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。     

荒漠杜加依林冠层水热变化及CO2交换特征

选取新疆艾比湖湿地国家级自然保护区荒漠杜加依林为研究对象,利用通量塔连续观测数据分析新疆艾比湖流域内杜加依林冠层界面水热垂直变化和CO_2交换特征,进一步比较了冠层界面湍流碳通量、植物冠层储存碳通量及净碳交换量,探讨了不同时间和垂直空间序列下杜加依林冠层界面温湿廓线与CO_2交换过程的相互关系。结果表明,新疆艾比湖流域内杜加依林冠层上方大气稳定度生长季的6—9月为中性(z/L=0.009),非生长季为不稳定(z/L=-0.449),全年总体呈不稳定水平(z/L=-0.194);冠层界面上气温垂直变幅小于5℃,随高度呈递增趋势,湿度垂直变幅超过40%;地-气碳通量呈秋冬小春夏大规律,年碳收支高于干旱区平均水平,为-0.026 mg CO_2m~(-2)s~(-1),表现为碳汇;垂直空间尺度上垂直温湿度差与生态系统净碳交换量(NEE,Net Ecosystem Exchange)拟合较好,温度拟合结果为R~2=0.7350(P﹤0.01),湿度拟合结果为R~2=0.3627(P﹤0.01),水热变点分别为5%和1℃,而季节尺度上温度拟合结果较好,温度拟合结果为R~2=0. 5221(P﹤0. 01),湿度拟合结果为R~2=0.1716(P﹤0.01),变点为55%和18℃。生长季较小的冠层垂直温差有利于杜加依林对大气CO_2的吸收,而冠层高湿环境则会抑制杜加依林对CO_2的吸收。     

基于WaSSI模型的珠江流域水-碳耦合模拟

流域水循环和碳循环通过植物光合作用与蒸散发(ET)过程紧密相联,两者在流域尺度上的耦合模拟研究是实现水、碳资源综合管理的重要基础。本研究通过对WaSSI(供水压力指数)生态水文模型进行适当改进,建立并验证了珠江流域水-碳耦合模拟模型(WaSSI-PRB),将珠江流域划分为1715个子流域,选定1980—2004年为率定期、2005—2016年为验证期,并对径流、蒸散发和总初级生产力(GPP)等3个关键水-碳通量的模拟结果进行验证。结果表明: 西江、北江、东江的水文控制站,径流模拟纳什效率系数(NSE)和决定系数(R²)在率定期均达0.80以上,在验证期均达0.75以上;相较于MODIS、PML、SSEBop、VPM等大尺度遥感数据产品,WaSSI-PRB模型能更好地模拟ET和GPP的时空分布特征。总体而言,WaSSI-PRB模型在珠江流域具有较好的适用性,可作为量化分析流域水-碳平衡及其对变化环境响应关系的一种有效工具。     

3PG碳生产模型在长白山阔叶红松林总初级生产力估算中的应用

利用ChinaFLUX长白山站阔叶红松林的通量观测数据以及同期卫星遥感数据,对3PG模型中的植被光合模型(VPM)、光能利用率模型(EC-LUE)、陆地生态系统模型(TEM)、卡内基-埃姆斯-斯坦福方法模型(CASA)4种模型进行参数重组,通过对比通量观测值与估算值的均方根误差、决定系数及平均误差确定模型的最适合参数;并利用实测的通量观测数据对优化后的模型进行拟合度验证,以提高其估算长白山阔叶红松林总初级生产力(GPP)的准确性.结果表明: 采用温度、增强植被指数、地表水分指数分别表征原模型中的温度限制因子、光合有效辐射吸收比例、水分限制因子估算长白山阔叶红松林GPP时,结果最优,优化后模型的精度(R²=0.948,RMSE=0.035 mol·m^-2·month^-1)明显优于原模型(R²=0.854,RMSE=0.177 mol·m^-2·month^-1),且能够有效改善原模型生长季明显高估的现象;通过敏感性分析可知,温度是对GPP估算不确定性影响最大的参数,其次为增强型植被指数和光合有效辐射,地表水分指数最小,且变量间的交互作用对GPP估算不确定性也存在影响.     

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.     

