Dynamický globální model vegetace - Dynamic global vegetation model

A Dynamický globální model vegetace (DGVM) je počítačový program, který simuluje posuny v potenciální vegetaci as ní spojené biogeochemický a hydrologické cykly jako reakce na změny klimatu. Použití DGVM časové řady z klima údaje a vzhledem k omezení zeměpisné šířky, topografie a půdních charakteristik simulují měsíční nebo denní dynamiku ekosystémových procesů. DGVM se nejčastěji používají k simulaci účinků budoucnosti klimatická změna na přírodní vegetace a jeho uhlík a vodní cykly.

DGVM se obecně kombinují biogeochemie, biogeografie a poruchové submodely. Porucha je často omezena na požáry, ale v zásadě by to mohlo zahrnovat: rozhodnutí o obhospodařování lesů / půdy, vítr, poškození hmyzem, poškození ozonem atd. DGVM obvykle „roztočí“ své simulace z holé půdy na rovnovážnou vegetaci (např. vyvrcholení komunita ) stanovit realistické počáteční hodnoty pro jejich různé „zásoby“: uhlík a dusík v živé a mrtvé vegetaci, půdní organická hmota atd. odpovídající doloženému historickému vegetačnímu krytu.

DGVM se obvykle spouštějí v prostorově distribuovaném režimu se simulacemi prováděnými pro tisíce „buněk“, geografických bodů, o nichž se předpokládá, že mají v každé buňce homogenní podmínky. Simulace se provádějí v celé řadě prostorových měřítek, od globálních po krajiny. Buňky jsou obvykle uspořádány jako mřížové body; vzdálenost mezi sousedními mřížovými body může být stejně velká jako několik stupňů zeměpisné šířky nebo délky nebo tak jemná jako 30 obloukových sekund. Simulace přetrvávajících Spojených států v prvním srovnávacím cvičení DGVM (LPJ a MC1) nazvaném VEMAP[1] Projekt v 90. letech používal mřížovité zrno o polovině stupně. Globální simulace skupiny PIK a spolupracovníků [2] pomocí 6 různých DGVM (HYBRID, IBIS, LPJ, SDGVM, TRIFFID a VECODE) používalo stejné rozlišení jako obecný oběhový model (GCM), která poskytla klimatické údaje, 3,75 stupně zeměpisné délky x 2,5 stupně zeměpisné šířky, celkem 1631 buněk pozemní sítě. Někdy jsou mřížkové vzdálenosti specifikovány spíše v kilometrech než v úhlové míře, zejména u jemnějších zrn, takže projekt jako VEMAP [3] se často označuje jako 50 km obilí.

Příklad výstupu DGVM

Několik DGVM se objevilo v polovině 90. let. První byl zjevně IBIS (Foley et al., 1996), VECODE (Brovkin et al., 1997), následovaný několika dalšími popsanými níže:

Několik DGVM bylo vyvinuto různými výzkumnými skupinami po celém světě:

  • HYBRIDNÍ[12] - SPOJENÉ KRÁLOVSTVÍ.
  • SDGVM[13] - SPOJENÉ KRÁLOVSTVÍ.
  • SEIB-DGVM[14] - Japonsko
  • TRIFFID[15] - SPOJENÉ KRÁLOVSTVÍ.
  • VECODE[16] - Německo
  • CLM-DVGM[17] - USA
  • Demografie ekosystémů (ED,[18] ED2[19])
  • VEGAS[20][21] - USA

Nová generace modelů - modely systému Země (např. CCSM,[22] ORCHIDÉR,[23] ČERVENEC,[24] CTEM[25] ) - nyní zahrnuje důležité zpětné vazby z biosféry do atmosféry, takže vegetační posuny a změny uhlíkových a hydrologických cyklů ovlivňují klima.

DGVM běžně simulují různé fyziologické procesy rostlin a půdy. Procesy simulované různými DGVM jsou shrnuty v tabulce níže. Zkratky jsou: NPP, netto prvovýroba; PFT, rostlinný funkční typ; VIDĚL, půda dostupná voda; LAI, index listové oblasti; Já, solární radiace; T, teplota vzduchu; Wr, přívod vody v kořenové zóně; PET, potenciál evapotranspirace; vegc, celkový živý vegetační uhlík.

