土地利用模式比較計(jì)劃(LUMIP)簡評

華文劍,劉殊瑜,陳海山

摘要 為進(jìn)一步促進(jìn)土地利用和土地覆蓋變化（Land-Use and Land-Cover Change，LULCC）以及土地管理對氣候影響的理解，第六次國際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP6）設(shè)立了土地利用模式比較計(jì)劃（LUMIP）。該計(jì)劃主要包括兩個(gè)階段的試驗(yàn)設(shè)計(jì)：第一階段涉及理想的毀林情景耦合試驗(yàn)和陸面模式模擬試驗(yàn)，旨在促進(jìn)LULCC對氣候影響過程的理解，并量化模式對LULCC的敏感性。第二階段的試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注土地利用變化的歷史影響，以及未來土地管理決策在減緩氣候變化方面的潛力。本文概述了其科學(xué)背景、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方案、參與模式情況等，并簡評了該計(jì)劃的研究意義和特色，以期讀者迅速了解其相關(guān)的研究要點(diǎn)和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 土地利用模式比較計(jì)劃（LUMIP）;土地利用和土地覆蓋變化;土地管理;氣候變化減緩

歷史時(shí)期的土地利用和土地覆蓋變化（Land-Use and Land-Cover Change，LULCC）極大地改變了陸地表面，直接影響氣候和生態(tài)系統(tǒng)（Foley et al.，2005;Hua et al.，2017）。LULCC對全球和區(qū)域氣候的影響已經(jīng)取得了諸多共識（李巧萍和丁一匯，2004;陳海山等，2006;Pielke et al.，2011;華文劍等，2014;Mahmood et al.，2014）。觀測和模擬研究都證實(shí)，毀林會導(dǎo)致高緯度降溫和熱帶地區(qū)升溫，但是中緯度地區(qū)的響應(yīng)存在不確定性（Bonan，2008;Lee et al.，2011;Li et al.，2015;華文劍和陳海山，2013a;李婧華等，2013;王大山等，2020）。雖然LULCC對全球平均溫度的影響較小，但是在區(qū)域尺度上，LULCC產(chǎn)生的影響可以與溫室效應(yīng)相比擬（Arora and Montenegro，2011;Hua et al.，2015）。LULCC對生物地球化學(xué)過程的影響與LULCC產(chǎn)生的溫室氣體排放有關(guān)。模式估算，LULCC的凈碳通量（如毀林/森林再生過程中植被與大氣之間的CO2交換等）約占了歷史大氣CO2濃度增長的25%。但是，LULCC對全球碳排放貢獻(xiàn)的估計(jì)仍存在很大的不確定性（Ciais et al.，2013）。

與此同時(shí)，土地管理方式（Land Management Change，LMC）的迅速發(fā)展和改變對氣候的影響可能與LULCC變化本身影響的程度類似（Luyssaert et al.，2014）。土地管理方式的變化主要是指在普通農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)上進(jìn)行諸如灌溉、雙作、免耕等一系列保障土地高效并可持續(xù)利用的方式。LMC可以通過改變地表反照率、蒸散發(fā)以及局地生物量等途徑影響區(qū)域能量、水循環(huán)以及碳通量的變化（Davin et al.，2014;Gray et al.，2014;Mueller et al.，2016）。隨著LMC對氣候和碳循環(huán)影響研究的不斷深入，實(shí)施特定的土地管理方式是否能為區(qū)域或全球氣候減緩提供支撐是亟待解決的科學(xué)問題。

近年來，土地利用與氣候變化耦合作用的科學(xué)認(rèn)知取得很大進(jìn)步（賈根鎖，2020）。隨著人類社會對能源和衣食住行日益增長的需求，未來土地利用活動及其影響可能進(jìn)一步加強(qiáng)擴(kuò)大（華文劍等，2015）。因此，理解有關(guān)LULCC的問題，是氣候變化研究領(lǐng)域的國際前沿問題。第六次國際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP6）（Eyring et al.，2016）專門設(shè)立了以土地利用為重點(diǎn)的研究子計(jì)劃，即土地利用模式比較計(jì)劃（LUMIP）（Lawrence et al.，2016）。它的主要目的是：1）促進(jìn)更好地理解LULCC對歷史和未來氣候和生物地球化學(xué)循環(huán)的影響;2）探討土地管理對陸地水、熱、碳的影響，以及回答區(qū)域土地管理戰(zhàn)略是否有望緩解氣候變化。LUMIP包含了三類科學(xué)活動：一是開發(fā)一套新的全球網(wǎng)格化的歷史和未來土地利用數(shù)據(jù)集（Hurtt et al.，2020）;二是針對CMIP6的LUMIP特定模擬試驗(yàn)計(jì)劃;三是制定相關(guān)模式模擬和敏感性定量評估的診斷計(jì)劃。本文主要介紹第二類科學(xué)活動，關(guān)于LUMIP試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1 LUMIP計(jì)劃概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

