抽象性
使用区域气候模型异步并发动态植被模型研究西非区域未来气候预测和动态植被反馈如何影响预测模型预测萨赫勒未来每年降水量下降动态植被反馈扭转这一趋势,导致每年降雨量大幅增加不论如何处理植被,萨赫勒区域预测未来降水趋势都遵循特定的季节模式,在风前和月初季节(5月至6月和7月初)降水量下降,原因是温和诱发弹道屏障增强和季风完全建立后增水量增加(通常在7月至8月至9月),原因是热海增水量增加动态植被反馈会减少预降雨量在初创季节的幅度并增加预测雨量增量在雨季后期的幅度未来早季降雨量下降对农艺有显著影响
开工导 言
西非气候多变性的特征是20世纪后半叶大湖和近代历史多叉干湿法交替出现(例如湖级波动[一号))大规模海洋强制作用(例如热带海洋变暖和跨半球温度梯度变化)不可忽略[2,3地表动态在触发、增强和/或维系特大水槽和调控区域气候系统多叉式气候多变性方面可能发挥了关键作用特别是,过去的建模研究集体记录西非气候系统对过去、现在和未来的人为土地覆盖变化和自然植被动态都高度敏感[4-8..
古气候研究显示,植被反馈在中Holoceen持续扩展草原覆盖和随后从绿撒哈拉突然过渡后Holoceen6,九九-12..具体地说,植被动态增强西非气候系统对太阳孤立变化的反应,导致中Holoceen和今日之间气候和植被分布的巨大差异10..20世纪气候学学士和Shukla4发现萨赫勒区域荒漠化(以土地覆盖从自然植被向沙漠变换形式)导致降水量下降,王和Elthir5发现自然植被动态反馈增强(并维系)海洋强制和人为荒漠化对20世纪萨赫勒干旱的影响自然植被动态反馈还起到阻塞气候系统的作用,提高萨赫勒区域降水量多叉变异性[一号,13-16..因此,植物动态的贡献值得在模拟未来气候时加以考虑。Paeth等[7执行区域气候预测直到2050年2A1B和B1排放假想并发现西非和中非模拟气候响应主要受土地利用变化引起的干旱支配虽说土地使用变化信号如果预测高CO2集中度(例如A2假设或本世纪后期阶段)研究清楚地表明土地利用作为气候变化强制作用的重要作用。自然植被动态综合区域气候模型供未来预测使用,Alo和Wang8发现自然植被反馈导致西非大部分地区未来降水量大幅增加
西非社会生态系统高度依赖水和该区域粮食安全脆弱使其极易受气候变化影响然而,预测21世纪下半叶降水量变化(大都来自大气-海洋泛环流模型)在西非和北非高度依赖模型,缺乏任何普遍共识17..未来预测中具体解决不确定性问题Patricola和Cook18号生成未来对这个区域的共同预测使用由海面温度驱动的区域气候模型和九大AGMMs横向边界条件并发现不同联成成员之间相对良好的协议,尽管驱动AGMCs之间缺乏共识西非区域模型预测潮湿条件,6月和7月中季干旱除外
萨赫勒作物生产率不仅受雨季降水量的限制,更重要的是受生长/雨季长度的限制。撒赫勒大区雨季长度不足3个月预降水数日可达几毫米,但散居,无法为农业提供可靠水源作物最优播种时间被发现在大规模季风开始数日内实现19号即ITCZ最高值从5N突然移到10N20码..基于多环流模型预测,发现21世纪大多数季风系统(包括西非季风)将经历降水季节性变化,春季/夏初降水下降,夏初增水21号,22号..然而,由于粗空间分辨率使用,大多数GCM无法模拟西非季风突发事件,这是区域气候季节性变异的一个重要特征[23号..区域气候模型在捕捉突发季风24码..西非降水量高度横向梯度和季风启动对西非农业的重要性,因此有必要使用空间分辨率比大多数GCM高超的RCM评估降水量未来季节性变化
气专委预测中仍然不常见,但有些GCM将动态植被列入未来预测实验25码,26..将动态植被纳入RCM系统尚处于极初级阶段27号并未被应用到气候预测初步研究异步连接区域气候模型和动态植被模型Alo和Wang8显示西非未来植被将变稠,但植被组成将转向更多干旱减肥树和草,牺牲常青树与假设静态植被相比,除沿海窄带外,植被动态作用增加西非大部分地区的降水量当前研究基于Alo和Wang使用同组实验8聚焦西非降水季节性变化和季风启动以及植被动态如何影响这些变化
二叉模型实验设计
模型使用是国际理论物理中心区域气候模型(regCM3)与国家大气研究中心社区土地模型动态全球植被模型(CLM-DGVM)异步并存CLM-DGVM26模拟陆地表面生物地球物理、生物地球化学和生态动态过程生物地球物理子模型CLM3.028码,29生物地球化学和植被动态子模型基础是Lund-Potsdam-Jena动态全球植被模型30码植物文理学图法基于综合生物圈模拟器修改31号..RegCM332码是一个有限面积模型并沿地形 压垂直坐标系并使用生物圈-电圈-传输计划三十三以土地表面生物地球物理子模型RegCM3为50千米横向分辨率配置范围约12°S-24N和24°W-30E,垂直方向为18级三大对流参数分解 RegCM3-MIT-Emanuel制程34号选项选择基于学习域间性能RegCM3模拟西非降水显示性能良好35码-37号..
