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毕业论文
英文翻译
原文标题 Assessing the use of subgrid land model output to study impacts of land cover change
译文标题 评估应用子网格土地模型研究土地变化的影响
评估应用子网格土地模型研究土地覆被变化的影响
Natalie M.Schultz1，李学辉1,2，Peter J.Lawrence3 ，David M.Lawrence3 and Lei Zhao4
1 美国康涅狄格州，纽黑文，耶鲁大学林业与环境研究院，2 中国南京，南京信息工程大学，耶鲁-南信大大气环境下中心，3 美国，科罗多拉州，国家大气研究中心，4 美国，新泽西州，普林斯顿大学，伍德罗·威尔逊公共和国际事务学院，科学、技术和环境政策学院（STEP）
摘要：来自土地模型的子网格信息有可能成为研究陆地-大气交互作用的有力工具，但是利用子网格输出的研究相对较少。在这项研究中，我们修改了通用路面模型版本CLM4.5，使每个植物功能型（PFT）都被指定为自己的土柱。我们比较了子网格和网格单元平均空气温度和从改进过的状况（PFTCOL）的到默认配置情况下的表面能量通量——所有植物功能型共享的土柱（CTRL）——并且检验了在相同网格单元（）中树木和草地植物功能型模拟地表气温的差异。来自PFTCOL的的量级和空间分布与观测结果更为一致。范围从北方地区的-1.5K到热带地区的 0.6K。我们发现柱配置对PFT级别的能量通量有很大影响。在CTRL配置下，PFT级别的年平均热通量和零相差很大。举个例子，在一个典型的热带网格单元中，树木PFT的年平均热通量是31.8 W·m-2 而草地PFT的年平均热通量是-14.7 W·m-2。在PFTCOL模型中，年平均热通量总是接近于零。这些现象表明评估当地陆面覆盖对子网格信息的影响时必须小心。对于单独列上的PFT的模型，可能会隔离出与其他气候作用引起的土地覆被变化和气候模型的模拟反馈有关的植被类型之间的陆地表面通量。
引言
土地覆被变化通过改变陆地碳存储和大气二氧化碳浓度（生物地球化学效应）和改变地表辐射通量和湍流通量（生物物理效应）来实现全球和局部气候的变化（如Bala等，2007，Bonan，2008，Clais等，2013，Mahmood等，2014）。土地覆被变化的生物物理效应包括辐射、热量、水分和动量的表面通量变化（如Pieike等，1998），对区域和局地地面气候尤其重要（Noblet-Ducoudreacute;等，2012； Lawrence and Chase，2010）。土地覆被变化的生物物理效应可概括为（1）地表反照率，（2）蒸散量和（3）粗糙度和湍流交换，以及用地表气温变化来定量它们对局地气候的贡献（Bonan，2008；Mahmood 等，2014）。这三种竞争效应的相对重要性因地理位置而异，可能放大或抑制大气温室气体浓度上升引起的地表气候变化。
了解和量化局地气候土地覆被的生物物理效应是区分不同人为力量的重要因素，但这种理解受到许多方法挑战的阻碍。观测和模拟研究往往认同森林砍伐的温度响应的纬度模式，高纬度地区的降温和低纬度地区的变暖（如Davin和 de Noblet-Ducoudreacute;，2010； Lawrence and Chase， 2010；Lee 等，2011；Zhang等， 2014）。然而，虽然观测方法帮助解决了一些主要问题，但它们受到相对较短和零星的测量周期的限制。可用于鲁棒和直接量化各种生物物理过程对不同土地覆盖类型的温差的相对影响的数据很少，而且常常受到一些限制，例如基础大气条件不同（Lee等， 2011；Pielke等，2011）。