基于Penman-Monteith-Leuning遥感模型的西南喀斯特区域蒸散发估算

西南喀斯特地区地形起伏大、土壤保水持水性差、生态环境脆弱.准确估算区域尺度蒸散发对研究喀斯特地区植被恢复、水资源管理等具有重要意义.本文以桂西北喀斯特植被恢复区为例,基于野外实测气象和蒸散发数据,采用最小二乘法对Penman-Monteith-Leuning(PML)模型中气孔导度土壤湿度指数进行参数优化,并结合MOD15A2叶面积指数进行空间外推,实现了区域尺度上长时序蒸散发的估算.结果表明: 研究区蒸散发模拟值与实测值有较好的一致性,模型确定系数、纳什系数和均方根误差分别为0.85、0.75和1.56 mm·d^-1.蒸散发表现出季节变化特征,并与植被生长季物候特征一致,夏季蒸散量达到峰值.研究区年蒸散量在534～1035 mm,陆面蒸散发的空间分布呈现差异性,受降水的空间分布影响较大.年蒸散发可能不仅受到降水因素的影响,还与人类活动和土地利用类型有关.     

河套灌区蒸散发时空变化特征及驱动力分析

蒸散发(Evapotranspiration, ET)是陆地与大气系统中水循环与能量交换的重要因素。为了提高估算区域尺度ET的精度, 更加准确的为气候演变研究、水资源管理、环境保护等提供现实数据与理论支撑, 论文基于2017—2018年Landsat8 OLI遥感影像与气象站数据, 运用SEBS (Surface Energy Balance System)模型估算河套灌区日尺度蒸散发, 采用Penman-Monteith公式计算结果对其进行精度验证, 并探讨其时空变化特征及驱动力。结果表明: (1) SEBS模型估算值与彭曼公式计算的5个气象站的平均相对误差分别为15.07%、17.94%、16.17%、9.93%、13.18%, 表明估算研究区日尺度蒸散发可以基于SEBS模型实现, 并且估算效果较好。(2)研究区内ET空间上呈现纬度递减变化, ET随着纬度的降低呈增大的趋势。(3)基于SEBS模型得到的日蒸散量与NDVI、地表反照率、地表温度等3个地表参数拟合系数从大到小依次排序为: 地表温度＞地表反照率＞NDVI。(4)日尺度SEBS模型得到的蒸散发与气象因素进行主成分分析, 与第一主成分密切相关的驱动因子为气温, 方差贡献率为40.434%。综合可见, SEBS模型能够很好的对河套灌区蒸散发进行模拟, 模拟潜在蒸散发量具有明显的年内分配特征, 在4—10月中整体表现为先增大再减小趋势, ET最高值出现在7月, ET的主要特征影响因子为气温。     

基于遥感和Penman-Monteith模型的内陆河流域不同生态系统蒸散发估算

遥感数据具有很好的时空连续性,它是区域蒸散发通量估算的有效方法。引入了一个简单的具有生物物理基础的Penman-Monteith(P-M)模型,分别利用黑河流域高寒草地阿柔站和干旱区农田盈科站2008—2009年的气象数据和MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)叶面积指数(LAI),实现了2008—2009年日蒸散发的估算,并同时实现了对植被蒸腾和土壤蒸发的分别估算。结果表明,利用P-M公式模拟的蒸散发与实测的蒸散发具有较好的一致性,日蒸散发模拟的决定系数(R2)超过0.8。估算的高寒草甸和干旱区农田玉米全年平均的蒸腾分别为0.78 mm/d和1.20 mm/d,分别占总蒸散发的60%和61%,土壤蒸发分别为0.53和0.77 mm/d,占总蒸发的40%和39%。可见两种生态系统的作物蒸腾均强于土壤蒸发,同时农田玉米蒸腾强于高寒草甸蒸腾。研究结果证明了基于遥感的P-M公式可以很好地实现对高寒草地和干旱区农田生态系统蒸散发的估算。通过考虑土壤水分变化对气孔导度的影响,可以提高模型对农田蒸散发的模拟精度。     