LUMIP的模擬試驗(yàn)計(jì)劃包含兩階段、分層的設(shè)計(jì)框架：1）理想化的毀林情景耦合試驗(yàn)。這種試驗(yàn)的目的是理解毀林這種極端土地覆蓋變化的影響，并量化模式對生物地球物理和生物地球化學(xué)過程影響的敏感性。第一階段的試驗(yàn)還包括了多組陸面模式模擬方案的設(shè)計(jì)，用于評估陸-氣通量對LULCC強(qiáng)迫的響應(yīng)，以及探討土地利用和管理方式的影響。在理想化的毀林試驗(yàn)中利用的是耦合模式，而陸面離線模擬試驗(yàn)中不考慮大氣的反饋，只改變LULCC的不同方式（表1）;2）階段二試驗(yàn)?zāi)康氖橇炕疞ULCC的歷史影響，以及未來土地管理決策作為緩解氣候變化方面的潛力。這一階段的試驗(yàn)也利用了陸面離線模擬試驗(yàn)和耦合試驗(yàn)，包括固定LULCC的歷史氣候模擬和包含不同未來LULCC情景的試驗(yàn)。

所有的LUMIP模擬都需要有基準(zhǔn)或者參照試驗(yàn)做對比，用以研究土地利用和氣候變化問題。其中，工業(yè)革命前參照試驗(yàn)（piControl）和CMIP6歷史氣候模擬試驗(yàn)（historical）是大多數(shù)LUMIP試驗(yàn)的基準(zhǔn)（表1）。piControl試驗(yàn)是指所有的外強(qiáng)迫（包括土地利用）維持在1850年水平的耦合試驗(yàn)，在固定土地利用情景下，任何土地管理（如灌溉、施肥）也需保持同一水平。historical是從piControl試驗(yàn)的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)啟動，在基于觀測的各種外強(qiáng)迫（包括溫室氣體、人為和火山氣溶膠、太陽活動、土地利用和土地覆蓋變化等）驅(qū)動下進(jìn)行的1850—2014年的歷史氣候模擬。

1.1.1 階段1試驗(yàn)

階段1包含兩組試驗(yàn)：1）理想化的毀林試驗(yàn)（deforest-glob），主要用于分析生物地球物理和生物地球化學(xué)過程對毀林的響應(yīng)及其相關(guān)的氣候變化;2）陸面過程離線（offline）試驗(yàn)，用于評估碳、水和能量過程對LULCC的響應(yīng)（表1）。

deforest-glob試驗(yàn)，是理想化的毀林試驗(yàn)，該試驗(yàn)從piControl中的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)啟動，至少運(yùn)行80 a。其中，2 000萬平方千米的森林面積在前50 a的時(shí)間內(nèi)以40萬平方千米的線性遞減率轉(zhuǎn)換為天然草地，其后的30 a為恒定的森林覆蓋狀況。為了將主要森林覆蓋的模式單元網(wǎng)格的毀林試驗(yàn)集中起來，毀林限制在全球森林覆蓋面積最高的30%的模式網(wǎng)格單元內(nèi)。實(shí)際上，毀林發(fā)生的區(qū)域主要位于熱帶雨林和北方中高緯地區(qū)。每個(gè)模式初始的森林覆蓋率可能不同，但是由于使用相同的毀林試驗(yàn)方案，所得到的森林覆蓋變化非常相似。

