Benchmarking Climate-Carbon Model Simulations against Forest FACE Data

Terrestrial carbon fluxes are an important factor in regulating concentrations of atmospheric carbon dioxide (CO2). In this study, we use a coupled climate model with interactive biogeochemistry to benchmark the simulation of net primary productivity (NPP) and its response to elevated atmospheric CO2. Short-term field experiments such as Free-Air Carbon Dioxide Enrichment (FACE) studies have examined this phenomenon but it is difficult to infer trends from only a few years of field data. Here, we employ the University of Victoria's Earth System Climate Model (UVic ESCM) version 2.8 to compare simulated changes in NPP due to an elevated atmospheric CO2 concentration of 550ppm to observed increases in NPP of 23% +/- 2% from four temperate forest FACE studies between 1997 and 2002. We further compare two scenarios: elevated CO2 with climate change, and elevated CO2 without climate change, the latter being consistent with FACE methodology. In the climate change scenario global terrestrial and forest-only NPP increased by 24.5% and 27.9%, respectively, while these increases were 21.0% and 17.2%, respectively, in the latitude band most representative of the location of the FACE studies. In the scenario without climate change, terrestrial and forest-only NPP increased instead by 28.3% and 30.6%, respectively, while these increases were 24.3% and 14.4%, respectively, in the FACE latitudes. This suggests that the model may underestimate temperate forest NPP increases when compared to results from temperate forest FACE studies and highlights the need for both increased experimental study of other forest biomes and further model development. Resume [Traduit par la redaction] Les flux de carbone terrestres sont un facteur important dans la regulation des concentrations de dioxyde de carbone (CO2) atmospherique. Dans cette etude, nous utilisons un modele climatique couple et une biogeochimie interactive pour mettre au banc d'essai la simulation de la productivite primaire nette (PPN) et sa reponse a une concentration elevee de CO2 atmospherique. Diverses experiences a court terme sur le terrain, comme le projet FACE (Free-Air Carbon Dioxide Enrichment), se sont penchees sur ce phenomene, mais il est difficile de degager des tendances avec seulement quelques annees de donnees de terrain. Ici, nous employons la version 2.8 du modele climatique du systeme terrestre de l'Universite de Victoria (UVic ESCM) pour comparer les changements simules dans la PPN resultant d'une concentration de CO2 atmospherique elevee de 550ppm aux accroissements observes de PPN de 23 +/- 2% d'apres quatre etudes FACE sur la foret temperee menees entre 1997 et 2002. Nous comparons, en outre, deux scenarios: CO2 eleve avec changement climatique et CO2 eleve sans changement climatique, ce dernier correspondant a la methodologie FACE. Dans le scenario avec changement climatique, la PPN de la terre entiere et celle de la foret seulement se sont accrues de 24,5% et 27,9%, respectivement, alors que les accroissements etaient de 21,0% et 17,2%, respectivement, dans la bande de latitudes la plus representative du lieu ou le projet FACE s'est deroule. Dans le scenario sans changement climatique, la PPN de la terre et celle de la foret seulement se sont plutot accrues de 28,3% et 30,6%, respectivement, alors que les accroissements etaient de 24,3% et 14,4%, respectivement, dans les latitudes FACE. Cela donne a penser que le modele sous-estime peut-etre les accroissements de PPN de la foret temperee comparativement aux resultats du projet FACE sur la foret temperee et met en eidence le besoin de poursuivre les etudes experimentales sur d'autres biomes forestiers et de developper davantage les modeles.