黑河上游天涝池流域草地蒸散发特征及蒸发皿系数研究

选择黑河上游天涝池流域为研究区, 利用Lysimeter 蒸散仪和蒸发皿, 对亚高山草地蒸散发和水面蒸发进行实际观测。结果表明: 在月尺度上, 从4 年的平均看, 6 月最大, 其次是8 月, 7 月最小; 6、7 和8 月的日均蒸散发量都是在2013年最大, 其次为2011 年, 然后是2014 年, 2012 年最小; 2011 和2012 年中, 每月的日均蒸散发量大小顺序为6 月>8 月>7 月;在2013 年中, 8 月份日均蒸散发量最大, 其次为6 月份, 7 月份的日均蒸散发量最小; 但在2014 年中, 7 月份的日均蒸散发量最大, 8 月份和6 月份的相对较小。草地日均蒸散发量成波动状态, 与降雨有一定的关系, 降雨在一天内出现的时间不同, 对蒸散发的影响也不尽相同。日蒸散发量与环境因子之间的相关关系为: 风速>饱和水汽压差>相对湿度>净辐射, R² 分别为0.4174、0.3598、0.3461 和0.3322, 四个气象因子对日蒸散发量都有较大的影响。通过对典型晴天下小时尺度实际蒸散发量与蒸发皿蒸散发量的关系的分析, 将蒸发皿系数分为8:00-14:00 和14:00-20:00 两个时间段和8:00-20:00 整个时间段来计算, 8:00- 14:00 和14:00-20:00 时间段的蒸发皿系数分别大于1 和小于1, 而8:00-20:00 整个时间段蒸发皿系数小于1。     

基于Shuttleworth-Wallace模型的科尔沁沙地流动半流动沙丘蒸散发模拟

陆面蒸散发在气候调节和维持区域水量平衡中起关键作用.量化蒸散发及其各组分项,对深刻揭示干旱半干旱地区的生态水文过程具有重要意义.本研究基于科尔沁沙地流动半流动沙丘2017年生长季气象监测系统的原位监测数据,利用Shuttleworth-Wallace(S-W)模型对沙丘蒸散发进行模拟,在此基础上,对蒸散各组分进行拆分,并利用涡度相关对模拟蒸散发值进行验证.结果表明: 整个生长季模型模拟蒸散发值为308 mm,涡度相关实测值为296 mm,偏差较小,证明S-W模型适用于该地区的蒸散发模拟.蒸散发整体呈生长旺盛期>生长后期>生长初期,分别为192、71和45 mm,分别占总量的62.3%、23.1%和14.6%.日尺度上模型模拟值与实测蒸散发值一致性较高,模型模拟精度大体表现为: 晴天>阴天>雨天,且阴雨天模型模拟值较涡度相关实测值偏低.经拆分,土壤蒸发和植被蒸腾分别为176和132 mm,分别占总量的57.1%和42.9%,表明沙地水分利用效率较低.持续干旱和降水后,蒸散发规律明显不同,且土壤蒸发对降水的敏感性强于植被蒸腾.     

陆地水-碳耦合模拟研究进展

在全球气候变化和水资源危机背景下,人类对土地、森林和水资源的适应性管理需求推动了生态系统水、碳耦合与制约关系的研究.在多时空尺度上研究水、碳耦合关系、以及探讨全球变化下生态系统水、碳平衡及其相互响应机制是现阶段的研究热点.本文在综述不同尺度水、碳耦合关系的基础上,探讨了其中关键过程与参数的涵义和测算方法,分析了大尺度上基于遥感技术的蒸散发模型的构建及其对水碳耦合研究的重要性,最后展望了多源数据同化技术等在未来气候变化背景下水碳耦合模拟中的应用.     

