动态温度敏感性提高了耦合陆地-大气模型中模拟的生态系统呼吸作用

《Ecological Modelling》：Dynamic temperature sensitivity improves simulated ecosystem respiration in a coupled land-atmosphere model

生态系统呼吸温度敏感性（Q10）动态参数化在WRF/Noah-MP模型中的应用研究。通过对比静态Q10（1.5和2.0）与动态Q10的模拟效果，发现动态参数化使ER相关系数达0.83，CRMSE降低27-32%，尤其在华北平原，动态Q10模拟的ER较静态高800 g C m-2 yr-1。研究为改进气候-碳循环耦合模型提供依据。

　　

王团辉|张月|姜萍|李龙辉

中国南京师范大学气候系统预测与风险管理国家重点实验室，南京210023

摘要

生态系统呼吸（ER）的温度敏感性（Q10）是理解气候变暖与生态系统碳循环相互作用的关键参数。然而，在陆地-大气耦合模型中，Q10被设定为常数，这导致模拟出的ER存在一定的不确定性。本文首次将动态Q10参数化方法应用于WRF/Noah-MP模型（结合了多物理选项的Noah地表模型的天气研究与预报模型）中，对整个中国地区的应用进行了研究。通过使用来自森林、草原和农田的通量塔数据，评估了静态Q10（Q10 = 1.5, 2.0）和动态Q10参数化对ER模拟的影响。动态Q10方法显著提高了ER模拟的准确性（相关系数高达0.83；总绝对误差（CRMSE）减少了27%～33%）。我们的研究结果表明，纳入空间和时间上变化的Q10可以更好地反映碳-气候反馈机制，尤其是在华北平原地区。使用动态Q10模拟的华北平原ER显著高于使用静态Q10模拟的结果，两者之间的差异超过800克碳每平方米每年（g C m^-2 yr^-1）。本研究首次在大规模范围内评估了WRF/Noah-MP模型中动态Q10参数化的效果，表明其在区域碳循环模拟中的重要性。未来的WRF/Noah-MP模型需要考虑极端气候事件和光照抑制效应对生态系统呼吸的影响，以更好地模拟气候与碳循环之间的相互作用。

引言

生态系统呼吸（ER），包括自养呼吸和异养呼吸，是将有机碳转化为无机碳的过程（Niu等人，2021；Chen等人，2023, 2024；Tagesson等人，2024）。先前的研究表明，气候变暖导致陆地生态系统向大气中排放的二氧化碳（CO₂）增加（Ma等人，2022；Tagesson等人，2024；Wang等人，2025）。此外，一些研究指出大气中的CO₂对全球气候变暖有明显的促进作用（Cheng等人，2022；Jones等人，2023）。气候变暖与ER之间的正反馈主要受ER的温度敏感性（Q10）的影响（Chen等人，2023；Sun等人，2023；Wu等人，2023；Niu等人，2024）。Q10表示温度每升高10°C时ER的增加倍数（Davidson等人，2006），因此温度升高会导致Q10增加，进而增加ER，从而导致CO₂排放量增加（Johnston等人，2021）。因此，陆地-大气耦合模型中静态设定的Q10可能导致模拟出的ER存在不确定性。

一些研究表明，ER的Q10不仅具有显著的空间异质性，还具有时间变异性（Niu等人，2021；Wu等人，2021）。不同地区的植被类型、土壤质地和水热条件存在明显差异，因此ER对温度的响应具有显著的时空异质性（Johnston等人，2021；Wu等人，2021；Zhang等人，2024b）。年度或季节性的Q10更容易受到除温度以外的其他因素的影响（Wu等人，2021；Zhang等人，2024b），因此认为日Q10仅受温度影响。未来气候变暖可能导致全球范围内Q10值的趋同（Niu等人，2021）。虽然先前的研究表明不同生态系统的Q10值已经趋于一致（Mahecha等人，2010；Wu等人，2021；Zhang等人，2024b），但其他研究也报告了不同植被类型之间Q10值的显著差异（Yang等人，2022；Sheng等人，2024）。

