The role of biogeophysical feedbacks and their impacts in the arctic and boreal climate system

Sammanfattning: 由于人为排放温室气体的变暖效应，北极平均变暖速率基于前工业化时代是全球平均变暖速率的两倍或两倍以上。北极对于气候变暖的放大效应使高纬度地区包括北极冰雪圈的物理环境发生了巨大的变化。全球气候模型预测北极的加速变暖将至少持续至未来几十年。同时，报道显示北极和亚北极地区的植被对北极地区的快速升温相当敏感。关于北极地区加速变暖的原因，由生态系统应对气候变化产生的生物地球物理反馈被认为是重要的因素之一。这使得关于评估植被动态和生物地球化学过程如何在未来的气候下演变，及由于植被变化产生的生物地球物理反馈将如何影响气候，碳循环和海冰的研究变得尤为重要。此外，基于区域模式的地球系统模型（ESM），作为全球模式的地球系统模型的一种补充，可以更准确地模拟在时间和空间上具有较高分辨率的相关物理，生物，化学过程及其过程间的相互作用。这为更好地了解北极气候系统的反馈机制，气候变化对生态系统的影响及为如何适应气候变化提供了有用的信息。 本文将介绍如何利用基于个体的动态植被模型（LPJ-GUESS）和区域模式地球系统模型（RCA-GUESS和RCAO-GUESS）去探讨生物地球物理反馈在北极气候系统中的作用及其产生的影响。上述模型能够较好的模拟现阶段高纬度地区主要植被的分布，大气和陆地间交换的碳、水、能量通量，土壤碳库，气候，海冰的密度集和面积的平均态。这些过程的模拟对于表征生态系统对未来北极气候的生物地球物理反馈提供了可靠的基础。 在模拟未来植被变化的实验中，LPJ-GUESS的离线模拟（不考虑反馈作用）表明，灌木林和北方森林显示出向极地迁移的趋势; 西伯利亚的落叶针叶林将被常绿针叶林取代。这些植被的变化将导致由降低的反照率，增加的甲烷排放产生的加剧气候变暖的正反馈超过由增加的潜热通量和碳汇所产生的负反馈。RCA-GUESS的耦合模拟试验(考虑了反馈作用)也显示了类似的植被迁移。这些植被变化产生的生物地球物理反馈加剧了生态系统的碳汇，并且大多数增加的碳汇来自于目前的北极苔原地区。生物地球物理反馈主要归因于两种对立的反馈(反照率反馈和蒸散量反馈)之间的平衡。在不同浓度CO2产成的辐射强迫下，生物地球物理反馈对于近地表变暖的方向和大小表现出时间和空间上的差异，这些差异主要归因于局部地区的生态系统适应升温和CO2施肥作用的能力。模拟海洋海冰的RCAO-GUESS的耦合试验表明植被变化产生的生物地球物理反馈加剧了夏，秋季海冰的变化。在平均海平面气压的辅助下增加的向下长波辐射被认为是造成进一步海冰下降的主要因素之一。因此，对于解释北方植被和海冰的因果关系需要在本文的研究基础上进一步分析它们之间的相关性在空间和时间上表现出的可变性。