基于FORCCHN模型的中国典型森林生态系统碳通量模拟

森林生态系统是陆地碳循环的重要组成部分,其固碳能力显著高于其他陆地生态系统,研究森林生态系统碳通量是认识和理解全球变化对碳循环影响的关键。碳循环模型是研究森林生态系统碳通量有效工具。以长白山温带落叶阔叶林、千烟洲亚热带常绿针叶林、鼎湖山亚热带常绿阔叶林和西双版纳热带雨林等4种中国典型森林生态系统为研究对象,利用涡度相关2003-2012年观测数据,评估FORCCHN模型对生态系统呼吸（ER）,总初级生产力（GPP）,净生态系统生产力（NEP）的模型效果。结果表明：（1） FORCCHN模型能够较好的模拟中国4种典型森林生态系统不同时间尺度的碳通量。落叶阔叶林和常绿针叶林ER和GPP的逐日变化模拟效果较好（ER的相关系数分别为0.94和0.92,GPP的相关系数分别为0.86和0.74）;（2）4种森林生态系统碳通量季节动态模拟值和观测值显著相关（P<0.01）,ER、GPP、NEP的观测值和模拟值的R²分别为0.77-0.93、0.54-0.88和0.15-0.38;模型可以很好地模拟森林生态系统不同季节碳汇（NEP>0）,碳源（NEP<0）的变化规律;（3）4种森林生态系统碳通量模拟值与观测值的年际变化有很好的吻合度,但在数值大小上存在差异,模型高估了常绿阔叶林的ER和GPP,略微低估了其他3种森林生态系统ER和GPP。     

基于Biome-BGC模型和集合卡尔曼滤波方法的阔叶红松林生态系统水碳通量模拟

数据同化为模型与遥感观测结合提供了一条有效的途径,通过在模型运行过程中融入遥感观测数据,调整模型运行轨迹从而降低模型误差,提高模拟精度。本文利用集合卡尔曼滤波(En KF)算法同化生长季中分辨率成像光谱仪(MODIS)叶面积指数(LAI)与Biome-BGC模型模拟的LAI模拟长白山阔叶红松林的水碳通量。同时,通过改进模拟的雪面升华与土壤温度计算方法的参数,旨在降低冬季生态呼吸的模拟误差。结果表明,相对于原始模型,数据同化与模型改进后使得生态系统总初级生产力(GPP)的模拟值与观测值之间的相关系数提高0.06,中心化均方根误差(RMSE)降低0.48 g C·m~(-2)·d~(-1);生态系统呼吸(RE)的相关系数提高0.02,中心化均方根误差降低0.20 g C·m~(-2)·d~(-1);净生态系统碳交换量(NEE)相关系数提高0.35,中心化均方根误差降低0.50 g C·m~(-2)·d~(-1)。同时,数据同化对蒸散发(ET)的模拟精度没有显著影响,改进的模型提高了其相关系数。基于En KF算法的数据同化提高了长白山阔叶红松林碳通量模拟精度,对于精确估算区域碳通量有着重要的意义。     

大兴安岭地区森林雷击火与闪电的关系

林火是森林生态系统的重要影响因子.随着全球气候变暖,林火,特别是雷击火有增多的趋势.本文对我国东北大兴安岭地区1966-2007年的林火数据及相应的闪电和气象资料进行分析.结果表明:1966-2007年,该地区雷击火的次数及其过火面积都呈显著增加趋势.影响雷击火的气象条件与研究时间尺度有关,年尺度的雷击火与降水显著相关,相关系数达-0.489;月尺度的雷击火则与气温显著相关,相关系数为0.18.雷击火与闪电的关系也与时间尺度有关,年尺度的雷击火与闪电关系不明显,受降水影响较大;月尺度的雷击火与闪电具有较好的相关性,且受降水的影响;日尺度的雷击火在降水量＞5 mm时与闪电关系不明显,但当降水量＜5 mm时,雷击火与闪电次数呈正相关.据此,发展了基于闪电定位仪数据的火险指数算法以及大兴安岭地区的森林雷击火预报模型.经2005-2007年雷击火验证,该模型的预报准确率＞80％.     

