全球生物源可挥发性有机物排放时空特征及其对气候变化的响应研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 马百兵 |
| 答辩日期 | 2023-12 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 徐明 ; 李仁强 |
| 关键词 | 生物源可挥发性有机物 MEGAN模型 MODIS LAI后处理 时空特征 气候变化 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 生物源可挥发性有机物（Biogenic Volatile Organic Compounds，BVOCs）是臭氧（O3）的重要前体物，高浓度的BVOCs会破坏大气的氧化平衡、加剧全球变暖和大气环境污染。目前全球尺度BVOCs排放量的模拟大多数在几十公里网格尺度，缺乏高分辨率的BVOCs数据集。在全球气候变化背景下，CO2浓度变化、温度升高及地表覆被类型变化等因素会如何影响全球BVOCs排放的时空格局？亟待进一步研究。不同模型中量化CO2对BVOCs排放的影响程度存在差异，全球尺度BVOCs排放量的主要驱动力及其应对未来气候变化的响应尚不明晰。 叶面积指数（LeafArea Index，LAI）作为驱动模型模拟BVOCs排放的关键参数，中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）LAI产品噪声点会严重影响BVOCs的估算，本研究建立一种新的MODIS LAI后处理方法，重新构建了一套高精度的LAI数据集。此外，本研究基于自然界气体和气溶胶排放模型（Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature，MEGAN）算法，采用双流辐射传输模型优化MEGAN模型冠层环境中辐射传输过程，借助谷歌地球引擎（Google Earth Engine，GEE）平台实现模型算法，利用欧洲中期天气预报中心大气再分析数据（ECMWF Reanalysis-Land，ERA5-Land）、全球陆地数据同化系统（Global Land Data Assimilation System，GLDAS）和美国国家环境预测中心（National Center for Environmental Prediction，NCEP）等历史气象资料驱动模拟历史时期（2000至2022年）全球BVOCs排放量，并分析BVOCs排放量的时空变化特征。除此之外，本研究通过耦合三种关于CO2对BVOCs排放过程影响机制模型，基于历史时期BVOCs年排放量和环境要素建立了结构方程模型（Structural Equation Model，SEM），阐明了不同环境要素在全球尺度上对BVOCs排放量变化的影响途径和机理，定量化表述了不同环境要素对BVOCs排放的直接和间接影响大小，从而识别出驱动历史时期BVOCs排放量变化的关键驱动因子。进一步，本研究利用第六次国际耦合模式比较计划（the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6，CMIP6）多模式气象因子和地表覆被数据，预估未来时期（2023至2100年）不同情景模式下全球BVOCs排放量，并分析其时空动态特征。采用控制变量法量化不同因子对未来时期BVOCs排放量的影响程度。本研究主要结论如下： （1） 从51个地面观测站收集了433个LAI实测值，通过改进前、改进后MODIS LAI与地面观测站LAI测量值的对比，结果表明：改进后，MODISLAI与地面观测值的R2从0.51显著提高到0.81；相应的，所有生态系统类型均有显著提升，落叶林、常绿林、草地和农田的MODIS LAI与地面观测值的R2分别从0.31，0.59，0.49和0.20，显著提升到0.75，0.63，0.85和0.39。 （2）采用ERA5-Land、GLDAS和NCEP气象数据驱动历史时期BVOCs排放量均呈现出显著增加的趋势，年际增长速率分别为4.92、14.18和6.96 Tgyr-1。全球BVOCs空间排放强度呈现自赤道高排放区向两极地区排放强度逐渐递减的总体趋势；位于20oS~20oN的BVOCs变化速率显著大于其他纬度，但相对增加速率较快的区域主要集中于北半球高纬度地区。 （3）耦合三种CO2抑制模型，SEM分析结果显示历史时期CO2浓度变化是BVOCs排放量变化的主要驱动因子，MEGAN方案下CO2对异戊二烯、萜烯类和其他类化合物的影响效应分别为65.70%，85.80%和83.20%，温度的总效应分别为73.70%，62.10%和63.50%，其中76.00%的效应来自于CO2温室效应，温度的净效应仅为17.70%，14.84%和15.24%。LAI对异戊二烯、萜烯类和其他类化合物的影响大小分别为40.20%，2.10%和4.70%，其中93.90%效应来自于CO2施肥效应。同样，考虑Possell和Arneth模型CO2抑制方案时，CO2对BVOCs的总效应最大，分别为69.90%和62.30%。从不同生态系统来看，CO2对森林、灌丛、草地、农田、湿地和荒漠生态系统BVOC排放的总效应最大。 （4）未来时期（2023至2100年）不同共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways，SSPs）下BVOCs排放结果显示，在SSP126和SSP585情景下BVOCs排放强度明显高于SSP245和SSP370情景，且在SSP585情景下未来BVOCs排放量变化速率最大，为5.82 Tg·yr-1。未来时期全球BVOCs排放强度空间格局与历史时期基本一致，且随着排放情景增强亚马逊地区BVOCs排放呈现增加速率的范围扩大。气候要素变化和LAI变化对未来BVOCs排放量均表现出显著的正效应，且高排放情景下正效应更大；而不同情景下土地覆盖变化对未来BVOCs排放量影响不同，其中BVOCs排放量在SSP126情景土地覆盖变化下逐渐增加，在SSP245和SSP370情景土地覆盖变化下逐渐降低，而在SSP585情景土地覆盖变化下先降低后升高，拐点出现在2040~2060年。在不同情景下CO2浓度导致未来时期BVOCs排放量年际变化速率分别为-0.10、-1.06、-2.07和-3.15 Tg·yr-1。 本研究通过优化模型过程和参数，构建历史时期和未来时期全球高精度的BVOCs排放数据集，并分析了全球BVOCs排放对气候变化的响应方式，研究结果可以为大气污染防治提供重要的科学依据。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 201 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209258]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 马百兵. 全球生物源可挥发性有机物排放时空特征及其对气候变化的响应研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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