variations. Combining these data with a LES model coupled with multi-layer canopy, radiation transfer, and energy balance models, we will identify important factors influencing the aerodynamic resistance, quasi-laminar sublayer resistance, and surface resistance. Such analysis will be used to improve the estimation of those resistance terms in order to enhance the dry deposition velocity parameterization. Next, together with high-resolution remote sensing data of forest characteristics and vegetation parameters, we will couple the enhanced dry deposition scheme with the regional WRF-Chem model to improve its modeling capacity for forest regions. Finally, we will apply the improved WRF-Chem to investigate the spatial and temporal distribution of nitrogen deposition in Southern China forest, and to assess the impacts of improved deposition velocity parameterization on estimating the nitrogen variability and its implications on regional ecosystems. This is an urgent issue regarding the security of forest ecosystems in the context of rapid urbanization, and needs to be addressed with multi-disciplinary approach as explored in this proposal.

目前区域和全球大气化学模式在处理森林干沉降速率的不足严重限制我们对华南森林生态系统氮输送规律和变化的理解和预测。在现有研究基础之上, 本项目首先对华南森林生态系统微气象特征和氮沉降变化规律进行长期观测和分析，耦合多层冠层辐射传输与能量平衡的大涡模式系统，理解影响华南森林冠层干沉降的动力学阻抗、粘性副层阻抗和表面阻抗的关键过程及主控因子；通过改进冠层各阻抗的参数化方法来改进不同活性氧化氮组分干沉降速率；最后将改进的干沉降模型应用于新一代区域大气化学模式WRF-Chem，并结合高分辨率的森林结构和植被参数卫星遥感资料，模拟华南森林氮沉降量的时空变化，分析空气质量模式预报性能对干沉降的敏感性，揭示森林冠层各阻抗的改进对估算森林生态系统氮沉降量时空变化的影响及潜在的生态效应。这不仅是我国快速城市化地区森林生态系统安全的关注热点和紧迫课题，也是大气、生态和环境交叉学科发展的前沿，具有前瞻性。

目前区域和全球大气化学模式在处理森林干沉降速率的不足严重限制我们对华南森林生态系统氮输送规律和变化的理解和预测。本项目通过野外观测和数值模拟的手段对华南地区森林干沉降速率参数化之于区域活性氧化氮干沉降量估算的影响展开了研究。主要结果包括：(1) 2010–2015年期间，鼎湖山大气总氮年平均干沉降通量为 10.8 kg·ha-1·year-1，月平均干沉降通量为 4.8 kg·ha-1·year-1。其中有机氮为其主要成分，平均占比 47.6%，NH4+-N 平均占比 35.0%，NO3--N 平均占比 17.4%；(2) 发现目前所有其中的陆面过程参数化方案组合所模拟的日间干沉降速率均比观测值低，表明目前模型对活性氧化氮组分的干沉降速率存在系统性的低估；(3) 对三维区域大气化学模式 WRF-Chem 的下垫面资料进行了优化，将更接近实测调查值的土地利用资料、土壤资料等下垫面数据提供给模式，通过评估实验发现使用 GLC2009 土地利用资料及 HWSD 土壤资料可以更好的模拟珠三角地区的气象要素变化；(4) 基于改进了的区域大气化学传输模式WRF–Chem对珠三角地区氮素的干沉降开展模拟，模拟所得的还原性无机氮、氧化性无机氮的干沉降通量在季节变化上和量级上与观测具有较好地一致性，模拟得到的总氮干沉降量的高值区主要分布于珠三角中部地区。这些重要的研究成果揭示了陆面过程参数化的改进对估算森林生态系统氮沉降量时空变化的影响及潜在的生态效应。