南京地区蒸散发降尺度研究--基于增强型时空自适应反射融合模型

蒸散发是水文循环的重要组成部分,获取高时空分辨率的数据能够更加精细化蒸散发的时空变化规律,对于水资源管理、生态水文过程量化具有重要意义。由于单一传感器反演的蒸散发无法同时具有高空间和高时间分辨率,以南京地区为例,首先结合Landsat-8遥感影像数据和气象数据,采用基于能量平衡原理的SEBS模型估算日蒸散量。在此基础上,选取典型区域采用基于增强型时空自适应反射融合模型(ESTARFM)将估算的蒸散发结果与低空间分辨率的MOD16A2蒸散发产品数据进行时空融合降尺度研究,并评价模型的融合精度。结果表明:(1)SEBS模型估算的蒸散发结果与蒸发皿折算后的数据、MOD16A2产品数据的平均相对误差分别为0.14 mm/d和0.22 mm/d。(2)南京地区蒸散量季节差异明显,表现为夏季＞秋季＞冬季;各区在夏季的日平均蒸散量差异也较大,六合区蒸散量最大,秦淮区最小;另外,蒸散量分布受土地利用类型的影响,总体上表现为水域＞林地＞耕地＞草地＞其他,且植被覆盖度较高的区域蒸散量较大。(3)基于ESTARFM模型融合的蒸散发结果与基于Landsat-8遥感影像反演的蒸散发数据在空间分布上具有相似性,二者相关系数为0.74。在全球气候变化的背景下,本研究可为蒸散发数据集时空分辨率的提高提供参考,同时也能够为南京地区水循环过程和水资源管理研究提供数据支撑。     

2000-2015年中国陆地生态系统蒸散时空变化及其影响因素

准确量化区域蒸散时空格局及其影响因素对理解陆地生态系统碳水循环具有十分重要的意义。近年来中国经历了严重的空气污染及气候波动,亟须探讨蒸散的时空变化及其影响因素。基于PT-JPL（Priestly-Taylor Jet Propulsion Laboratory）模型,集成遥感数据和气象数据模拟了中国陆地生态系统2000-2015年蒸散,并分析其时空变化及影响因素。结果表明：1）参数优化后PT-JPL模型可解释蒸散年际变化的68%,优于原始模型及MODIS蒸散产品;2）中国地区多年平均蒸散为440.16 mm/a,呈东南沿海到西北内陆逐渐递减的空间格局;3）2000-2015年蒸散整体呈轻微下降趋势（slope=6.48 Gt/a,P=0.17）,但具有年代际差异,2000-2010年中国地区蒸散呈显著下降趋势（slope=21.05,P < 0.01）,占全国蒸散总量45.05%的内蒙古地区、甘新地区、黄土高原地区及青藏地区解释了61.88%的年际变化;2010-2015年呈轻微上升趋势（slope=10.48,P=0.71）,各地区均无显著变化趋势;4）辐射主导了蒸散的年代际差异,分别解释了2010年前后蒸散下降及上升趋势的51.45%、85.26%。蒸散呈显著变化趋势的内蒙古地区、黄土高原地区及青藏地区主要受辐射控制,甘新地区主要受降水和温度的影响。     

基于改进SW模型的千烟洲人工林蒸散组分拆分及其特征

蒸散组分拆分是准确评估陆地生态系统生产力以及估算水分利用效率的重要基础。利用改进后的Shuttleworth-Wallace模型,将蒸散拆分为植被蒸腾、土壤蒸发和冠层截留蒸发,并采用Monte Carlo随机参数化方案对模型参数进行优化。将模型与千烟洲亚热带人工针叶林站点的2011年涡度相关及小气候观测资料结合,对千烟洲人工林蒸散及其组分进行模拟。研究结果表明:半小时尺度上蒸散量模拟值与实测值的一致性在晴天和雨天都较高。半小时尺度上全年蒸散模拟值与实测值的决定系数、均方根误差和平均偏差为0.73、1.55 mmol m~(-2)s~(-1)和0.21 mmol m~(-2)s~(-1)。蒸散是该生态系统水分输出的最主要贡献项,占全年降水的80%。在蒸散中,植被蒸腾约占总蒸散量的85%,可推测2011年千烟洲人工林生态系统有较高的水分利用效率。该生态系统的蒸腾量季节变化明显,主要受饱和水汽压差和气温两种环境因素以及植被的叶面积指数影响且与三者均呈正相关;土壤蒸发约占总蒸散量的5%,季节变化平缓;模拟的冠层截留蒸发量约占总蒸散量的10%,季节变化大,与降水量呈正相关,与暴雨频次呈负相关,说明冠层无法有效截留强降水。该模型参数较少、时间分辨率高且可以有效模拟蒸散及其组分特征,是陆地生态系统水分循环过程研究有力的模型工具。     