利用全球气候模型（GCM）评估生物物理土地覆被变化的影响会带来一系列挑战（de Noblet-Ducoudreacute;等， 2012； Pielke等 2011；Pitman等，2009）。大多数模拟研究使用两组模拟来评估历史土地覆盖变化的生物物理效应：一组是工业前或潜在的植被土地覆被，另一组是现在的土地覆被，通过在两组土地覆被条件下规定相同的大气二氧化碳浓度和其他温室气体来隔离土地覆被的生物物理效应（如 Lawrence and Chase，2010]）。其他模型研究更进了一步，应用了所谓“焦土”战略，将完全砍伐森林的生物物理效应与完全森林化的生物物理效应进行了比较（如Davin and de Noblet-Ducoudreacute;，2010）。将确定和评估土地覆被的生物物理效应作为两种建模方案之间的差异是复杂的，因为由妥善地建立模拟的土地覆盖变化气候信号不能简单地解释为非受迫模型的变异性或土地覆盖变化的非局部效应，例如大气或海洋环流的变化（Pielke等2011；Pitman，2009）。此外，植被类型的参数化和土地模型之间土地覆被变化的实施情况的差异导致不同全球气候模型之间历史土地覆被变化的生物物理效应不一致（de Noblet-Ducoudreacute;等 2012；Pitman等，2009）。
方法
2.1模型描述
通用陆面模型（CLM）是通用地球系统模型（CESM）的土地组成部分（Hurrell等，2013）。在CLM4.5模型中，CLM模型的最新版本，地面表示为子网格级别的嵌套层次结构。在最广泛的层面，土地单元，每个网格单元可以分为自然植被、湖泊、城市区域、冰川和农作物。植被土地单元的第二个子网格层是该列，捕获土地单元内土壤和雪变量的变化的列。CLM4.5中植被土地单元的土壤剖面表示为15个不连续的层（深度为35米，表面附近有更多的层）。仅对前10层进行水文计算（从表面到2.9m的深度），而土壤温度则是对所有15层进行计算。根据积雪深度，最多可以额外添加5个雪层。植被土地单元被指定为一列，并且该网格的所有相关植物功能型（PFTs）的分块面积共享该列。
PFT水平或第三子网格水平指定了不同植被类型生物物理和生物地球化学过程的差异。除了裸地之外，植被土地单元可由多达15种不同的植物功能型组成。所有相关植物功能型的光学性质不同，它们的吸水率、空气动力学和光合作用参数也不同。植物功能型参数化控制了植被表面的表面能和生物地球化学通量。在PFT水平计算来自地表的通量，然后在传递到大气模型之前加权到列、土地单元，然后加权到网格单元级别。所有的大气作用力被用来作用在网格单元内的所有植物功能型上。
2.2实验设置
通过两次CLM4.5模拟实验，研究了共享土柱和单个植物功能型列对地表状态变量和通量的植物功能型水平和网格单元级别输出的影响。第一个模拟（CTRL）使用CLM4.5的默认配置运行，其中网格单元内的所有相关植物功能型共享一个土壤列。第二个模拟（PFTCOL）使用CLM4.5的修改版本运行，其中植被土地单元内的每个植物功能型被分配到其自己的土柱（图1）。两种模拟方式都是在现今的土地覆被，并且由卫星观测规定的植被物候（叶面积指数（LAI）和茎面积指数（SAI））的条件下运行的（Lawrence and Chase，2007； Myneni等，2002）。在这两个模拟中，CLM4.5离线运行，由1991-2010 CRUNCEP大气强迫数据驱动（Viovy，2011）。每个案例运行了81年，前60年致力于提高土壤温度和水分。PFT级输出和网格单元平均值在前80年每月间隔归档所有地面和地下状态和通量变量，然后以最后一年的每小时间隔存档。
图1. 示意图说明了（a）CTRL和（b）PFTCOL仿真中CLM4.5的地上和地下配置。假设的网格单元可能包含多个陆地单元（G-冰川，L-湖，U-城市，V-植被和C-作物）。默认情况下，自然植物功能型共享一个土壤列（CTRL）。在修改过配置的版本里，每个自然植物功能型被指定为它自己的土壤列。对于CTRL和PFTCOL两种案例，大气输入（收入太阳能和长波辐射，温度，比湿度，风，压力和降水）对于网格单元内的所有区块是相同的。
