AVIM2(Atmosphere-Vegetation Interaction Model 2)

AVIM2 是 AVIM 的新版本,较原有模式增加了土壤有机碳的转化和分解以及氮的矿化作用等生物地球化学子模块,实现了大气-植被-土壤三者的动态耦合。

Based on AVIMNPP(net primary productivity)
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Contributor

wzh

contributed at 2019-04-18

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Classification(s)

Earth System SubjectEarth Surface System Synthesis

Detailed Description

       植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)是植物每年通过光合作用所固定碳的总量,是衡量生态系统对气候变化响应的重要指标。它既可以反映植物群落在自然环境条件下的生产能力,而且也是地表碳循环的重要组成部分。利用模型模拟估算陆地生态系统净初级生产力作为植被净初级生产力研究的重要手段之一,被广泛用于全球和区域尺度碳循环的研究。目前,植被NPP研究仍是全球变化研究的重要内容之一,区域植被NPP的研究更是如此。

       AVIM2 是 AVIM 的新版本,较原有模式增加了土壤有机碳的转化和分解以及氮的矿化作用等生物地球化学子模块,实现了大气-植被-土壤三者的动态耦合。AVIM2 模型由三个模块组成:一为描述植被-大气-土壤之间的辐射、水、热交换过程的陆面物理过程模块;另一是基于植被生态生理过程(如光合、呼吸、光合同化物的分配、物候等)的植被生理生长模块;第三是土壤有机碳转化和分解子模块AVIM2 中的陆面物理过程和植被的生理过程以及土壤的碳转换过程是不可分割的整体。气候变化影响土壤状况和植被生长,土壤温、湿度的变化一方面影响植被生长,另一方面又影响土壤有机物的分解和转换。而植被的变化一方面反作用于大气,影响大气的能量平衡,另一方面其凋落物又作用于土壤,影响土壤碳储量。

1、陆地物理过程模块

       参考平面上的气温、风速、太阳辐射(长、短波辐射)、湿度和降水数据通常来自于观测数据或者模型反演数据。这里我们假设太阳辐射被枝叶完全吸收和反射,而没有投射。到达地面的那部分太阳辐射被储存在土壤中,一部分经陆面红外辐射和潜热交换、显热辐射到大气中。部分降水被植被的冠层所截留。截留水一部分被二次蒸发,另一部分则滴落在地面上,和非截留的部分形成地面汇流或者径流。陆面过程模块根据植被、大气和土壤之间的质量守恒及能量平衡原理描述了土壤植被大气之间的水热通量的输送和交换过程,详细过程由以下几个模块控制。

       温度控制的主要依据是能量守恒,是针对冠层、土壤及雪盖的。以下是冠层、雪盖和土壤的温度控制方程:

上式中TcTsn 、T1T2分别是冠层,雪盖和上、下层土壤的温度,单位为(K);Cc(ρc)1、(ρc)(ρc)3别代表冠层、雪盖及土壤的比热容,单位为J·m-3·k-1;dm是雪盖厚度,单位为m;di( i=1, 2, 3)为土壤层自上而下的厚度,单位是m; σc是冠层的覆盖度; λ12 λ23分别是土壤层之间的热传导率;LEcHcRnc分别是冠层的潜热通量、显热通量和净辐射通量,单位是W·m-2Hg、RngLEg分别为土壤的显热通量、净辐射通量及潜热通量,单位是W·m-2Rnsn 代表雪盖的净辐射通量,单位是W·m-2Smg 为融雪速率; Lf是蒸发潜热。辐射通量的计算方程如下:

S0代表入射到冠层或者雪盖顶部的太阳辐射; Sg则代表到达地面的那部分太阳辐射;εsn、εs、εc别代表雪盖、土壤和冠层的辐射系数;均为Stefan-Boltzman常数;RLgRL为在土壤和冠层向下的长波辐射。

 

以下是显热通量的计算方程:

其中,Ha是总显热通量,LAI代表叶面积指数,ra为参考高度空间与冠层之间的空气动力阻抗,单位是s·m-1,rb为冠层的边界阻抗,rd为地面空间与冠层的空气动力阻抗, ras为所参考高度到地面的总阻抗。

       水通量的计算方程为:

       上式中,δc冠层湿部系数。

       通过水量的平衡来确定来实现土壤植被大气中水分的控制,其方程为:

       上式中,Mc为冠层中所储的水分,单位是mw1、w2、 w3 、w12、w23是各土壤层之间的相对湿度;为降水速率,其单位是m·s-1Dc是冠层的排水速率,单位m·s-1D12 、D23为土壤水分的扩散速率;s代表土壤孔隙度;Etr为冠层蒸腾;Ew为冠层湿部蒸发;Eg是土壤蒸发;w12=(d1w1+d2w2)/(d1+d2)、w23=(d3w3+d2w2)/(d3+d2)分别为相邻的土壤层之间界面上的土壤湿度;b为土壤水分指数。

 

 

 

 

2、物理过程参数化

     下式是阻抗的计算方程:

       其中,CD为冠层之间的平均拽力系数, CDs为雪盖的拽力系数, uc为冠层中的风速,ua为参考高度上的风速, d0为植物叶子宽度,cf=1,d零平面位移,Z0gZ0分别为地面粗糙度和冠层粗糙度。

       如下是反射率、粗糙度和零平面位移的计算方程:

3、植物生理生长模块(Plant Growth ModelPLT)