异步联动方法中CLM3-DGVM运行时空分辨率与RegCM3相同,但两种模型互换具体地说,RCM3运行一年,初始植被状态,并因此省下每次步骤的大气强制保存的大气强制后读入CLM3-DGVM驱动瞬态植被模拟一年,为RegCM3产生更新植被状态迭代持续到模拟持续时间注意此方法允许模拟瞬态植被动态,这不同于大多数异步并发模型均衡性以迭代期间模拟的气候状态为基础预测每次迭代的植被状态38号,三十九..
异步并发RecM3/CLM3-DGVM模型用于模拟两次活动,即当前气候植被运行“即时启动”和未来的气候植被运行“Future”。未来气候模拟Futre_nv使用RegCM3进行,但植被定在现时状态(即根据从“当前提交式”输出设计),以便于量化动态植被反馈的贡献基于此设计,未来-nv和Spent因高CO辐射和生理效应而产生气候和水文差异2未来与未来之差表示结构植被反馈的贡献,而未来与当前之差则由CO组合产生2辐射生理效果和植被结构反馈每一次模拟都长达15年,头5年数据作为模型分解放弃RegCM3初始和横向边界条件以及海面温度由NCAR全球气候系统模型CCSM3的IPCCAR4模拟提供区域气候模型对横向边界条件敏感,Patricola和Cook18号发现区域气候模型预测有较高水平的共识9项不同的GCM,尽管这9项驱动GCM之间缺乏共识因此,本研究使用单GCM横向边界条件预计不会引起过高的不确定性1979-1993年期间CCSM320C3M模拟用于当前气候,2079-2093期间CCSM3SRESA1B实验用于未来气候高管2集中度定在356ppmv当前气候和720ppmv未来异步并发 RegCM3/CLM-DGVM运行初始植被条件取自CLM-DGVM长期模拟2集中度插值RegCM3空间分辨率基于Alo和Wang结果8由CLM-DGVM模拟的植物分布和未来变化由八千兆赫驱动
3级结果
由CCM3初始和横向边界条件驱动时,异步并发RegCM3/CLM3-DGVM模拟当前降水模式和植被分布与观察相比相当良好模拟区域气候和植被模型性能细节见Alo和Wang8..以下分析的重点是未来降水量变化、季节周期、西非季风起发和植被动态在这些预测中的影响
响应高温CO2RegCM3不计植被动态预测西非大都年降水量下降,并超过狭窄沿海带和东萨赫勒区域增量1(a))下降部分可能与高CO下调传导2富集度 潜在抑制喷射 本地水分供应加入动态植被反馈后,预测未来干旱信号仅限于几内亚海岸带的一部分,预测每年降雨量会增加或保留在大多数萨赫勒地区大致相同(图示图)。1(b))动态植被反馈导致除沿海窄带外大多数模型域降水量大幅增加1(c))随降水量变化向北扩展北方草原并增加南方广叶干旱树覆盖面积以牺牲常青树为代价2)对比未来植被变化预测CLM3-DGVM直接驱动40码3CLM3-DGVM系统预测变化2规模大得多(并因此速度快)在整个西非,预测植被会因CO而变得更稠密(不管植被分布变换如何)2受肥效果压倒其他因素(结果未显示!见Alo和Wang8细节问题)
无动态植被
带动态植被
动态植被的影响
常青树
稀疏树
草原
近似今日观察41号))中当前和未来气候模型(图中黑红轮廓线3)特征是预发季节下大雨,随后是6月下旬突发季风后Sultan和Janict20码调雨时间从5-6摄氏度突然移到8-10摄氏度季风起点特征为6月下旬约10摄氏度时暴增,图轮廓线显示这一点非常明显3.八月季雨峰和后逐步退,也与当前对季风特征的观察相一致[20码..