森林、草地和农田典型植被蒸散量的差异

利用中国生态系统研究网络(CERN)12个试验站1990—2003年的气象资料,基于大气-土壤-植被传输(SVAT)模型模拟植被的蒸散量,分析了不同气候条件下森林、草地、农田3种植被类型蒸散的变化规律.结果表明:多年平均蒸散量从高到低依次为热带森林、亚热带农田、温带森林、温带农田和草地;对农田生态系统而言,水稻的蒸散量最高,其次为小麦,玉米最低;3种生态系统月蒸散量峰值的年际变化差异显著,森林、草地的月蒸散量峰值年际变化较稳定,农田则较明显.     

温带阔叶红松林生态系统潜热通量模拟——气孔导度组合模型在Shuttleworth-Wallace双源模型中的应用

叶片水平的气孔导度组合模型已被成功扩展到冠层水平,并被应用于冬小麦生态系统潜热通量的模拟研究,但该研究仅基于1a的数据,有必要研究模型在更长时间尺度和其它生态系统类型的适用性.以长白山阔叶红松林(CBS)为研究对象,将组合模型进一步应用于Shuttleworth-Wallace双源模型,模拟了CBS 3a生长季内的潜热通量,利用涡度相关系统观测的潜热通量数据对模型进行验证,并对比了双源模型与单源模型的模拟结果.结果显示,双源模型较单源模型能取得更高的模拟精度,生长季不同时期的潜热通量模拟值和实测值的日变化较一致.对双源模型模拟值和实测潜热通量的相关分析显示,二者直线回归斜率和R2分别为0.96和0.72.对长白山阔叶红松林生态系统的蒸散和植被蒸腾的季节和年际变异分析发现,影响冠层蒸散和植被蒸腾季节动态的主要因素是饱和差和辐射,而影响它们年际动态的主要因素则是饱和差和温度.     

鼎湖山人工松林生态系统蒸散力及计算方法的比较

Based on the consecutive measurement (1995-1997) of meteorology and microclimate of artificial Pinus forest in Mount Dinghu, we calculated the potential evapotranspiration by using four different methods to discuss the method which is fit for forest ecosystem. The results are given as follows.1) In terms of the enviromental conditions of forest ecosystem, we redefined some parameters in Penman equation and used it to calculate the potential evapotranspiration of artificial Pinus forest ecosystem in Mount Dinghu.Preliminary result is that Penman equation is worth spreading for calculating the potential evapotranspiration of forest ecosystem,compared with several other methods.2) The annual average potential evapotranspiration of the artificial Pinus forest in Mount Dinghu is 937.55mm,according to Penman equation. It is 50% of the rainfall in the corresponding period. The highest mean monthly potential evapotranspiration is July and the lowest mean monthly potential evapotranspiration is January. This is completely consistent with the variations of temperature.     

宁夏陆地生态系统水分利用效率特征及其影响因子

生态系统水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)是表征生态系统碳水耦合程度的重要指标,能反映生态系统碳水循环规律及其相互作用关系。基于MODIS数据以及宁夏生态系统类型数据,分析2000—2017年宁夏不同生态系统WUE的变化特征,探讨了NPP和ET两种因子对WUE年际与年内变化的影响。结果表明:(1)全区陆地生态系统的年均WUE为1.03 g·C/kg·H_2O,值域在0.55—2.98 g·C/kg·H_2O之间,总体上呈现南北高、中部低的特征。(2)不同生态系统的WUE差异较大,由高到低为水体及湿地、森林、农田、草地、聚落、荒漠和其他生态系统,在同类生态系统中,植被生物量和盖度越高的亚类生态系统,其WUE也越高。(3)宁夏陆地生态系统WUE存在着每年0.0141 g·C/kg·H_2O的下降趋势,年内WUE呈典型的单峰形态,变化范围在0.02—2.16 g·C/kg·H_2O之间。(4)年际尺度上,宁夏陆地生态系统WUE与年蒸散(Evapotranspiration,ET)有极显著负相关性(P0.01),而与净初级生产力(Net Primary Production,NPP)没有相关性;年内尺度上,WUE变化与ET呈显著正相关(P0.05),与NPP呈极显著正相关(P0.01),这与植被的年内季节性生长过程有关。(5)根据ET强弱和WUE高低,可将宁夏陆地生态系统水分利用效率特征划分为4类,即低ET低WUE区、低ET高WUE区、高ET低WUE区和高ET高WUE区。宁夏的生态恢复工程在增强植被生产力的同时,也增强了区域水分消耗,致使陆地生态系统整体水分利用效率下降,这为宁夏未来水资源调控和生态重建提供了科学依据。     

