CN109800971A - 一种评估区域上臭氧对植被生产力影响的模型系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评估区域上臭氧对植被生产力影响的模型系统，包括BEPS模块、WRF模块和CMAQ模块，所述BEPS模块包括臭氧输入、数据传递，以及臭氧对光合作用和蒸腾的影响模块，通过在模型中增加了臭氧的输入、数据传递以及臭氧对光合作用和蒸腾的影响模块，通过了系统的的模拟精度。
Description
技术领域
本发明属于环保领域，尤其是一种评估区域上臭氧对植被生产力影响的模型系统。
背景技术
陆地生态系统生产力是碳循环的关键过程，其结构与功能的维持与光照、热量、水分等气候条件紧密联系。大量事实说明，大气成分和空气质量改变对生态系统生产力的形成过程也有着直接和间接的影响。针对不同区域和不同植物类型的研究发现，90％以上的空气污染危害是由对流层中的臭氧引起的。不同的研究结果都说明，目前陆地生态系统中臭氧导致粮食生产和森林生物量损失可达0-30％，在未来20年内一些作物的减产率可增加10倍。
因此，深入研究臭氧污染对陆地生态系统生产力的影响机制和正确评估预测区域空气污染状况是非常必要的。现有方法存在一定局限性：如少数站点试验结果不能代表区域普遍性；短期试验结果不能说明长期累积效应；试验设计过于简化真实环境状况等。
发明内容
发明目的：提供一种评估区域上臭氧对植被生产力影响的模型系统，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种评估区域上臭氧对植被生产力影响的模型系统，包括BEPS模块、WRF模块和CMAQ模块，所述BEPS模块包括臭氧输入、数据传递，以及臭氧对光合作用和蒸腾的影响模块，所述臭氧对光合作用和蒸腾的影响模块采用下式计算：
A＝ApF，F＝1-αUO＞FO3crit，
UO＞FO3crit＝max[(FO3-FO3crit),0.0]，
Ap为植被光合作用速率，F为O3的影响因子，A为考虑O3影响后的植被光合作用速率；α是一个参数系数，UO>FO3crit是叶片瞬时吸收的大于O3浓度阈值的O3量，单位为nmol m- 2s-1，其中FO3是叶片对O3的吸收速率，FO3crit是通量阈值，FO3crit和α都基于不同的植被类型；FO3是近地面O3浓度、边界层阻抗Ra和叶片气孔导度g的函数，式中g1是叶片气孔对水汽的气孔导度，KO3是O3和水汽气孔阻抗的比值，KO3＝1.67。
一种评估区域上臭氧对植被生产力影响的方法，包括如下步骤：
步骤1、构建WRF-CMAQ-BEPS模型，
步骤2、所述BEPS模块包括臭氧输入、数据传递，以及臭氧对光合作用和蒸腾的影响模块，所述臭氧对光合作用和蒸腾的影响模块采用下式计算：
A＝ApF，F＝1-αUO＞FO3crit，
UO＞FO3crit＝max[(FO3-FO3crit),0.0]，
Ap为植被光合作用速率，F为O3的影响因子，A为考虑O3影响后的植被光合作用速率；α是一个参数系数，UO>FO3crit是叶片瞬时吸收的大于O3浓度阈值的O3量，单位为nmol m- 2s-1，其中FO3是叶片对O3的吸收速率，FO3crit是通量阈值，FO3crit和α都基于不同的植被类型；FO3是近地面O3浓度、边界层阻抗Ra和叶片气孔导度g的函数，式中g1是叶片气孔对水汽的气孔导度，KO3是O3和水汽气孔阻抗的比值，KO3＝1.67。
根据本发明的一个方面，WRF、CMAQ和BEPS模块采用相同的水平网格和网格分辨率。
根据本发明的一个方面，所述WRF模块与BEPS模块之间设置有气象数据转换接口，所述CMAQ模块与BEPS模块之间设置有臭氧数据转换接口。
有益效果：在模型中增加了臭氧的输入、数据传递以及臭氧对光合作用和蒸腾的影响模块，通过了系统的的模拟精度。
附图说明
图1是本发明的原理示意图。
具体实施方式
构建评估臭氧对植被生产力影响的模型系统(WRF-CMAQ-BEPS)：中尺度气象模式WRF可以在区域尺度上对气象场进行高分辨率的模拟再现，且具有很好的模拟精度，区域空气质量模式CMAQ则可以对区域尺度上的大气污染物浓度(包括CO2浓度)以及氮沉降等进行模拟，可以为生态系统模型提供大气污染物、CO2及氮沉降等数据。
BEPS模式是基于过程的，遥感驱动的机理性生态模式，可以模拟生态系统的碳、水和能量循环过程。碳循环过程主要包括了植物的光合作用、呼吸作用、碳分配、以及土壤呼吸等生理和生化过程；水循环过程包括了冠层截留、地表积雪、冠层蒸腾、土壤蒸发、土壤水分变化等物理过程。在多次的模型对比试验中，该模型表现出很好的模拟不同生态系统碳、水和能量循环的能力。
BEPS模型适合用于从站点到全球尺度的计算，这依赖于所能获取到的地表及气象数据。在全球尺度上，BEPS通常由全球气象模式模拟的气象场驱动，而在区域尺度上，BEPS通常由站点气象观测数据经空间插值后获得的气象场进行驱动。经过空间插值获得的气象数据往往有较大的误差，特别是在观测资料稀疏地区，比如我国西部。因此，我们建立了基于WRF-CMAQ-BEPS模型的模拟评估系统(图1)，由WRF模式为CMAQ模式和BEPS模式提供高分辨率气象场，由CMAQ模式为BEPS提供臭氧等污染物数据。WRF、CMAQ和BEPS模式采用相同的水平网格和网格分辨率。