land-only離線試驗(yàn)，在該組試驗(yàn)框架下，第一級核心試驗(yàn)是land-hist（表1），land-hist包含與CMIP6 historical試驗(yàn)中相同的土地覆蓋、土地利用和土地管理信息（土地利用是逐年變化的，強(qiáng)迫數(shù)據(jù)由CMIP6提供，具體LULCC強(qiáng)迫數(shù)據(jù)參見Hurtt et al.（2020））。第1級還包括land-hist-altStartYear和land-noLu試驗(yàn)，其余為第2級試驗(yàn)（表1）。這一系列的試驗(yàn)利用國際上先進(jìn)的陸面過程模式，旨在詳細(xì)評估LULCC和土地管理的具體措施對水熱碳循環(huán)的影響。另外，land-only離線試驗(yàn)也可為CMIP6歷史耦合模擬提供背景。例如，land-hist和land-noLu試驗(yàn)?zāi)軌蚍蛛xLULCC的強(qiáng)迫作用（LULCC引起水、熱和碳通量的變化）和影響（LULCC引起的地表通量變化導(dǎo)致的溫度和降水等變化），盡管耦合模式和觀測的氣候強(qiáng)迫的差異需要考慮在內(nèi)。

1.1.2 階段2試驗(yàn)

LUMIP第二階段的試驗(yàn)主要是基于多模式模擬量化歷史LULCC對氣候和碳循環(huán)的影響，以及評估土地管理作為減緩氣候變化措施的潛力。與階段1類似，這組試驗(yàn)不僅包含了陸面離線試驗(yàn)，也有歷史和未來情景耦合模擬。

hist-noLu試驗(yàn)，與CMIP6歷史氣候模擬試驗(yàn)類似，但是土地利用和管理方式保持1850年的水平不變，這與piControl試驗(yàn)中對土地利用的設(shè)置一樣。通過與historical試驗(yàn)的比較，可以分離土地利用變化對氣候的生物地球物理過程的影響，以及可以得到LULCC引起凈碳通量的變化。

未來土地利用政策敏感性試驗(yàn)，這組試驗(yàn)是ScenarioMIP（O’Neill et al.，2016）和C4MIP（Jones et al.，2016）的衍生物。其中，ScenarioMIP是基于不同共享社會經(jīng)濟(jì)路徑（SSP）可能發(fā)生的能源結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的人為排放及土地利用變化，設(shè)計(jì)了一些濃度驅(qū)動（concentration-driven）的情景預(yù)估試驗(yàn)（如ssp370、ssp126），而C4MIP包含了基于排放驅(qū)動（emissions-driven）的情景預(yù)估試驗(yàn)（如esm-ssp585）。在LUMIP試驗(yàn)框架下，ssp370-ssp126Lu與ssp370類似（都是基于可能發(fā)生的能源結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的未來人為排放的預(yù)估情景），但是土地利用情景用ssp126的給定;ssp126-ssp370Lu與ssp126類似，但是土地利用情景用ssp370的給定;而esm-ssp585-ssp126Lu與esm-ssp585類似，除土地利用強(qiáng)迫用ssp126中的情景給定。在ssp370和ssp126試驗(yàn)中，土地利用情景差別很大，前者代表比較強(qiáng)的森林砍伐/毀林情景，而后者包括顯著的造林情形。這些試驗(yàn)可以用以分析未來LULCC的生物地球物理過程影響，并且能評估LULCC和土地管理的潛在區(qū)域氣候減緩能力。即在不同的氣候變化水平和二氧化碳濃度情景下，LULCC的影響在多大程度上體現(xiàn)差異，如何考慮土地管理作為一種氣候減緩手段加以利用。

1.2 參與模式

目前國際上參與LUMIP的氣候/地球系統(tǒng)模式有20個(gè)（如表2所示）。其中，美國和法國參與該計(jì)劃的模式數(shù)量最多，都是4個(gè)。中國有2個(gè)模式參與，包括國家（北京）氣候中心BCC-CSM2-MR氣候系統(tǒng)模式和中國科學(xué)院FGOALS-g3氣候系統(tǒng)模式。