Q10是描述气候变暖对生态系统碳循环影响的关键参数（Mahecha等人，2010；Chen等人，2023；Sun等人，2023），但在许多地表模型中它被设定为常数（Lawrence等人，2019；He等人，2023；Zhang等人，2024b）。许多地表模型（如CASA（Carnegie-Ames-Stanford方法模型）、Noah-MP（具有多物理选项的Noah地表模型）和BEPS（北方生态系统生产力模拟器）（Potter等人，1993；Chen等人，2017；He等人，2023；Zhang等人，2024b）中Q10被设定为2.0。然而，在广泛使用的Community Land Model（CLM）中，Q10被设定为1.5（Lawrence等人，2019；Zhang等人，2024b）。地表模型中不同的Q10值会导致陆地-大气耦合模型预测的气候-碳反馈强度存在不确定性（Chen等人，2017；Lawrence等人，2019；He等人，2023；Zhang等人，2024b）。地表模型中区分了自养呼吸和异养呼吸，但它们的Q10值被设定为相同的常数（He等人，2023）。因此，地表模型或陆地-大气耦合模型模拟的ER存在一定的不确定性。

为了克服静态Q10在估算生态系统碳循环时的不确定性，一些地表模型采用了动态Q10（Q10_dyn）（Arora，2003；Wang等人，2011；Melton和Arora，2016）。然而，作为陆地-大气耦合模型中广泛使用的地表模型，CLM和Noah-MP的Q10值仍然是静态的（Lawrence等人，2019；He等人，2023；Zhang等人，2024b）。因此，我们首次将动态Q10应用于与Noah-MP耦合的天气研究与预报（WRF）模型中，以研究动态Q10对ER的影响。本研究的具体目标包括：1）评估WRF/Noah-MP模型中动态Q10模拟ER的能力；2）分析静态Q10和动态Q10在模拟ER方面的空间差异。

部分摘录

生态系统呼吸

在陆地表面模型中，生态系统呼吸可以分为自养呼吸（Ra，即生长呼吸和维护呼吸之和）和异养呼吸（Rh）（Wang等人，2011；Melton和Arora，2016；He等人，2023）。Noah-MP模型中，植被温度和5厘米深度的土壤温度分别影响Ra和Rh（He等人，2023）。因此，在本研究中，Ra和Rh的动态Q10值是根据植被温度和土壤温度计算得出的

不同Q10对生态系统呼吸的影响

动态Q10在模拟ER方面表现最佳，总R值和CRMSE分别为0.83克碳每平方米每天（g C m^-2 day^-1）（图2a）。与Q10_1.5和Q10_2.0相比，动态Q10模拟的ER总R值分别增加了56.6%和31.7%，总CRMSE分别减少了32.9%和27.0%。虽然动态Q10模拟的ER值也被低估了，但总MB值仅为?0.37克碳每平方米每天（g C m^-2 day^-1）（图2b）。与Q10_1.5和Q10_2.0相比，总MB值

讨论

与静态Q10参数化相比，动态Q10通过考虑Q10的空间和时间变化，改善了ER模拟的准确性。使用动态Q10模拟的ER总R值和MB值分别为0.83克碳每平方米每天（g C m^-2 day^-1）和?0.37克碳每平方米每天（g C m^-2 day^-1），分别比静态Q10低31.7%～56.6%和79.6%～81.2%（图2a，b）。这是因为ER的Q10不是常数，并且具有显著的时空异质性（Meyer等人，2018；Johnston等人，2021；Wu等人，2021；

结论

在本研究中，我们首次在WRF/Noah-MP模型中应用动态Q10参数化方法，研究Q10对ER的影响。结果表明，使用动态Q10的WRF/Noah-MP模型模拟的ER总R值和CRMSE分别为0.83克碳每平方米每天（g C m^-2 day^-1）和1.49克碳每平方米每天（g C m^-2 day^-1），分别比静态Q10低31.7%～56.6%和27.0%～32.9%。本研究中的三种情景模拟的ER值都被低估了，但动态Q10情景下的MB值

CRediT作者贡献声明

王团辉：撰写——初稿，可视化，监督，软件，概念化。张月：可视化，验证，方法论，正式分析。姜萍：可视化，验证，软件，调查，资金获取。李龙辉：撰写——审阅与编辑，验证，正式分析。