2.3比较分析
我们在PFTCOL和CTRL两种模拟之间在PFT水平和网格单元水平的气温和地表能量通量进行了对比分析。进行比较的目的是为了量化列配置对子网格和网格单元平均地表气候变量的影响。为了进行植物功能型水平上的比较，我们将每个网格单元内的草和树加权为各自土地覆被类别的单个值。尽管一些网格单元包含其他相关植物功能型，包括裸地和灌木丛，我们的分析主要集中在树木和草地的原因有两个。首先，我们有兴趣的是不同土地覆被类别的植物功能型如何对列配置的变化做出反应。第二，这两大类在全球的空间分布范围最广（即包含树木和草地相关植物功能型的网格单元更多）。值得注意的是，网格单元平均值确实包含每个网格单元中所有的植物功能型。因为除了检查植物功能型差异之外，我们还想研究这种新配置是否会在与大气模型耦合时影响大气过程。我么将这个比较作为PFTCOL和CTRL之间地表气候变量的差异（）。举个例子，是PFTCOL和CTRL模拟之间气温的差异。我们还研究了表面能量平衡方程中每项的差异（公式（1））。
（1）
结果
3.1区域模式
图2展示了PFTCOL和CTRL模拟之间（PFTCOL-CTRL）在植物功能型水平(草和树相关植物功能型)和网格单元水平2m范围内气温差异。
在网格单元水平上，区域意味着值相当的小，范围从-0.1K到0.1K变化。在子网格或植物功能型水平上，则大一个量级，且呈现出明显的纬向模式。总体上，在高纬度地区，草地类型的单个植物功能型列产生更低的气温，并且树的单个植物功能型列产生更高的气温，然后在中低纬度地区观察到的结果则相反（南北纬40度之间）。在PFTCOL和CTRL之间草和树植物功能型的值出现最大差异。在北纬40度以上，树的相关植物功能型达到2.25K,，而草地的仅有-0.79K。最高纬度上（大于北纬75度）的差异是由于在少量的网格单元上平均而产生的。的全局图如图S1所示。高纬度地区草地和树木植物功能型的降温和升温模式主要受冬季气温变化的影响，这是由积雪和反照率引起的，这将在后面的章节中详细讨论。
3.2时间模式
这里我们在植物功能型水平逐月比较了在温带、热带和北半球地区在PFTCOL和CTRL种模拟下2m范围内的气温和能量通量。对于昼夜差异，我们关注三个网格单元中每一个的和的昼夜模式。表1列出了和三个地区网格单元的地表能量通量的年际差异。图S3呈现了三种网格单元的月度大气强迫数据的季节特性。
3.2.1季节模式
图4呈现了草地和树木热带网格单元2m范围内气温和地表能量通量在PFTCOL和CTRL两种模拟之间的月较差。对于2m范围内的气温和辐射通量的差异没有明显的季节性。所有月份里林地的值呈负相关，草地的则呈正相关，季节变化范围仅从0.15到0.25K。在所有季节里，PFT水平上的由发射的长波辐射的变化驱动（uarr;）.草和树植物功能型的随着的变化。在PFTCOL情况下树类型的冷却导致降低，因此更高，而草地植被类型则相反。草地的达到最高值-4.8,而树能达到5.4。
由于1至3月是旱季并且4至12月相对潮湿，和的变化具有季节性。虽然草地和树木的值变化不是以年为标志，但在旱季的变化幅度最大（林地是-31.5，草地是13.0）。与相反，在PFTCOL和CTRL两种模拟下林地和草地的值都在湿季呈现出最大差距。PFTCOL模拟配置导致一年中大部分时间（3月到12月）林地的减少和草地增加。PFTCOL和CTRL两种配置下林地植物功能型的都在5月份降幅最大，从CTRL配置的138.1到PFTCOL配置的118.5 （图S4）。对于草地植物功能型，在9月达到最大值10.9 。
图5. 除温带网格单元（35.34°N，282.5°E）外，与图4相同
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