基于ERA5-Land数据建模揭示欧洲主要树种年轮宽度对气候变化的响应机制

本研究针对传统树木生长模型缺乏全面环境数据的局限，创新性地评估了ERA5-Land再分析数据在预测欧洲四种关键树种（欧洲山毛榉、无梗花栎、欧洲赤松和挪威云杉）年轮宽度（TRW）中的应用价值。通过整合723个站点的树轮数据与ERA5-Land气候参数、CO2 浓度及干旱指数（SPEI12），研究发现ERA5-Land与气象站数据模型性能相当，且能提供更全面的土壤湿度、蒸发等参数，为全球尺度森林响应气候变化研究提供了新工具。该成果发表于《Agricultural and Forest Meteorology》，为理解植被-气候相互作用及改进生长模型提供了重要依据。

　　

随着全球气候变化加剧，温带和北方森林生态系统正面临日益频繁的暖干化事件。树木年轮宽度（Tree-ring width, TRW）作为记录树木生长响应环境变化的重要代用指标，其建模常受限于气象观测数据的时空覆盖不足。传统自动气象站（AWS）数据存在空间分布不均、参数不完整等问题，而再分析数据集如ERA5-Land能提供全球覆盖、多参数整合的气候数据，但其在树木生长建模中的适用性尚未明确。

针对这一科学问题，奥地利自然资源与生命科学大学的研究团队在《Agricultural and Forest Meteorology》发表重要研究，系统评估了ERA5-Land数据对欧洲四种关键树种（欧洲山毛榉Fagus sylvatica、无梗花栎Quercus petraea、欧洲赤松Pinus sylvestris和挪威云杉Picea abies）TRW的预测能力。研究整合了国际树轮数据库（ITRDB）和奥地利本土采集的723个站点的树轮数据，通过年龄依赖样条（AgeDepSpline）去趋势处理，结合ERA5-Land提供的9km分辨率气候参数（1950-2010年），采用岭回归（Ridge regression）模型比较其与AWS数据的预测性能。

关键技术方法包括：1) 从ITRDB和奥地利14个站点采集26,400棵树的树轮样本，构建723个去趋势标准化年表；2) 整合ERA5-Land的月尺度气候参数（如土壤湿度swvl1-4、蒸发evatc等）与CO₂
浓度、SPEI12干旱指数；3) 采用10折交叉验证评估模型性能，通过系数权重（β）分析参数重要性。

主要研究结果
3.1 气象站数据的TRW建模
SPEI12被证明是最关键参数（B=0.111），其正值（湿润条件）显著促进所有树种生长，尤以阔叶树响应最强。日照时数（ssd）和CO₂
浓度分别位列第二、三位，后者对针叶树生长呈持续正效应。温度参数中，3月极端高温（t2m_max_max）会抑制阔叶树生长，而冬季低温（t2m_min_min）有利于针叶树。

3.2 ERA5-Land数据的建模优势
在涵盖全欧洲站点的TRW_all
模型中，SPEI12仍居首位（B=0.085），但ERA5-Land特有参数如露点温度（d2m，B=0.034）、冠层蒸发（evatc，B=0.029）和7-28cm土壤湿度（swvl2）显示出重要贡献。研究发现冬季土壤储水（ssro）对次年阔叶树生长影响显著，而春季雪反照率（asn）与栎树生长呈负相关。

3.3 预测性能对比
两种数据源的预测误差（MAE=0.18）无显著差异（p=0.07），且模型解释力相当（R2=0.15）。值得注意的是，ERA5-Land在空间扩展性上表现突出，可覆盖AWS数据缺失区域，如东欧和北欧站点。

结论与展望
该研究首次证实ERA5-Land可替代传统气象站数据用于树木生长建模，其优势在于：1) 提供标准化全球覆盖参数，解决AWS数据碎片化问题；2) 整合土壤温湿度、蒸发等关键地下过程参数；3) 揭示CO₂
对针叶树的持续施肥效应（β=0.050）。特别重要的是，研究发现了冬季水储存（runoff参数）和春季雪况对生长的滞后影响，这些常被传统模型忽略的参数可能在未来气候情景下更为关键。

这项研究为全球变化生态学提供了方法论突破，ERA5-Land数据的开放性和参数丰富性将推动新一代树木生长模型发展。未来研究可结合更高分辨率地形数据和动态植被参数，进一步优化模型在区域尺度的适用性。该成果对预测森林碳汇潜力、制定适应性管理策略具有重要实践意义。