基于数据同化的哈佛森林地区水、碳通量模拟

模型模拟和站点观测是陆地生态系统水、碳循环研究最主要的两种手段,但各有优势和不足,若二者相互结合,则能更准确地反映生态系统水、碳通量的动态变化.数据同化为模型与观测结合提供了一条有效的途径.本文采用哈佛森林环境监测站相关数据,利用集合卡曼滤波同化算法,将实测叶面积指数(LAI)和遥感LAI同化进入Biome BGC模型中,对该地区水、碳通量进行模拟.结果表明：与未同化模拟相比,将1998、1999和2006年实测LAI数据同化后,模型模拟碳通量(NEE)与通量观测NEE的决定系数(R²)平均提升8.4%;蒸散发(ET)的R²平均提升10.6%;NEE的绝对误差和(SAE)和均方根误差(RMSE)平均下降17.7%和21.2%,ET的SAE和RMSE平均下降26.8%和28.3%.将2000-2004年MODIS LAI 产品与模型同化后,NEE、ET模拟值与观测值间的R²分别提升7.8%和4.7%;NEE的SAE和 RMSE分别下降21.9%和26.3%,ET的SAE和 RMSE分别下降24.5%和25.5%.无论实测LAI还是遥感观测LAI,同化进入模型都能不同程度地提高水碳通量的模拟精度.     

基于贝叶斯模型平均的蒸散遥感产品集成——以三江源国家公园为例

蒸散发(ET)是陆表水热过程的一个基础通量,不同模型基于的概念、假设、应用尺度等诸多差异给ET的准确模拟带来了多种不确定性。本研究以三江源国家公园为例,应用贝叶斯模型平均(BMA)方法,通过通量塔观测值对模型进行训练,并综合PT-JPL、ARTS-GIMMS3g、ARTS-MODIS、MOD16和SSEBo 5个模型结果,以提高ET的估测精度。结果表明: 5个模型结果可以捕捉海北高寒草地通量塔观测ET的季节变化,可解释观测ET季节变异的64%～86%,均方根误差(RMSD)的范围为0.47～0.76 mm·(8 d)^-1;基于BMA得到的ET的解释能力提高至89%,RMSD降低至0.43 mm·(8 d)^-1。2003—2015年,三江源国家公园地表ET总体呈不显著增加的趋势,在全区尺度上,温度和降水对蒸散的影响不显著;但在长江源园区,降水和气温对其影响达到显著水平。气温和降水对蒸散发有积极的影响,但不同园区之间的地理差异导致蒸散发也出现不同的变化趋势。本研究为其他多源数据的集成分析提供了方法参考,所集成的蒸散数据可以有效降低原各自模型的不确定性,为区域水热变化研究提供了更为精确的数据基础。这对于更好地认识气候变化背景下的水循环过程具有重要意义。     

大尺度森林碳循环过程模拟模型综述

森林生态系统碳循环是全球陆地生态系统碳循环的重要组成部分,而碳循环模型已经成为研究森林碳循环的必要手段。森林碳循环模型可以分为统计模型和过程模型,其中过程模型以其完整的理论框架、严谨的结构分析和清晰的过程机理,逐渐占据了主导地位。从地球化学过程模型、陆面物理过程模型和生物过程模型等3个方面综述区域尺度到全球尺度(本文称为大尺度)森林碳循环过程模型研究进展,论述了各类模型的主要特征、优缺点以及应用现状,探讨了森林碳循环模拟研究中存在的问题,并讨论了森林碳循环过程模型的主流研究方向。可为不同空间尺度下森林生态系统碳循环模拟模型的选择提供参考,以及为森林碳循环研究提供借鉴。