摘要
自工业革命以来，人类活动导致大气中以二氧化碳为主的温室气体不断累积，引发了全球范围的气候变化。地球系统模型（EarthSystemModels,ESMs）作为研究全球气候变化的重要工具，被广泛用于风险评估、应对气候变化等方面。然而，长期以来陆地碳循环的模拟预测不确定性一直影响着ESMs对气候变化及相关风险的评估。在过去十多年里，为减少ESMs中陆地碳循环的不确定性，科学家们在过程改进、评估工具和观测资料等方面开展了一系列研究。近十年来，陆地碳循环模拟最大的改进之一是，更多模型耦合了养分循环对陆地碳循环的调控作用。此外，模型在植被动态、生产力模拟和土壤碳循环方面也取得了很大进展。随着越来越多的过程被纳入模型，ESMs中模拟的陆地碳循环变得越来越复杂，但模型的发展与改进会如何影响陆地碳循环的模拟和预测不确定性尚不清楚。本研究拓展了陆地碳循环溯源性分析框架，并结合13套观测数据集，22个参与第五次、第六次耦合模型评估计划（CMIP5和CMIP6）的模型，首先评估了随着模型从CMIP5至CMIP6的发展过程中，历史时期陆地生态系统碳储量模拟不确定性来源的变化；其次发展了量化模型预测鲁棒性与不确定性的框架，探究了CMIP5和CMIP6模型在陆地碳源汇预测方面的鲁棒性和不确定性；最后，发展了量化陆地生态系统非平衡程度的框架，并利用碳-氮-磷耦合模型CABLE评估了耦合养分限制对陆地碳循环模拟的影响。主要结果如下： （1）CMIP5和CMIP6模拟的全球陆地碳储量分别为1936.9±739.3PgC，1774.4±439.0PgC，尽管模型间模拟分歧减小，但两代CMIP模型的模拟值都显著低于基于观测的估算值（2285±669PgC）。新一代CMIP6模型超过半数已耦合了氮循环对陆地碳循环的调控作用，且已有模型构建了不同土层深度的碳循环过程，但CMIP6模型仍旧低估了极地生态系统的碳储量。在非极地区域，模型集合模拟的碳储量平均值在观测范围内。进一步将陆地碳储量拆分为净初级生产量（NPP）和生态系统碳滞留时间（τE），发现从CMIP5到CMIP6对NPP的模拟更精确，新一代模型集合能准确模拟历史时期陆地生态系统NPP的大小及其随纬度的变化。两代模型对陆地碳储量的低估主要是模型对τE的低估导致的。在CMIP5（28.4±7.7年）和CMIP6（31.1±8.3年）中，模型集合模拟的τE均小于基于观测的估计值（35.9~52.9年）。因此，τE是主导陆地碳储量模拟不确定性的关键因子。 （2）探究了新一代CMIP6模型预测未来陆地碳源汇变化的不确定性与鲁棒性，以及这种不确定性和鲁棒性从CMIP5到CMIP6如何演变。其中，鲁棒性预测被定义为在＞50%的模型中预测信号已经从预测噪音中涌现，而不确定性预测则为模型集合的预测噪音大于预测信号。在未来三种碳排放情景下，CMIP5模型集合对陆地碳储量变化的预测几乎不存在鲁棒性。在北半球温带和寒带的森林区域，CMIP6模型对其生态系统碳储量变化的预测存在鲁棒性。在低水平碳排放情景下，CMIP6模型集合对全球陆地6.6%区域的预测具有鲁棒性。在中、高水平碳排放情景下，该比例分别为4.9%和2.7%。在未来三种碳排放情景下，CMIP6模型集合对1986-2005年至2081-2100年陆地碳储量变化的预测在近60%的陆地区域是不确定的。对于这些模型预测碳储量变化不确定性高的区域，溯源了相关不确定的过程以供未来模型改进。NPP变化驱动的碳储量变化是~50%地区的主要不确定性来源。在热带部分区域，τE变化驱动的生态系统碳储量变化主导了该区域的预测不确定性。在苔原及冻土区域，模型预测碳储量变化的不确定性来源主要是碳循环非平衡程度的变化。 （3）从CMIP5到CMIP6，影响陆地碳循环模拟和预测的不确定性发生变化的关键原因之一在于，在CMIP6中有更多的模型耦合了氮循环对陆地碳循环的调控作用。本研究基于碳-氮-磷耦合模型CABLE，发展了研究陆地生态系统碳循环非平衡程度的框架，评估了耦合养分限制对陆地碳循环模拟的影响。耦合养分限制显著降低了陆地碳循环的非平衡程度。在模型模拟的1901-2013年间，在没有养分限制情况下陆地碳循环非平衡程度大小为497.6PgC，而在考虑氮限制和氮-磷限制后，陆地碳循环非平衡程度下降至155.6PgC和124.3PgC。为深入解析其原因，将陆地碳循环非平衡程度的动态分解为稳态碳储量和瞬时态碳储量的变化。其中前者可进一步分解为由NPP驱动的变化、τE驱动的变化和NPP-τE相互作用驱动的变化。结果表明，养分限制主要通过抑制NPP驱动的稳态碳储量变化来限制非平衡程度的增加。 综上所述，本研究发展了全面的模型评估框架：对于历史时期模型的模拟，可追溯模型之间分歧的不确定性来源，及模型与观测数据偏差的不确定性来源；对于未来情景的模型预测，可区分模型预测陆地碳循环的鲁棒性变化和不确定性变化。同时，发展了研究陆地生态系统非平衡程度的框架，评估了耦合养分限制对陆地碳循环非平衡程度的影响。所发展的框架可以通用于其他模型，可帮助研究NPP、τE以及碳储量的变化如何影响碳-养分耦合在不同模型假设下的非平衡程度变化。本研究提出的框架为未来研究陆地碳循环模拟、预测不确定性提供了新的视角和思路。此外，本研究诊断了模型性能需要进一步改进的地方，为改进陆地碳循环模拟的准确性和可靠性提供了重要支持。
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