2 LUMIP評述和展望

2.1 計(jì)劃評述

LUMIP主要科學(xué)目標(biāo)是量化LULCC對過去和未來生物地球物理和生物地球化學(xué)循環(huán)的影響，并評估改變土地管理機(jī)制對減緩氣候變化的潛力。LUMIP通過協(xié)調(diào)多模式數(shù)值試驗(yàn)，在相同的試驗(yàn)設(shè)計(jì)框架下更深入、更復(fù)雜地處理氣候變化歸因、不確定性及其他相關(guān)問題，特別注重分離和量化LULCC在全強(qiáng)迫中的貢獻(xiàn);LULCC的生物地球物理和生物地球化學(xué)效應(yīng)的相對貢獻(xiàn);土地覆蓋變化與土地管理方式改變的影響;陸氣耦合強(qiáng)度對LULCC氣候效應(yīng)的調(diào)節(jié)作用，以及過去和未來LULCC對生物地球化學(xué)循環(huán)影響的調(diào)節(jié)程度。

另一方面，LUMIP可以聯(lián)合CMIP6的DECK試驗(yàn)和historical試驗(yàn)，以及其他模式比較計(jì)劃（包括ScenarioMIP、C4MIP、LS3MIP和DAMIP），更好地評估土地利用和氣候變化問題。例如，LUMIP結(jié)合LS3MIP（陸面、積雪和土壤濕度模式比較計(jì)劃，van den Hurk et al.，2016）關(guān)于陸面過程模擬的比較，可以區(qū)分LULCC或者土地管理方式的改變對氣候變化的貢獻(xiàn)。盡管耦合模式和觀測的氣候強(qiáng)迫的差異需要考慮，陸面過程離線模擬可以對LULCC影響陸面過程進(jìn)行更詳細(xì)的量化。LUMIP結(jié)合ScenarioMIP和C4MIP的試驗(yàn)，可以評估在未來不同增暖情景下改變土地管理對氣候減緩的貢獻(xiàn)。LUMIP結(jié)合檢測歸因模式比較計(jì)劃（DAMIP）（Gillett et al.，2016）的試驗(yàn)，可以區(qū)分不同外強(qiáng)迫因子的貢獻(xiàn)，以及評估輻射強(qiáng)迫的不確定性。

2.2 總結(jié)和展望

LULCC是地球系統(tǒng)一個(gè)重要的外強(qiáng)迫因子。LULCC對氣候的影響是多樣的，雖然不確定，但其影響足夠大和復(fù)雜。因此，有必要在CMIP6內(nèi)擴(kuò)大以土地利用為重點(diǎn)的研究活動，LUMIP應(yīng)運(yùn)而生。LUMIP包含2組主要的試驗(yàn)：分別關(guān)注土地覆蓋和土地管理方式的改變?nèi)绾斡绊懰?、熱、碳循環(huán)對土地利用變化的響應(yīng)，以及關(guān)注歷史和未來LULCC的影響。試驗(yàn)被進(jìn)一步劃分為2個(gè)層級，對耦合和離線模擬的設(shè)定以及考慮不同的土地覆蓋和土地管理方式的變化，有助于將LULCC引起的變化從大氣反饋和響應(yīng)中分離，進(jìn)一步認(rèn)識土地管理作為減緩氣候變化措施的潛力。

由于地球氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性，利用數(shù)值模式研究土地利用與氣候反饋是重要的手段。但是，不同的模式對LULCC的響應(yīng)存在很大的不確定性。CMIP5（Kumar et al.，2013）、LUCID（Land-Use and Climate，Identification of Robust Impacts）（Pitman et al.，2009;de Noblet-Ducoudré et al.，2012）和LUCAS（Land Use and Climate Across Scales）（Davin et al.，2020）模式比較計(jì)劃已經(jīng)證實(shí)了這樣的結(jié)論：即使在相同的LULCC強(qiáng)迫下，不同的模式也會存在很大區(qū)別。這就需要不斷改進(jìn)陸面過程模型，尤其是LULCC的模擬響應(yīng)。LUMIP也將制定關(guān)于LULCC的衡量標(biāo)準(zhǔn)和分析指標(biāo)，以促進(jìn)模式性能的發(fā)展。比如，在統(tǒng)一框架下量化LULCC和土地管理對氣候和碳循環(huán)的影響，尤其是關(guān)于LULCC引起凈碳通量的計(jì)算，同時(shí)也包括輻射強(qiáng)迫的診斷，以及LULCC對極端氣候影響的評估。另外，也需要評估陸氣耦合強(qiáng)度與LULCC對氣候影響之間的相互關(guān)系，并確定模式之間陸氣耦合強(qiáng)度的差異在多大程度上會導(dǎo)致模擬LULCC影響的差異。