开发了WRF和BEPS模型间的气象数据接口，以及CMAQ和BEPS模式间的臭氧数据转换接口，同时改进了BEPS模型，在模型中增加了臭氧的输入、数据传递以及臭氧对光合作用和蒸腾的影响模块。
臭氧对陆地上生态系统影响的计算方案：BEPS模式是基于过程的，遥感驱动的机理性生态模式，可以模拟生态系统的碳、水和能量循环过程。碳循环过程主要包括了植物的光合作用、呼吸作用、碳分配、以及土壤呼吸等生理和生化过程；水循环过程包括了冠层截留、地表积雪、冠层蒸腾、土壤蒸发、土壤水分变化等物理过程。在多次的模型对比试验中，该模型表现出很好的模拟不同生态系统碳、水和能量循环的能力。但是，尽管BEPS模式已经经历了10多年的发展，但现有的BEPS模式中并未考虑臭氧对陆地生态系统碳水循环的影响。我们加入了臭氧对陆地生态系统碳水循环的影响模块，我们采用通量梯度方案来进行计算，它的主要计算方法如下：
A＝ApF (1)
上式中Ap为植被光合作用速率，F为O3的影响因子，A为考虑O3影响后的植被光合作用速率。F的计算如公式(2)所示，(2)式中α是一个参数系数，UO>FO3crit是叶片瞬时吸收的大于O3浓度阈值的O3量，单位为nmol m-2s-1，如式(3)，其中FO3是叶片对O3的吸收速率，FO3crit是通量阈值，FO3crit和α都基于不同的植被类型。叶片对O3吸收速率FO3的计算如(4)式所示，它是近地面O3浓度[O3]，边界层阻抗Ra和叶片气孔导度g的函数，式中g1是叶片气孔对水汽的气孔导度，KO3是O3和水汽气孔阻抗的比值，KO3＝1.67。因此，植被叶片对O3的吸收通量主要取决于叶片的气孔导度，而气孔导度g是植被光合作用效率A的线性函数(Ball et al.,1987)，因此有(5)式。由此可以计算得到在O3影响下的植被光合速率和气孔导度。植被蒸腾取决于植被气孔导度，因此，也就可以得到O3对植被蒸腾作用的影响。
F＝1-αUO＞FO3crit (2)
UO＞FO3crit＝max[(FO3-FO3crit),0.0] (3)
g1＝gpF (5)
通过文献调研，本研究计算中FO3crit和α的取值如下表1所示。
表1 FO3crit和α取值
| 针叶林 | 落叶阔叶林 | 常绿阔叶林 | 混合林 | 灌木 | 其他 | |
| 通量阈值F<sub>O3crit</sub> | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 1.6 | 12 |
| 高敏感α | 0.11 | 0.23 | 0.135 | 0.14 | 0.2 | 1.20 |
| 低敏感α | 0.03 | 0.06 | 0.035 | 0.037 | 0.053 | 0.31 |
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (4)
1.一种评估区域上臭氧对植被生产力影响的模型系统，其特征在于，包括BEPS模块、WRF模块和CMAQ模块，所述BEPS模块包括臭氧输入、数据传递，以及臭氧对光合作用和蒸腾的影响模块，所述臭氧对光合作用和蒸腾的影响模块采用下式计算：
A＝ApF，F＝1-αUO＞FO3crit，
UO＞FO3crit＝max[(FO3-FO3crit),0.0]，
Ap为植被光合作用速率，F为O3的影响因子，A为考虑O3影响后的植被光合作用速率；α是一个参数系数，UO>FO3crit是叶片瞬时吸收的大于O3浓度阈值的O3量，单位为nmol m-2s-1，其中FO3是叶片对O3的吸收速率，FO3crit是通量阈值，FO3crit和α都基于不同的植被类型；FO3是近地面O3浓度、边界层阻抗Ra和叶片气孔导度g的函数，式中g1是叶片气孔对水汽的气孔导度，KO3是O3和水汽气孔阻抗的比值，KO3＝1.67。
2.一种评估区域上臭氧对植被生产力影响的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、构建WRF-CMAQ-BEPS模型，
步骤2、所述BEPS模块包括臭氧输入、数据传递，以及臭氧对光合作用和蒸腾的影响模块，所述臭氧对光合作用和蒸腾的影响模块采用下式计算：
A＝ApF，F＝1-αUO＞FO3crit，
UO＞FO3crit＝max[(FO3-FO3crit),0.0]，
Ap为植被光合作用速率，F为O3的影响因子，A为考虑O3影响后的植被光合作用速率；α是一个参数系数，UO>FO3crit是叶片瞬时吸收的大于O3浓度阈值的O3量，单位为nmol m-2s-1，其中FO3是叶片对O3的吸收速率，FO3crit是通量阈值，FO3crit和α都基于不同的植被类型；FO3是近地面O3浓度、边界层阻抗Ra和叶片气孔导度g的函数，式中g1是叶片气孔对水汽的气孔导度，KO3是O3和水汽气孔阻抗的比值，KO3＝1.67。
3.根据权利要求2所述的评估区域上臭氧对植被生产力影响的方法，其特征在于，WRF、CMAQ和BEPS模块采用相同的水平网格和网格分辨率。
4.根据权利要求2所述的评估区域上臭氧对植被生产力影响的方法，其特征在于，所述WRF模块与BEPS模块之间设置有气象数据转换接口，所述CMAQ模块与BEPS模块之间设置有臭氧数据转换接口。
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