       植物生理生长模块主要包括呼吸作用、光合作用、光合产物在植物体器官中的分配、凋落和物候等过程。这一过程的具体描述在文献(季劲钧等,1999;李银鹏等,2001)中有详细的解说,文中只介绍其中一些重要的过程。

 (1)  光合作用及呼吸作用

      光合作用速率 GPP 的计算方程为:

 

     上式中,是冠层顶部的消光系数;A0为冠层顶部的光和速率,其计算式是:

      其中,Ps为地面的大气压,Ca是大气CO2浓度,Ci为叶片CO2浓度。gbg分别代表叶片最小气孔导度和气孔导度,它们的计算方程分别为

上文(4.30)式中 LAI 的计算方程为:

 

公式中f为植被叶面积密度,Mf为叶丛的生物量,为植物的生长天数。计算得到的 LAI 

再由公式 3.83.15 和 3.26 反馈至物理过程模块中,从而将大气和植被之间联系起来。

植物净初级生产力(NPP)的计算方程为:

式中Rm为植物的维持呼吸,Rg为生长呼吸。Rm与植物器官的生物量成正比,并且随着温度的变化而变化,它的计算方程为:

其中,Rmi25为植物在 25ºc 时单位生物量的呼吸速率,fs分别代表植物叶、茎和根,

Mi代表植物器官的生物量。Rg与植物器官的生物量的增长速率成正比,它的计算方程为:

其中, 为植物器官生物量的增长速率;当<0时,Rgi=0;ηi为分配系数,∑ηi=1 

上式中 的计算方程是:

 

植物叶片光合速率A0的另一计算方法是:

式中,Vcmax为 Rubiso 最大羧化速率;Ci为叶片CO2的浓度;Γ为CO2的补偿点;Oi为叶片中O2的浓度;Kc和Ko为CO2和O2的 Michaelis-Menton 常数;为电子传输时的量子效率;PAR 为光合有效辐射。式 4.38 中A0通常取叶绿素的光合酶浓度限制的羧化率Wc和光通量限制的羧化Wj之间的最小值。

(2)  植被碳分配和凋落过程

在植物碳分配和凋落过程中AVIM2模型采用根茎叶功能平衡的原理(Brouwer, R,1962;DAVIDSON R,1969)。假设植被生长初期,当叶片总量较小时,则光合同化物首先分配到叶片,使得叶片快速生长,从而给光合作用提供物资供给。随着植物的生长,光合同化物逐步转向其他部分以满足植物生长对营养及水分的需要。根、茎和叶的分配系数与LAI的关系为:

 

 

其中,LAIC 实特征叶面积指数,跟植物的种类有关。是经验常数;α1、α2代表物候所控制的对各器官营养分配的系数。

(3)  物候

       植物的物候是其外部生长因子作用于生长过程中时,植物所表现出的不同自然现象,像种子的发芽、开花、落叶等。AVIM2 模型把气温和积温作为植物物候的判别因子,对不同植被功能性的物候变化作了描述,具体控制方法详述见文献(李克让等,2009)

 4、土壤有机碳分解和转换模块 

      土壤有机碳分解和转换模块是 根据 CEVSA(Cao  M ,et  al ,1998)和CENTURY(Parton W. J.,et al,1987)模型的土壤碳动力学模块而发展起来的。在此模块中将土壤碳分为 8 个库,分别是:土壤表面结构库、地下结构库、活性库、土壤表面微生物、土壤表面代谢库、地下微生物、慢分解库和惰性库。活性库和土壤表面微生物库包括土壤中的有机质、微生物和它们的产物,运转周期为 1-5年;慢分解库是土壤中较难分解的有机质,运转周期为 20-40 年;惰性库是土壤中最难分解的有机质,运转周期最长为 200-1500 年;植被凋落物进入结构和代谢库,结构库的运转周期为 1-5 年,代谢库的物质在进入其它土壤库之前的运转周期是 0.1-1 年。凋落物进入机构库和代谢库的分配比例是由木质素和氮的比例来决定(Parton W. J.,et al,1987):

      式中,FM为凋落物中进入代谢库的部分;L/N 是木质素与氮的比例,FS为凋落物进入结构库的部分。

      土壤的有机质分解及转化由一阶速率反应(First-order rate reaction)原则来控制,它的计算方程是:

      式中Qi代表各个库碳储量,i=1...8 。Ki为有机质分解的最大速率。 f(P) 和f(T) 分别代表土壤湿度和温度对分解的影响函数。与此同时,有机碳的分解跟土壤质地、土壤有效氮以及凋落物木质素跟氮的比值有关。土壤异养呼吸产生的碳释放为土壤微生物分解过程产生的所有气态碳(如CO2,CO,CH4)损失的总和:

      式中ki为有机质的分解速率。ε为微生物的同化效率,也就是说,一部分有机质在分解过程中被微生物吸收和利用。净生态系统生产力 NEP 的计算公式为:

      模块中也考虑到氮的有效性对于土壤有机碳分解的限制,微生物利用潜在碳和氮的有效性的计算公式如下:

其中,Kpi是潜在衰变率,N/C 为氮与碳的比例。氮的潜在需要与提供量之间的平衡用β表示:

Nav 是已经在土壤中存在的矿化氮,若 β>0,则系统受氮限制。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

References

How to cite

wzh (2019). AVIM2(Atmosphere-Vegetation Interaction Model 2), Model Item, OpenGMS, https://geomodeling.njnu.edu.cn/modelItem/925ebaac-3212-4f3e-b881-8477e1538232
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