遥感GPP模型在中国地区多站点的应用与比较

在区域和全球尺度上估算植被总初级生产力(GPP)对理解陆地生态系统的碳循环具有重要意义。由于地表异质性的存在,局限在站点尺度上的观测数据无法直接扩展到更大空间尺度的区域上。通过与地面观测数据相结合,遥感成为实现植被GPP空间扩展的主要工具。但是现有模型对气象数据依赖较多,且在不同气象数据集的驱动下,模拟结果间会有差异,进而产生不确定性。建立以遥感数据为主的GPP模型(简称遥感GPP模型),使其易于在区域和全球尺度上应用,是解决上述问题的一个可行方案。该研究使用TG(temperature and greenness model)和VI(vegetation index model)两个遥感GPP模型,结合中国通量观测研究联盟(China FLUX)的台站数据,对中国典型植被类型的GPP进行了模拟、比较与评估,旨在进一步提高遥感GPP模型在中国区域的适用性。结果表明:(1)TG和VI模型选用的遥感参数均与GPP观测值有较高的相关性,都可以得到可信的光合转换系数m和a。基于与夜间地表温度平均值的相关关系,m和a在空间尺度上得到了扩展,这使得TG和VI都可以应用到区域尺度上。(2)TG和VI模型的模拟值与实测值间的相关性大多较高,决定系数(R~2)多在0.67以上。但不同台站间的误差变动较大,TG模型的均方根误差为0.29–6.40 g·m~(–2)·d~(–1),VI模型的均方根误差为0.31–7.09 g·m~(–2)·d~(–1)。(3)总体而言,TG模型的表现优于VI,尤其在海拔或纬度较高、以温度限制为主的台站,TG模型的模拟效果较好。上述结果初步揭示遥感GPP模型具备了在区域尺度上应用的潜力。     

Carbon–water coupling and its relationship with environmental and biological factors in a planted Caragana liouana shrub community in desert steppe,northwest China

宁夏荒漠草原区中间锦鸡儿灌丛群落碳水循环特征及其与生物环境因子的关系 干旱半干旱区的人工植被重建可能会改变陆地生态系统的重要生物物理过程——碳水循环,然而在人类活动背景下,仍然缺乏对这些区域生态系统的碳水耦合机制的认识。本研究基于涡度相关系统测量了宁夏盐池荒漠草原区人工种植的中间锦鸡儿(Caragana  liouana)灌丛群落的CO2和H2O通量,通过分析总初级生产力(Gross Primary Productivity, GPP)、蒸散发(Evapotranspiration, ET)和水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)的变化,探讨了人工灌丛生态系统碳水通量及其耦合关系,并进一步分析驱动其变化的生物环境因子。研究结果表明,气候因子的季节变化导致了生物物理特征和碳水通量呈周期性变化。在生长季,GPP和ET波动较大,而WUE变化相对稳定。GPP、ET和WUE显著受辐射(Global Radiation, Rg)、温度(Ta和Ts)、水汽压亏缺、叶面积指数和植物水分胁迫指数(Plant Water Stress Index, PWSI)的驱动。其中Rg、温度和PWSI是影响WUE的最重要因素。Rg和温度会对WUE产生直接的促进作用,但同时也会间接地提高PWSI进而抑制WUE。PWSI会抑制光合作用和蒸腾作用,当植物水分胁迫超过一个阈值(PWSI > 0.54)时,WUE会下降,这是因为GPP对植物水分胁迫的响应比ET更敏感。这些研究结果表明,在荒漠草原区通过大规模种植灌木可实现固碳的作用,但也必须充分考虑区域的水资源消耗和水分利用效率的状况。     

表征亚热带常绿林光合作用季节变化特征的多种植被指数

利用遥感方法可以在区域尺度反演地表植被的光合生理状况和生产力变化,但亚热带常绿林冠层结构季节变化较小,传统的光谱植被指数对植被光合作用难以准确捕捉。利用2014—2015年中国科学院广东省鼎湖山森林生态试验站多角度自动光谱观测系统的光谱反射数据,分别反演传统冠层结构型植被指数(NDVI)、光合生理生化型植被指数(CCI)和叶绿素荧光型植被指数(NDFI_(685)和NDFI_(760)),并利用不同类型植被指数的组合,构建多元线性回归模型。结果表明:亚热带常绿针阔混交林三种类型植被指数均与GPP的动态变化有显著的相关性,其中,NDVI是表征GPP较优的植被指数(R~2=0.60,P0.01),其次为CCI(R~2=0.55,P0.01),而NDFI能够作为辅助指数,有效提高NDVI(R~2=0.68,P0.001)和CCI(R~2=0.67,P0.001)表征GPP的程度。多个植被指数参与构建的多元回归模型能够有效提高亚热带地区常绿林GPP季节动态变化的拟合精度,提升遥感精确评估亚热带森林生产力的能力。     

