1. Modeling the impacts of diffuse light fraction on photosynthesis in ORCHIDEE (v5453) land surface model
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Y. Zhang, A. Bastos, F. Maignan, D. Goll, O. Boucher, L. Li, A. Cescatti, N. Vuichard, X. Chen, C. Ammann, M. A. Arain, T. A. Black, B. Chojnicki, T. Kato, I. Mammarella, L. Montagnani, O. Roupsard, M. J. Sanz, L. Siebicke, M. Urbaniak, F. P. Vaccari, G. Wohlfahrt, W. Woodgate, P. Ciais, Laboratoire de Météorologie Dynamique (UMR 8539) (LMD), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-École des Ponts ParisTech (ENPC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Département des Géosciences - ENS Paris, École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL), Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement [Gif-sur-Yvette] (LSCE), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ), Max Planck Institute for Biogeochemistry (MPI-BGC), Max-Planck-Gesellschaft, Modélisation des Surfaces et Interfaces Continentales (MOSAIC), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ), University of Augsburg [Augsburg], Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP), European Commission - Joint Research Centre [Ispra] (JRC), Sun Yat-Sen University [Guangzhou] (SYSU), Agroscope, McMaster University [Hamilton, Ontario], University of British Columbia (UBC), Poznan University of Life Sciences (Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu) (PULS), Hokkaido University [Sapporo, Japan], University of Helsinki, Forest Services and Agency for the Environment, Autonomous Province of Bolzano, Bolzano, Italy, Free University of Bozen-Bolzano, Ecologie fonctionnelle et biogéochimie des sols et des agro-écosystèmes (UMR Eco&Sols), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), LMI IESOL Intensification Ecologique des Sols Cultivés en Afrique de l’Ouest [Dakar] (IESOL), Institut de recherche pour le développement (IRD [Sénégal]), Universidad del Pais Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea [Espagne] (UPV/EHU), Fundación Ikerbasque [Bilbao], Georg-August-University [Göttingen], Institute of Bioeconomy (IBE), Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Leopold Franzens Universität Innsbruck - University of Innsbruck, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation [Canberra] (CSIRO), University of Queensland [Brisbane], ICOS-ATC (ICOS-ATC), European Research Council (grant no. SyG-2013-610028), the ANR CLAND Convergence Institute (grant no. 16-CONV-0003), the ANR China Trend Stream, 4C project. Bogdan Cho-jnicki was supported by the National Science Foundation, Poland (grant no. UMO-2017/27/B/ST10/02228), within the framework of the 'Carbon dioxide uptake potential of sphagnum peatlands in the context of atmospheric optical parameters and climate changes' (KUSCO2) project., ANR-15-CE01-0011,CHINA-TREND-STREAM,Tendances des deux grands fleuves Chinois, effets de l'usage des sols et du changement climatique(2015), ANR-16-CONV-0003,CLAND,CLAND : Changement climatique et usage des terres(2016), INAR Physics, Micrometeorology and biogeochemical cycles, École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), University of Augsburg (UNIA), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Helsingin yliopisto = Helsingfors universitet = University of Helsinki, Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro - Montpellier SupAgro, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), Ikerbasque - Basque Foundation for Science, Georg-August-University = Georg-August-Universität Göttingen, Institute for BioEconomy [Sesto Fiorentino] (IBE | CNR), and National Research Council of Italy | Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR)
- Subjects
Lumière du jour ,0106 biological sciences ,Canopy ,010504 meteorology & atmospheric sciences ,aerosol ,Cloud cover ,Flux ,cloud cover ,Atmospheric model ,Atmospheric sciences ,01 natural sciences ,ddc:550 ,Aérosol ,cloud ,Photosynthèse ,Dispersion de la lumière ,[SDU.OCEAN]Sciences of the Universe [physics]/Ocean, Atmosphere ,U10 - Informatique, mathématiques et statistiques ,lcsh:QE1-996.5 ,General Medicine ,air quality ,air temperature ,P33 - Chimie et physique du sol ,Sciences du sol ,Carbone organique du sol ,light effect ,Eddy covariance ,atmospheric modeling ,Photosynthesis ,114 Physical sciences ,environmental impact ,Carbon cycle ,Couvert ,carbon cycle ,0105 earth and related environmental sciences ,photosynthesis ,land surface ,Primary production ,15. Life on land ,lcsh:Geology ,Modélisation ,13. Climate action ,Environmental science ,Cycle du carbone ,numerical model ,010606 plant biology & botany - Abstract
Aerosol- and cloud-induced changes in diffuselight have important impacts on the global land carbon cy-cle, as they alter light distribution and photosynthesis in veg-etation canopies. However, this effect remains poorly rep-resented or evaluated in current land surface models. Here,we add a light partitioning module and a new canopy lighttransmission module to the ORCHIDEE (Organising Car-bon and Hydrology In Dynamic Ecosystems) land surfacemodel (trunk version, v5453) and use the revised model, OR-CHIDEE_DF, to estimate the fraction of diffuse light andits effect on gross primary production (GPP) in a multilayercanopy. We evaluate the new parameterizations using fluxobservations from 159 eddy covariance sites over the globe.Our results show that, compared with the original model,ORCHIDEE_DF improves the GPP simulation under sunnyconditions and captures the observed higher photosynthe-sis under cloudier conditions in most plant functional types(PFTs). Our results also indicate that the larger GPP undercloudy conditions compared with sunny conditions is mainlydriven by increased diffuse light in the morning and in theafternoon as well as by a decreased vapor pressure deficit(VPD) and decreased air temperature at midday. The obser-vations show that the strongest positive effects of diffuse lighton photosynthesis are found in the range from 5 to 20◦C andat a VPD < 1 kPa. This effect is found to decrease when theVPD becomes too large or the temperature falls outside of theabovementioned range, which is likely due to the increasingstomatal resistance to leaf CO2uptake. ORCHIDEE_DF un-derestimates the diffuse light effect at low temperature in allPFTs and overestimates this effect at high temperature and ata high VPD in grasslands and croplands. The new model hasthe potential to better investigate the impact of large-scaleaerosol changes and long-term changes in cloudiness on theterrestrial carbon budget, both in the historical period and inthe context of future air quality policies and/or climate engi-neering This research has been supported by the Eu- ropean Research Council (grant no. SyG-2013-610028), the ANR CLAND Convergence Institute (grant no. 16-CONV-0003), the ANR China Trend Stream and the new 4C project. Bogdan Cho-jnicki was supported by the National Science Foundation, Poland (grant no. UMO-2017/27/B/ST10/02228), within the framework of the “Carbon dioxide uptake potential of sphagnum peatlands in the context of atmospheric optical parameters and climate changes” (KUSCO2) project.
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- 2020
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