[논문 리뷰] A new version of the CABLE land surface model, incorporating land-use change, woody vegetation demography and a novel optimisation-based approach to plant coordination of photosynthesis

Vanessa Haverd, Benjamin Smith외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 14.

Plant Water Relations and Carbon Dynamics참고 문헌 58인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 농업용지 변화, 우거진 식생의 인구구조, 그리고 식물 광합성 조율을 위한 새로운 최적화 기반 접근법을 통합한 CABLE 지표면 모델의 향상된 버전을 제시한다. 공존 가설을 충족시키기 위해 전자 이동성 대 카복실화 능력 비율을 동적으로 조정함으로써, 고정 비율에 대한 의존도를 줄여 GPP 시뮬레이션을 향상시키고 CO2 비옥도 효과의 추정치를 수정한다.

ABSTRACT

CABLE is a land surface model (LSM) that can be applied stand-alone, as well as providing for land surface-atmosphere exchange within the Australian Community Climate and Earth System Simulator (ACCESS). We describe critical new developments that extend the applicability of CABLE for regional and global carbon-climate simulations, accounting for vegetation response to biophysical and anthropogenic forcings. A land-use and land-cover change module, driven by gross land-use transitions and wood harvest area was implemented, tailored to the needs of the Coupled Model Intercomparison Project-6 (CMIP6). Novel aspects include the treatment of secondary woody vegetation, which benefits from a tight coupling between the land-use module and the Population Orders Physiology (POP) module for woody demography and disturbance-mediated landscape heterogeneity. Land-use transitions and harvest associated with secondary forest tiles modify the annually-resolved patch age distribution within secondary-vegetated tiles, in turn affecting biomass accumulation and turnover rates and hence the magnitude of the secondary forest sink. Additionally, we implemented a novel approach to constrain modelled GPP consistent with the Co-ordination Hypothesis, predicted by evolutionary theory, which suggests that electron transport and Rubisco-limited rates adjust seasonally and across biomes to be co-limiting. We show that the default prior assumption - common to CABLE and other LSMs - of a fixed ratio of electron transport to carboxylation capacity is at odds with this hypothesis, and implement an alternative algorithm for dynamic optimisation of this ratio, such that co-ordination is achieved as an outcome of fitness maximisation. Results have significant implications the magnitude of the simulated CO2 fertilisation effect on photosynthesis in comparison to alternative estimates and observational proxies.

연구 동기 및 목표

• 생물물리적 및 인위적 외부력 하에서 지역 및 글로벌 수준의 탄소-기후 시뮬레이션을 위한 CABLE의 능력을 확장하기 위해.
• 伝통적인 LSM에서 고정된 전자 이동성 대 카복실화 능력 비율에 기인한 제약을 해결하기 위해.
• 다양한 생태대에서 광합성의 동시 제약을 달성하기 위한 동적이고 적합도 최대화 기반의 최적화 프레임워크를 구현하기 위해.
• 연령별 패치 추적과 수확 유도 전환을 통해 2차 숲의 역학을 향상시켜 표현하기 위해.
• 새로운 알고리즘적 접근을 통해 모델링된 GPP를 진화 이론, 특히 공존 가설과 일치시키기 위해.

제안 방법

• CMIP6에 적합하도록 설계된 총 전환과 목재 수확 데이터를 기반으로 하는 농업용지 및 지형 변화 모듈을 통합하였다.
• 우거진 식생의 인구구조와 간섭 유도 이질성을 시뮬레이션하기 위해 농업용지 모듈을 인구순서생리학(POP) 모듈과 결합하였다.
• 2차 식생 타일의 연간 해상도를 갖춘 패치 연령 분포를 도입하여 생물량 축적과 전환을 추적하였다.
• 광합성의 동시 제약을 달성하기 위해 전자 이동성 대 카복실화 능력 비율을 동적으로 조정하는 동적 최적화 알고리즘을 개발하였다.
• 적합도 최대화 문제로 최적화를 공식화하여, 다양한 생태대와 계절에 걸쳐 전자 이동성과 Rubisco 제한 속도가 동시 제약을 받도록 보장하였다.
• CABLE의 기본 고정 비율 가정을 생물학적 원칙에서 유도된 가변적이고 최적화된 비율로 대체하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광합성 조율의 동적 최적화가 기존 LSM에서의 고정 비율 가정에 비해 GPP 시뮬레이션에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 농업용지 변화와 2차 숲 역학이 CABLE에서 시뮬레이션된 탄소 흡수에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 우거진 식생의 인구구조가 생물량 전환과 탄소 저장의 표현에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공존 가설의 통합이 업데이트된 CABLE 모델에서 CO2 비옥도 효과의 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 적합도 기반 최적화 프레임워크가 경험적 또는 고정 비율 접근법에 비해 계절적 및 생태대별 광합성 조율을 더 잘 표현할 수 있는가?

주요 결과

• 전자 이동성 대 카복실화 능력 비율의 동적 최적화는 다양한 생태대와 계절에 걸쳐 광합성의 공존 조율을 더 현실적으로 표현한다.
• 이전 CABLE 버전에 비해 시뮬레이션된 CO2 비옥도 효과가 유의미하게 감소하여 관측 기반 추정치와 더 잘 일치한다.
• 연령별 동적 특성을 갖춘 2차 숲 패치는 생물량 축적과 전환의 변동성을 보이며, 2차 숲 탄소 흡수의 표현을 향상시킨다.
• 농업용지 전환과 우거진 식생 인구구조 간의 밀접한 결합은 경관 이질성과 탄소 순환 피드백을 향상시킨다.
• 최적화를 통한 공존 가설 구현은 특히 열대 및 온대 생태대에서 GPP 시뮬레이션의 모델 편향을 감소시킨다.
• 새로운 CABLE 버전은 지구시스템모델에서 기후 및 농업용지 변화에 대한 식생 반응을 보다 생물물리적으로 일관된 프레임워크로 시뮬레이션할 수 있도록 한다.