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。     

陆地植被水碳通量模型模拟与数据同化研究进展

精确估算水碳通量对陆地水碳循环研究意义重大,同时也极具挑战性。目前的估算精度有待进一步提高。传统的模型模拟和站点观测两种估算方法各有优势和不足,二者需结合进行研究。数据同化将观测融合到基于物理规律的模型中,尽可能得到模型状态变量和参数的最优估计,为模型和观测的结合提供了一条有效的途径。本文追踪陆地植被水碳通量过程模型与多源观测信息数据同化的研究进展;从植被水碳通量过程模型、数据同化算法、水碳通量模型数据同化3方面梳理了国内外相关研究进展,总结了研究中可能存在的问题:多源观测数据协同不足、同化策略相对简单、同化模型缺乏融合、同化尺度有待扩展;并从同化策略、模型选择、数据扩展、尺度效应、科学计算5个方面对今后的发展方向和趋势进行了分析和展望,以期为该领域研究者提供较全面的背景资料和信息,同时引发更多学者的关注。     

基于参数优化的人工灌丛生态系统碳水通量模拟

荒漠草原是陆地生态系统中最为脆弱且受人类干扰较为严重的生态类型之一,精准模拟其碳水通量及对人为干扰的响应,不仅能够揭示其复杂的生态学过程,而且还可为人为生态修复和保护提供决策依据。生态模型能够有效地模拟陆地生态系统的碳水循环过程,但模型众多的参数及其取值的合理性限制了其普遍应用,故探索参数优化是提升生态模型应用的有效途径。利用PEST参数优化方法和涡度相关观测数据对Biome-BGC模型的生理生态参数进行优化,在评估参数优化效果的基础上模拟了1986-2018年宁夏盐池荒漠草原区人工灌丛生态系统的总初级生产力（Gross primary productivity,GPP）和蒸散（Evapotranspiration,ET）。结果表明：（1）参数优化可以改善Biome-BGC模型对荒漠草原区人工灌丛生态系统GPP和ET的模拟效果,参数优化后模拟的GPP和ET均更接近于观测值,其中月尺度的模拟效果更佳;（2）基于PEST的Biome-BGC模型参数优化方法具有较强的普适性,优化后的参数可推广应用于荒漠草原区人工灌丛生态系统长时间序列的GPP和ET模拟;（3）宁夏盐池荒漠草原区人工灌丛生态系统的GPP在1986-2018年呈缓慢上升趋势,增幅为1.47 g C m^-2 a^-1,但ET的年际变化率较大,且无显著变化趋势。     

基于Biome-BGC模型的北方杨树人工林碳水通量对气候变化的响应研究

研究中国北方杨树人工林碳水通量对气候变化的响应,对于制定合理的经营管理措施以应对区域的气候变化具有重要意义。基于对杨树人工林碳水通量的连续监测数据和对Biome-BGC模型参数的校准,模拟分析杨树人工林碳水通量及水分利用效率(WUE)对气候变化(气温上升、降水变化和大气CO_2浓度上升)的响应规律。结果表明,Biome-BGC模型校准后显著提升了其对杨树人工林碳水通量的模拟精度,对GPP、ET模拟结果的Nash-Sutcliffe效率系数(NS)分别为0.69和0.63,各自提高了64.3%和80%,均方根误差(RMSE)则分别降低至1.94 g C m~(-2) d~(-1)和0.88 mm/d,分别下降了26.5%和25.4%。在未来气候变化情景中,单独的气温上升、降水增加和大气CO_2浓度上升分别造成GPP的降低、升高和升高,其中GPP对大气CO_2浓度上升的响应程度(28%—44%)远高于对气温上升(1%—5%)和降水变化(3%—10%)的,ET则主要受降水的影响,响应程度在5%—14%之间。GPP和ET对气候变化的响应则受不同水平的气温上升、降水变化和大气CO_2浓度上升三者综合作用的影响。基于GPP和ET对气候变化的响应,WUE随气温上升、降水增加表现为降低趋势,随降水减少和大气CO_2浓度升高则呈升高趋势;其对未来气候中大气CO_2浓度升高的响应程度为27.7%—43.6%,远高于对气温上升(1.2%—5.8%)和降水变化(1.2%—3.5%)的,说明未来气候变化中大气CO_2浓度上升是促进杨树生长的主要因素;其中相对于当前WUE(2.8 g C/kg H_2O),C2T2P1和C0T3P0情景下WUE的升高和降低幅度最大,分别为45.4%和5.8%。     

