大气-土壤之间的反馈过程主导陆地碳汇变化（详解）

本文主要是介绍大气-土壤之间的反馈过程主导陆地碳汇变化（详解），对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

　　简介

　　陆地生态系统对碳的年际变化在决定大气二氧化碳浓度方面起着至关重要的作用。目前还不确定温度和水的可用性能在多大程度上解释全球范围内的这些变化。我们使用因子气候模型模拟并表明土壤湿度的变化驱动了全球陆地碳吸收的90%的年际变化，主要是通过其对光合作用的影响。这种生态系统响应大多是间接发生的，因为土壤湿度-大气反馈放大了温度和湿度异常，增强了土壤水分胁迫的直接影响。这种反馈机制的强度解释了为什么耦合气候模式表明土壤湿度具有主导作用，这在陆面模型模拟和观测分析中并不明显。这些发现强调了在估计碳循环对全球气候变化的响应时，以及在进行生态系统对干旱响应的田间调查时，需要考虑土壤和大气干燥之间的反馈。结果表明，模型土地碳吸收的全球变化主要是由土壤水分控制的温度和蒸汽压力亏缺效应所驱动的。

相关论文

　　Nature已经出版了Soil moisture–atmosphere feedback dominates land carbon uptake variability论文（https://www.nature.com/articles/s41586-021-03325-5#Sec9）

 相关术语

1.气候模拟模型

1.1 CCSM4（https://www.cesm.ucar.edu/models/ccsm4.0/）
    The Community Climate System Model (CCSM) is a coupled climate model for simulating the earth's climate system. Composed of four separate models simultaneously simulating the earth's atmosphere, ocean, land surface and sea-ice, and one central coupler component, the CCSM allows researchers to conduct fundamental research into the earth's past, present and future climate states.
    It is important to note that CCSM4 is a subset of CESM1. The CCSM4.0 code base is frozen and all future model updates will occur from the CESM1.0 code base. In addition, although CESM1 supersedes CCSM4, users can run all CCSM4 experiments from the CESM1 code base.
1.2 ECHAM6（https://www.mpimet.mpg.de/fileadmin/publikationen/Reports/WEB_BzE_135.pdf）
    ECHAM6 is a new major version of the ECHAM series of atmospheric general circulation models, which has been developed on the basis of ECHAM5 (Roeckner et al. (2003) and Roeckner et al. (2006)). Signifificant difffferences between ECHAM5 and ECHAM6 concern the land processes, the radiation schemes, the computation of the surface albedo, and the triggering condition for convection. The technical infrastructure has been signifificantly modifified to optimize the computational performance on the current DKRZ high performance computer. 
1.3 GFDL（https://www.gfdl.noaa.gov/model-development/)
    Scientists at the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory develop and use dynamical, numerical models and computer simulations to improve our understanding and make projections of the behavior of the atmosphere, the oceans, and climate, using supercomputer and data storage resources. These models have become key tools to understand the physical and biogeochemical processes that control the earth’s climate.
1.4 IPSL（http://cmc.ipsl.fr/）
    The Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) is a federation of research laboratories devoted to study the climate system and the global environment. Since 1995, the IPSL Climate Modelling Centre (IPSL-CMC) develops and uses climate models in order to improve our understanding and knowledge of the climate system, its current characteristics and its past and future changes.

 2.VPD

大气水气压差(vapour pressure deficit) :一种大气干燥度的量度，它取决于空气的温度和湿度

3.IAV

年际变化(inter-annual variability) :指某一地理事物的量在年与年之间的变化，如降水量的年际变化，河流流量的年际变化等

 4.LAC

陆气耦合(land–atmosphere coupling) :土壤湿度-大气反馈作用

 5.NBP

净生物群落生产力(net biome production) :代表陆地的净碳吸收

6.GPP

植被的总初级生产力(gross primary production) :决定了进入陆地生态系统的初始物质和能量。

7.ReD

呼吸和扰动(respiration and disturbance) :呼吸作用和扰动作用

8.CTL

操纵模拟(control simulation) :进行模拟仿真实验

9.SST

海表温度(sea surface temperatures) :海洋表面温度

主要内容

图1 CTL和ExpA碳通量的变化

　　研究结果表明，抑制土壤湿度的非季节性变化导致全球平均NBP方差下降91%(标准差为±2.3%)，在所有参与的四个气候模式中均一致。也就是说，没有土壤水分变化，土地净碳吸收的IAV几乎被消除。这主要是由于总初级生产(GPP)的IAV减少，在较小程度上是由于生态系统呼吸和扰动通量(自养和异养呼吸、火灾和任何其他模拟扰动的总和)的IAV减少。由于直接和间接影响之间的正协方差，将直接和间接影响压在一起导致NBP方差净减少约90%。

图2 土壤水分对NBP变化的直接和间接影响

　　直接土壤水分效应和与LAC相关的间接温度和VPD效应都可能是实验A中NBP变异性普遍降低的原因。通过对CTL和实验A中局部模型对土壤湿度、温度、VPD和短波太阳辐射异常响应的敏感性分析，分离了直接土壤湿度效应和间接效应对NBP变率整体降低的贡献。土壤水分可以通过两种不同但同样重要的方式影响碳吸收变性。首先，土壤水分变异性对NBP有直接影响，这主要是由于土壤在一定阈值以下变得干燥时，植物光合作用降低;此外，通过LAC提高温度和VPD异常，从而对NBP产生间接影响。重要的是，有些地区可能对间接效应(即土壤湿度对温度和VPD的反馈机制)更为敏感，而不是直接影响土壤湿度效应。

图3 NBP IAV的驱动作用

　　从全球尺度来看，平均而言，单独的间接效应占全球NBP IAV的大部分(60%)，而直接土壤水分效应只占20%。由于空间聚集，间接效应也趋于增加相对重要性，因为它们在空间上更连贯(可能是由于大气混合)，而且不像直接效应那样迅速平均出来。将对照模拟与观测估计相比较，发现全球NBP IAV对不同气象驱动因素的模型敏感性与两种独立观测产品非常吻合。

 图4 NBP变化和LAC热点地区

　　更普遍地说，由于预先设定的土壤湿度,NBP IAV总体上最大的地区，通常对应的温度和VPD变异性的降低是最强的。换句话说，在LAC越强的地方，NBP的变异性往往越大。在给定土壤水分条件下，热带平均地温的IAV几乎没有变化。这是因为抑制土壤湿度异常只在几个热点地区降低极端温度，而对总体热带平均温度影响很小。

 参考

微信文章:https://mp.weixin.qq.com/s/-4JAoidryVhC2mvs5tqfDw

论文:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03325-5#Sec9

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