proces / atributformulace / hodnotaDGVM
nejkratší časový krok1 hodinaIBIS, ED2
2 hodinyTRIFFID
12 hodinHYBRIDNÍ
1 denLPJ, SDGVM, SEIB-DGVM, MC1 požární submodel
1 měsícMC1 kromě požárního submodelu
1 rokVECODE
fotosyntézaFarquhar et al. (1980)[26]HYBRIDNÍ
Farquhar et al. (1980)
Collatz et al. (1992)[27]		IBIS, LPJ, SDGVM
Collatz et al. (1991)[28]
Collatz et al. (1992)		TRIFFID
stomatální vodivostJarvis (1976)[29]
Stewart (1988)[30]		HYBRIDNÍ
Leuning (1995)[31]IBIS, SDGVM, SEIB-DGVM
Haxeltine & Prentice (1996)[32]LPJ
Kormidelník et al. (1998)[33]TRIFFID
Výrobalesní JE = f (PFT, vegc, T, SAW, P, ...)
travní NPP = f (PFT, vegc, T, SAW, P, lehká soutěž, ...)		MC1
GPP = f (I, LAI, T, Wr, PET, CO2)LPJ
soutěžpro světlo, vodu a NMC1, HYBRID
pro světlo a voduLPJ, IBIS, SDGVM, SEIB-DGVM
Lotka-Volterra v částečném obaluTRIFFID
Závisí na klimatuVECODE
zřízeníVšechny PFT se zakládají jednotně jako malí jednotlivciHYBRIDNÍ
Klimaticky zvýhodněné PFT se zakládají jednotně, jako malí jedinciSEIB-DGVM
Klimaticky zvýhodněné PFT se stanoví jednotně, jako malý přírůstek LAIIBIS
Klimaticky zvýhodněné PFT se vytvářejí v poměru k dostupné ploše jako malí jedinciLPJ, SDGVM
Minimální „počáteční“ frakce pro všechny PFTTRIFFID
úmrtnostZávisí na uhlíkových bazénechHYBRIDNÍ
Deterministická základní čára, vrh větru, oheň, extrémní teplotyIBIS
Deterministická základní linie, samovolné ředění, uhlíková bilance, oheň, extrémní teplotyLPJ, SEIB-DGVM, ED2
Uhlíková bilance, vrh větru, oheň, extrémní teplotySDGVM
Předepsaná míra rušení pro každý PFTTRIFFID
Závisí na klimatu, na základě uhlíkové bilanceVECODE
Samovolné ředění, oheň, extrémní teploty, suchoMC1

Reference:

