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优秀成果展示——碳氮水循环耦合系统及其区域气候环境效应

发布者:   来源:   发布时间:2024/10/1 0:00:00   标签:   浏览次数:2181

成果评价编号: 中气科成评[2023]059
评价结果: 良好
成果名称: 碳氮水循环耦合系统及其区域气候环境效应
完成单位: 中国科学院大气物理研究所
成果形式: 应用研究和技术开发类-方法
研究领域: 基础研究
评价年份: 2023
完成人: 丹利、杨宗良、赵得明、徐忠峰、冯锦明、熊喆、彭静、郑辉、李嘉伟、陈亮、李明星、符传博、杨富强、薄宇、李银鹏
成果简介: 团队经过长期攻关,在国家重点研发计划与重点基金等项目支持下研发了耦合碳氮水循环过程的气候环境模拟系统,引入了非均匀的二氧化碳动态时空分布,优化了土壤冻融过程,加入氮循环和地下水等过程,完善了大气化学与气溶胶影响过程,完成了含碳氮水循环过程的区域地球系统模式研发。解决了碳氮水循环的相互作用及其对区域气候环境的反馈、土地利用对区域气候和碳循环的影响以及碳循环关键过程的动力学调控机制的关键科技问题。包括不同气候敏感度的区域碳氮水循环的影响及其反馈机制,生物固氮对陆地生态系统碳循环的影响,中国不同区域净初级生产力的贡献与机制,氮沉降和氮肥施用日益增加背景下碳氮水循环的互馈及其区域气候环境效应机制。
在陆面模式AVIM的土壤水热控制方程中引入了土壤含冰量的变化、液态水的流动和水汽变化,考虑了土壤中固液气三相共存的土壤冻融过程,并加入了粒子群算法PSO对模式进行了优化,在黄河源区对不同深度的土壤冻融过程进行了模拟验证,同时采用了美国两个著名陆面模式NOAH和SHAW进行对比模拟研究,经过大量运算后发现优化的AVIM对土壤液态水和土壤温度的模拟性能为最优。 在陆面模式中加入动态地下水方案与受动态植被影响的碳氮循环过程,形成了含碳氮水循环的耦合模式,模拟的碳氮通量优于国际生态模式计划TRENDY的集成结果。碳氮循环的有关结果被财政部中国清洁发展机制基金管理中心所采用,促进了农田土壤固碳专题政策相关问题研讨以及有关研究报告被中办采用,团队带头人被聘为被中国气象服务协会碳汇与生态价值评估技术委员会委员。 发现氮循环对碳循环的限制使得地球系统模式的碳通量分布和量级明显低于不考虑氮循环过程的模式,指出了植被生长过程中氮循环的重要性,这一工作被IPCC第6次报告引用。评估了年代际到百年时间尺度上生物固氮(BNF)这一最大的氮输入对二氧化碳、气候变化和氮沉降的响应,BNF在本世纪末可引起陆地固碳增加16%,比不考虑碳氮相互作用的CMIP的模式高35%,该工作被Nature Reviews Earth & Environment作为研究亮点(Research Highlight)予以报道。 在区域模式中识别了有区域特色的对流参数化方案,传统认为Grell和Emanuel在东亚区域的效果较好,但我们发现在黄淮海和青藏高原地区Tietdke方案的效果较好,该工作入选中国精品科技期刊顶尖学术论文领跑者5000论文。在区域模式中引入了大气化学和气溶胶过程,自主研发了RIEMS-Chem,在国际大气化学模式比较计划MICS-Asia中对区域大气环境的模拟性能突出。
团队研发了国际最早考虑动态植被过程和碳循环的陆面模式之一AVIM,在IGBP的模式比较计划中对碳通量模拟性能名列前茅,自主研发了含碳氮水循环的陆面模式及其耦合系统,获气象科技进步成果奖。研究成果在气象、生态等国家有关部门得到广泛应用。AVIM于2012年起成为国家气象中心草地生产力监测业务系统模式,解决了国家气象中心长期没有机理模型支持难点问题,成为生态气象业务服务的关键技术,提升了行业部门业务能力,是每年《全国生态气象公报》的重要参考依据,获得较好经济效益,产品得到了有关部委领导批示;AVIM被国家气候中心采用,在IPCC的CMIP5和CMIP6耦合模式比较计划中对碳循环的模拟性能突出。 自主研发的区域模式RIEMS为国家自然科学基金重大研究计划“黑河流域生态-水文过程集成研究”提供数据支撑,服务集成项目23个,其他项目4个,2014-2018下载量达3335GB。区域陆气耦合模式应用于黄河流域旱情监测与水资源调配技术,获河南省科学技术进步一等奖,成功对黄河上中下游进行预测,准确率达86%以上,获水利部黄河水利委员会科学技术进步一等奖。
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