无动态植被
带动态植被
预测未来降水量变化遵循特定季节模式萨赫勒区域植被生长和作物生产受水限制,未来降水量将在雨季初降水(春夏晚降水),后增水(夏夏夏初降水)3)雨量在预发季节下降后, 未来雨量会变得更丰满并深入内陆不论动态植被反馈是否计算在内,该季节模式相似。然而,植被动态的确会改变这些变化的大小免计植被反馈3(a)春夏初降雨量预计会大幅下降(一些地区降60%以上),雨量下降既发生在预发雨中,也发生在峰顶季风中。包括植被动态3(b)预测未来降水量下降小得多,主要限于预发雨,在峰季和退步阶段增加更多
萨赫勒区域降水季节周期预测变化与以前关于大多数季风系统基于GCM集合的调查结果一致[21号,22号..Seth等[21号表示这些变化可能与因变暖引起的干旱而增强春季对冲屏障相关图4显示对流层稳定预测未来变化,对流层稳定表现为Seth etal后200mb至850mb之间的潮湿静态能量差[21号..萨赫勒区域所有季节对流层稳定度都明显提高,除非对流层稳定度削弱时活动季很明显,未来气候在潮湿和旱季对流层稳定方面形成强强对比植物动态回馈可减少未来对流层稳定度并增加所有季节的降水量,原因可能是增加稀疏植物蒸发增加的特定湿度
无动态植被
带动态植被
降水量变化和季节周期变化似乎与季风循环时间变化无关使用12摄氏度和15摄氏度作为示例,图5显示区平均风和降水每日时间序列尽管预发降水量锐减,但没有明显证据表明区或偏向风逆转时间延迟模型风向逆转时间对未来气候变化和对植被处理方式的强健性极强定义按Sultan和Janict既定方法开始的季风20码即降水斜率突变时间增加图6并显示10摄氏度连续11天降水平均值图中的交叉6表示季风启动近似时间模型预测未来季风起发5天延迟而不计植被动态的影响,动态植被反馈将延迟减为2天图中可见6稍延迟季风退位,但延迟幅度很小
尽管预降水量下降和稍慢季风起发,但季风起发后土地的大气特潮增量,因为潮水从大洋上流出,变暖诱发蒸发导致大气水量显著增加(图示)。7)水分增量部分地有助于提高降水量并削弱季风完全建立后对流层稳定性3并4)季风季(例如8月),下对流层潮湿静态能的海陆渐变预测未来会变得更强,潮湿静态能峰值与动态植被反馈8)根據Elthir和Gong42号表示季风循环强和季风雨向北渗透强 与数字结果一致3并5.
无动态植被
带动态植被
4级摘要和讨论
使用区域气候模型RegCM3驱动并有NCARCCM3基于SRESAB假设的横向边界条件,本研究研究西非区域未来气候预测和动态植被反馈如何影响预测主要结果归纳如下:(1)植被动态逆向预测萨赫勒区域每年降水趋势,从干燥趋势向湿趋势几内亚海岸区域植被动态对未来降水预测影响微乎其微(2)预测萨赫勒区域未来降水趋势沿袭特定的季节模式,预发季和早期季风季节降水量下降,季风完全开发后降水量增加动态植被反馈降低预测季节初降水量并增加预测季节后期增雨量3级预降水量下降与春季变暖诱发对流屏障增强相关,而峰顶季风降水量增加则因季风环流从较温暖的海洋带出更多水分而增加特定湿度(4)尽管西非大部分地区预降水量大幅减少,模型预测季风循环时间没有可检测延迟(如风逆转时间),季风降水启动时间只有微小延迟(如果有的话)。语句保留不计植被处理方式
卓阳17并发现不同模型之间对未来降水趋势没有共识研究Patricola和Cook之间有一些相似性18号未来降水趋势因季风开发的不同阶段而异,但在季风前后阶段两者大相径庭本研究全开发季风阶段模拟强增水量与Fontaine等发现一致[43号..Fontaine等[43号聚焦7-8-9月萨赫勒区域降水并发现12GM中绝大多数预测萨赫勒区域JAS降水量增加JAS期间降水量增加并不一定表示雨量超出植物生长正像结果显示,预发季节未来降水趋势可能与JAS季节大相径庭研究中发现预发季节雨量下降可能导致延迟,在某些地区(如12摄氏度以南)缩短生长季节北12摄氏度,未来降水量增加居主导地位,生长季节可能更长。
12°N北部雨季降水量强增与图中草覆盖扩展一致2.雨量过剩支持更多增长,而增加的草覆盖降低表反射并增强蒸发性,两者都有利于降水量超过高度敏感区域植被反馈可按季节内时间尺度并跨年间时间尺度进行玻璃园区通过地面植物响应比较直截了当年间时间尺度上,常年草根系和/或年草种子库可促进反馈,雨季开始时首次冲刷植被增长,由上一年碳生产或上一年种子生成产生的根碳存储支持现实世界中,两种机制都支持萨赫勒区域年间土地存储器,这些存储器见诸常规化差异植被指数数据[NDVI44号..在此使用模型中,草原区跨年切换植物反馈依赖常年草根,因为模型中不模拟年草
使用不同的地表生物物理图案(BATS对CLM3)造成RegCM3和CLM3-DGVM之间一定程度的不一致性,这种不一致性是所有异步联动方法所固有的(例如,[38号,三十九,45码,46号))这使得需要在BATS植被分类和CLM-DGVM模拟植物功能类型间绘制图尚不清楚这种前后不一会如何影响结果,尤其是植被动态修改未来预测的结果为解决不确定性问题,我们目前正在开发同步并发模型版本,其中涉及将植被动态融入最新版区域气候模型RegCM447使用CLM3.5(相对于RegCM3中的BATS)作为其陆面模型
感知感知
这项工作得到国家科学基金会根据协议ATM-0531485和AGS-1063986提供的资金支持。