Closing the carbon budget of estuarine wetlands with tower-based measurements and MODIS time series

Compared to other ecosystems, estuarine ecosystems have distinct carbon flux dynamics – the lateral carbon flux incurred by tidal activities, and methane generation under the anaerobic conditions of wetland soils. The conventional estimation of gross primary production (GPP) based on the light use efficiency (LUE) model used for non‐wetland terrestrial ecosystems, therefore, cannot be applied directly to estuarine wetland ecosystems. In this paper, we estimated the 2005's annual carbon budget of an estuarine wetland on Chongming Island, Shanghai, and partitioned the losses of carbon due to lateral tidal dynamics and anaerobic methane production using an innovative technique. The average GPP calculated from eddy covariance between March and November was 261.79 μmol m^?2 day^?1, whereas that from the LUE model was 58.84 μmol m^?2 day^?1. The correlation coefficient between GPP simulated from the LUE model and that calculated from flux tower data was low in the growing season (R²=0.55). We hypothesized that tidal activities and uncounted methane release were responsible for the difference, which can be predicted from measurements of remote sensing products such as land surface water index (LSWI), evapotranspiration (ET), and tide height (TH). We developed an integrated GPP model by combining the LUE model and an autoregression model to estimate carbon budget. The average GPP from the modified model increased to 263.38 μmol m^?2 day^?1, and R² for the correlation between the simulated and calculated data increased to 0.88, demonstrating the potential of our technique for GPP estimation and quantification of seasonal variation in estuarine ecosystems. The approach developed in this study has great potential for correcting unavoidable errors when estimating carbon budget of coastal wetlands. Furthermore, global warming is expected to accelerate sea level rise, which may enhance the effect of tidal activities and increase the difficulty in estimating coastal carbon budgets using conventional methods.     

Solar‐induced chlorophyll fluorescence is strongly correlated with terrestrial photosynthesis for a wide variety of biomes: First global analysis based on OCO‐2 and flux tower observations

Solar‐induced chlorophyll fluorescence (SIF) has been increasingly used as a proxy for terrestrial gross primary productivity (GPP). Previous work mainly evaluated the relationship between satellite‐observed SIF and gridded GPP products both based on coarse spatial resolutions. Finer resolution SIF (1.3 km × 2.25 km) measured from the Orbiting Carbon Observatory‐2 (OCO‐2) provides the first opportunity to examine the SIF–GPP relationship at the ecosystem scale using flux tower GPP data. However, it remains unclear how strong the relationship is for each biome and whether a robust, universal relationship exists across a variety of biomes. Here we conducted the first global analysis of the relationship between OCO‐2 SIF and tower GPP for a total of 64 flux sites across the globe encompassing eight major biomes. OCO‐2 SIF showed strong correlations with tower GPP at both midday and daily timescales, with the strongest relationship observed for daily SIF at the 757 nm (R² = 0.72, p < 0.0001). Strong linear relationships between SIF and GPP were consistently found for all biomes (R² = 0.57–0.79, p < 0.0001) except evergreen broadleaf forests (R² = 0.16, p < 0.05) at the daily timescale. A higher slope was found for C₄ grasslands and croplands than for C₃ ecosystems. The generally consistent slope of the relationship among biomes suggests a nearly universal rather than biome‐specific SIF–GPP relationship, and this finding is an important distinction and simplification compared to previous results. SIF was mainly driven by absorbed photosynthetically active radiation and was also influenced by environmental stresses (temperature and water stresses) that determine photosynthetic light use efficiency. OCO‐2 SIF generally had a better performance for predicting GPP than satellite‐derived vegetation indices and a light use efficiency model. The universal SIF–GPP relationship can potentially lead to more accurate GPP estimates regionally or globally. Our findings revealed the remarkable ability of finer resolution SIF observations from OCO‐2 and other new or future missions (e.g., TROPOMI, FLEX) for estimating terrestrial photosynthesis across a wide variety of biomes and identified their potential and limitations for ecosystem functioning and carbon cycle studies.     