值得注意的是，觀測和模式模擬結(jié)果（CMIP5和LUCID比較計(jì)劃下的模擬試驗(yàn)）之間存在很大的分歧（Chen and Dirmeyer，2020），尤其是在中緯度地區(qū)（de Noblet-Ducoudré et al.，2012;Lejeune et al.，2017）。這就需要LUMIP的試驗(yàn)結(jié)果與觀測證據(jù)相調(diào)和。例如，氣候模式或者地球系統(tǒng)模式分辨率較粗，無法直接與觀測結(jié)果相比，就需要次網(wǎng)格（Subgrid）層面的分析和研究，LUMIP通過協(xié)調(diào)所需要的模式模擬，輸出包括次網(wǎng)格信息的數(shù)據(jù)，以便更加詳細(xì)地分析土地利用引起的變化。為了更加詳細(xì)地分析LULCC引起的地表狀況的異質(zhì)性特征，LUMIP計(jì)劃要求對次網(wǎng)格的信息或者選定的關(guān)鍵變量進(jìn)行四類土地利用類別分類，包括：森林、草原和裸土，農(nóng)田，牧場和城市。這些不同的地表分類的特征變量描述了次網(wǎng)格信息及其隨時(shí)間變化，生物地球物理過程，以及生物地球化學(xué)過程（包括碳傳輸和碳儲存等）。另一方面，模擬結(jié)果與觀測結(jié)果的不一致也與當(dāng)前陸面過程模式對物理過程的描述和參數(shù)化問題有關(guān)，例如，LULCC導(dǎo)致的潛熱和感熱通量之間的分配變化（Li et al.，2018）。另外，大氣反饋（Chen and Dirmeyer，2020）和氣候背景場（華文劍和陳海山，2013b）也會對觀測和模擬結(jié)果的差異造成影響。

LUMIP的數(shù)據(jù)通過地球系統(tǒng)網(wǎng)格聯(lián)盟（ESGF）發(fā)布，供國內(nèi)外學(xué)者下載使用。目前，基于CMIP6-LUMIP的試驗(yàn)結(jié)果，國際上已經(jīng)開展了全球毀林的響應(yīng)研究（Boysen et al.，2020）和土壤固碳的模擬研究（Ito et al.，2020）。通過理想化的毀林試驗(yàn)（deforest-glob）發(fā)現(xiàn)，毀林會使得全球平均溫度降低0.22 ℃（多模式平均結(jié)果），而熱帶和中緯度溫度響應(yīng)符號相反的臨界緯度大約在23°N（23°N以南毀林使得溫度升高，而23°N以北溫度降低）。如果考慮毀林的生物地球化學(xué)過程在內(nèi)，毀林會使得全球溫度升高約0.24 ℃（Boysen et al.，2020）。這些新工作的開展為LULCC研究提供重要參考，也為促進(jìn)模式的發(fā)展和完善提供有力支撐。

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Short commentary on Land Use Model Intercomparison Project （LUMIP）

HUA Wenjian1，2，LIU Shuyu2，CHEN Haishan1，2

1Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME）/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change （ILCEC）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China;

2School of Atmospheric Sciences，Nanjing University of information Science and Technology，Nanjing 210044，China

CMIP6 has endorsed the Land Use Model Intercomparison Project （LUMIP） to further understand the impacts of land-use and land-cover change （LULCC） and land management on climate and biogeochemical processes.The LUMIP experimental design consists of two phases.During Phase 1，an idealized coupled deforestation scenario and land-only model simulations are used to advance understanding of LULCC impacts on climate，as well as to quantify model sensitivity to potential land-cover and land-use changes.During phase two，experiments will quantify the historical impacts of land use and determine the potential for future land management decisions to help mitigate climate change.The purpose of this paper is to describe the scientific background，experimental protocol，and involved models of the LUMIP，and to evaluate its importance and significance.In this paper，we hope to provide a quick overview of its relevant research highlights and development directions.

Land Use Model Intercomparison Project （LUMIP）;land-use and land-cover change;land management;climate change mitigation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20210413001

（責(zé)任編輯：劉菲）