中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院大氣科學(xué)專業(yè)王玉杰研究員以葉片光學(xué)特征為例，基于數(shù)值模擬研究了引入植物光學(xué)性狀時空格局對地球系統(tǒng)模擬的影響，并深入探究了地球系統(tǒng)模式考慮植物過程與性狀的重要性。相關(guān)成果以“Impacts of leaf traits on vegetation optical properties in Earth system modeling”為題于5月29日發(fā)表在《自然·通訊》。

陸地植被通過光合作用貢獻了幾乎全部陸地碳匯，吸收了約1/4的人類碳排放，并通過蒸騰作用返還近40%的降水。因此，準(zhǔn)確模擬陸地碳、水、能量平衡是預(yù)測未來氣候的關(guān)鍵。然而，由于過去計算資源和可用數(shù)據(jù)的限制，地球系統(tǒng)模式常使用過度簡化的植被模型，而植被參數(shù)常通過植物功能類群決定，而忽視了物種間的和物種內(nèi)的差異。在氣候與地球系統(tǒng)模擬中，同一種植物類群（如農(nóng)作物）的植物特征使用均值化處理，和植物所處區(qū)域、植物物種等無關(guān)，例如模型中小麥、玉米、大豆等作物的生理特征都是一樣的。這種基于類別的參數(shù)設(shè)置方式是非連續(xù)性的，雖然一定程度上能描述植物分布，但難以準(zhǔn)確表征植物與其性狀的時空連續(xù)分布，限制了地球系統(tǒng)模擬的準(zhǔn)確性。

本次研究表明，使用基于植物性狀的參數(shù)設(shè)置方案與傳統(tǒng)做法相比，在熱帶雨林與寒帶針葉林地區(qū)存在顯著差異；前者能更連續(xù)地表征植物性狀的時空格局，明顯改善地球系統(tǒng)模式模擬的地表反射率（尤其是在熱帶雨林地區(qū)）。結(jié)果進一步表明，熱帶雨林地區(qū)將吸收更多太陽輻射，傳統(tǒng)地球系統(tǒng)模式對此嚴(yán)重低估，年均偏差高達5W/m2（圖），與常用的未來排放場景對應(yīng)的輻射強迫接近（2.6-8.5W/m2）。因此，模型預(yù)測熱帶雨林區(qū)域會變得更熱因此碳匯能力降低，而寒帶針葉林溫度變化更小因此碳匯能力升高，區(qū)域溫度差異達0.5℃以上；能量平衡與水循環(huán)上的變化還影響了未來氣候的預(yù)測（例如云覆蓋、降水等）。

圖.基于植物性狀的參數(shù)設(shè)置方案顯著影響地表能量平衡。

該研究還指出，除了葉片光學(xué)特征之外，地球系統(tǒng)模式中仍存在許多類似的設(shè)置方案（如植物光合作用性狀），且許多過程參數(shù)之間的耦合并不存在（如葉片含水量會影響葉片光學(xué)特征、葉片角度、冠層輻射傳輸?shù)龋?。因此，地球系統(tǒng)模式的植被模型亟須改進其參數(shù)化方案，朝著基于過程與性狀的方向發(fā)展，改善其模擬與預(yù)測能力。

王玉杰研究員為論文通訊作者與共同第一作者。該研究得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)人才計劃經(jīng)費資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60149-x

（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）

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