  1. ^ Členové VEMAP. 1995. Projekt modelování a analýzy vegetace / ekosystému: srovnání biogeografických a biogeochemických modelů v kontinentální studii reakcí suchozemských ekosystémů na změnu klimatu a zdvojnásobení CO2. Globální biogeochemické cykly. 9 (4): 407–437
  2. ^ Cramer, W., A. Bondeau, F.I. Woodward, I.C. Prentice, R. Betts, V. Brovkin, P.M. Cox, V. Fischer, J.A. Foley, A.D. Friend, C. Kucharik, M.R. Lomas, N. Ramankutty, S. Sitch, B. Smith, A. White a C. Young-Molling. 2001. Globální reakce struktury a funkce suchozemského ekosystému na CO2 a změnu klimatu: výsledky šesti dynamických globálních vegetačních modelů. Global Change Biology 7: 357–373
  3. ^ http://www.cgd.ucar.edu/vemap/
  4. ^ Sitch S, Smith B, Prentice IC, Arneth A, Bondeau A, Cramer W, Kaplan JO, Levis S, Lucht W, Sykes MT, Thonicke K, Venevsky S 2003. Hodnocení dynamiky ekosystémů, geografie rostlin a cyklování suchozemského uhlíku v LPJ Dynamický globální model vegetace. Globální biologie změn 9, 161–185.
  5. ^ „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 13.12.2010. Citováno 2011-01-08.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  6. ^ Foley, J. A., I. C. Prentice, N. Ramankutty, S. Levis, D. Pollard, S. Sitch a A. Haxeltine. 1996. Integrovaný biosférický model procesů na povrchu země, bilance suchozemského uhlíku a dynamika vegetace. Globální biogeochemické cykly 10 (4), 603–628.
  7. ^ Kucharik, C. J., J. A. Foley, C. Delire, V. A. Fisher, M. T. Coe, J. D. Lenters, C. Young-Molling, N. Ramankutty, J. M. Norman a S. T. Gower. 2000. Testování výkonnosti dynamického globálního modelu ekosystému: vodní bilance, uhlíková bilance a vegetační struktura. Globální biogeochemické cykly 14 (3), 795–825.
  8. ^ Foley, J. A., C. J. Kucharik a D. Polzin. 2005. Integrovaný model biosférického simulátoru (IBIS), verze 2.5. Modelový produkt. Dostupný online [1] z Oak Ridge National Laboratory Distributed Active Archive Center, Oak Ridge, Tennessee, USA doi:10,3334 / ORNLDAAC / 808.
  9. ^ Bachelet D, Lenihan JM, Daly C, Neilson RP, Ojima DS, Parton WJ (2001). MC1: dynamický vegetační model pro odhad distribuce vegetace a souvisejícího uhlíku, živin a vody - technická dokumentace. Verze 1.0. Obecná technická zpráva PNW-GTR-508. Portland, OR: Ministerstvo zemědělství USA, Forest Service, Pacific Northwest Research Station.
  10. ^ Daly, C., D. Bachelet, J.M.Lenihan, R.P. Neilson, W. Parton a D. Ojima, Dynamická simulace interakcí stromové trávy pro studie globální změny, Ecological Applications, 10, 449–469, 2000.
  11. ^ Web MC1
  12. ^ Friend AD, Stevens AK, Knox RG, Cannell MGR (1995) Procesní model pozemské biosféry dynamiky ekosystémů (Hybrid v3.0). Ekologické modelování, 95, 249–287.
  13. ^ Woodward FI, Lomas MR, Betts RA (1998) Vegetačně-klimatické zpětné vazby ve skleníkovém světě. Philos. Trans. R. soc. London, Ser. B, 353, 29–38
  14. ^ http://seib-dgvm.com/
  15. ^ http://www.metoffice.gov.uk/research/hadleycentre/models/carbon_cycle/models_terrest.html
  16. ^ Brovkin V, Ganopolski A, Svirezhev Y (1997) Kontinuální klasifikace klimatu a vegetace pro použití ve studiích klimatu a biosféry. Ekologické modelování, 101, 251–261.
  17. ^ Levis SG, Bonan B, Vertenstein M, Oleson KW (2004) Dynamický globální model vegetace modelu komunity Land (CLM-DGVM): Technický popis a uživatelská příručka, NCAR Tech. Poznámka TN-459 + IA, 50 pp, National Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado.
  18. ^ Moorcroft, P. R., G. C. Hurtt a Stephen W. Pacala. „Metoda škálování dynamiky vegetace: demografický model ekosystému (ED).“ Ekologické monografie 71,4 (2001): 557–586.
  19. ^ Medvigy, D., et al. „Mechanické škálování funkce a dynamiky ekosystému v prostoru a čase: model demografie ekosystému verze 2.“ Journal of Geophysical Research: Biogeosciences (2005–2012) 114 G1 (2009).
  20. ^ Zeng, Ning (září 2003). „Glaciálně-interglaciální změna CO2 v atmosféře - hypotéza pohřbu ledovců“. Pokroky v atmosférických vědách. 20 (5): 677–693. doi:10.1007 / BF02915395.
  21. ^ https://www.atmos.umd.edu/~cabo/CABO.html
  22. ^ http://www.ccsm.ucar.edu/
  23. ^ „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 11.11.2008. Citováno 2008-11-23.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  24. ^ http://www.jchmr.org/jules
  25. ^ „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 2007-11-20. Citováno 2009-04-29.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  26. ^ Farquhar GD, von Caemmerer S, Berry JA (1980) Biochemický model fotosyntetického CO2 asimilace v listech C.3 druh. Planta, 149, 78–90.
  27. ^ Collatz GJ, Ribas-Carbo M, Berry JA (1992) Spojený fotosyntéza - stomatální vodivostní model pro listy rostlin C4. Australian Journal of Plant Physiology, 19, 519–538.
  28. ^ Collatz GJ, Ball JT, Grivet C, Berry JA (1991) Fyziologická a environmentální regulace stomatální vodivosti, fotosyntézy a transpirace: model, který zahrnuje laminární mezní vrstvu. Zemědělská a lesní meteorologie, 54, 107–136.
  29. ^ Jarvis P (1976) Interpretace variací potenciálu listové vody a stomatální vodivosti zjištěných v přístřešcích v terénu. Filozofické transakce Royal Society of London Series B, 273, 593–610.
  30. ^ Stewart JB (1988) Modelování povrchové vodivosti borového lesa. Zemědělská a lesní meteorologie, 43, 19–35.
  31. ^ Leuning R (1995) Kritické posouzení kombinovaného modelu stomatální a fotosyntézy pro C3 rostliny. Rostlina, buňka a životní prostředí, 18 (4), 339–355.
  32. ^ Haxeltine A, Prentice IC (1996) Obecný model pro efektivitu využití světla primární produkce. Funkční ekologie, 10 (5), 551–561.
  33. ^ Cox PM, Huntingford C, Harding RJ (1998) Model vodivosti vrchlíku a fotosyntézy pro použití ve schématu zemského povrchu GCM. Journal of Hydrology, 212–213, 79–94.