中亚热带人工针叶林生态系统碳通量拆分差异分析

涡度通量观测可直接获取陆地生态系统与大气之间CO2净交换量(NEE),但深入认识碳循环过程和校验生态系统模型需要不同时间尺度总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(Re)等碳通量数据。利用中国陆地生态系统通量观测与研究网络(ChinaFLUX)中亚热带人工针叶林生态系统2003—2009年的涡度通量和气象观测数据,分析了两种NEE拆分方法对不同时间尺度GPP和Re评估的影响,结果表明:(1)两种拆分方法得到的生态系统碳通量组分(GPP和Re)的季节动态变化一致,都在生长季7、8月份达到峰值;(2)非线性回归模型拆分得到的全年Re和GPP相较于光响应曲线模型分别高出2%—28.6%和1.6%—23%,最大高出317.6 gC·m-2·a-1(2006年),逐月最大差值主要发生在8、9月份;(3)不同时间尺度上,两种方法拆分得到的GPP和Re之间差值的环境响应因子不同。在广泛采用非线性回归模型进行拆分时,如果当月光合有效辐射接近到905mol·m-2·月-1,月平均空气饱和水汽压差接近1.18 kPa时,需要考虑使用光响应曲线模型拆分该月通量,结合两种拆分方法以减小全年的误差。     

2001—2018年中国总初级生产力时空变化的遥感研究

总初级生产力（GPP）是绿色植被吸收大气中CO₂进行光合作用生产的有机质,是陆地生态系统碳循环研究的一个关键参数。利用遥感数据和气象数据驱动的双叶光能利用率DTEC模型计算了2001-2018年中国逐月GPP,并结合日光诱导叶绿素荧光（SIF）反演的GOSIF GPP数据集,分析了中国陆地生态系统2001-2018年GPP的时空变化特征。结果表明：（1） GOSIF和DTEC模拟的中国多年GPP平均值分别为7.23 Pg C和6.93 Pg C,在空间分布上呈现东南部高西北部低的特征;（2）2001-2018年,中国GPP呈显著增长（P<0.01）,年增长幅度分别为0.094 PgC/a （GOSIF）和0.073 PgC/a （DTEC）。而已有研究估计的中国GPP年增长幅度约为0.02-0.057 PgC/a,低估了GPP增长趋势。（3）在中国通量网6个通量站的GPP验证表明,两种模型精度高、表现好,都能较好地模拟观测站的GPP季节变化。（4） GOSIF GPP的精度优于DTEC GPP模型,这可能是由于SIF与GPP存在直接机理联系。GOSIF GPP算法能客观地反映植被生产力状况,而DTEC模型更适合自然条件下植被生产力的模拟。     

21世纪以来黄土高原水分利用效率时空变化及归因

生态系统水分利用效率(WUE)是表征碳水耦合过程的关键指标,然而,有关气候变化和退耕还林还草工程背景下黄土高原WUE的时空变化特征及其主导因子仍未明晰。研究利用遥感驱动的生态系统过程模型BEPS模拟2001-2020年黄土高原总初级生产力(GPP)和蒸散(ET),并结合基于敏感性试验的多控制因子联立求解方法定量分析气候和植被因子对黄土高原WUE变化(WUE=GPP/ET)的贡献。结果表明:(1)2001-2020年黄土高原GPP和ET分别以12.9 gC m^-2 a^-1和3.7 mm/a速率显著升高,并使得WUE增长显著(0.021 gC mm^-1 m^-2 a^-1)。(2)2001-2020年间黄土高原80.12%的区域叶面积指数(LAI)显著升高(全区增速为0.014 m² m^-2 a^-1)而气候因子变化均不显著。(3)植被因子和气候因子对WUE变化分别呈正贡献和负贡献,植被因子作为主要影响因子主导了黄土高原86.74%地区的WUE变化。研究结果有望为干旱区生态水文管理和相关政策制定提供一定科学参考。     

利用大气二氧化碳和羰基硫浓度评估陆地生态系统模型碳通量模拟的不确定性

生态系统模型是模拟全球陆地生态系统碳循环的重要工具,但是其在全球不同区域的模拟存在很大的不确定性。如何评估陆地生态系统模型的不确定性是一项重要的研究。以北美地区为例,利用8个高塔观测站点同步获取的大气CO₂和羰基硫(OCS)浓度数据,结合WRF-STILT大气粒子扩散模型,评估了CASA-GFED3、SiB3和SiBCASA三种陆地生态系统模型模拟总初级生产力(GPP)和净生态系统CO₂交换(NEE)通量的不确定性。结果表明,SiB3模型能很好地模拟北美陆地生态系统GPP和NEE的季节变化时相和幅度,在3种模型中具有最佳的模拟能力;CASA-GFED3模型模拟的NEE季节变化较为理想、但对生长季GPP的模拟存在较大的误差,SiBCASA模型在模拟冬季晚期和春季早期的NEE和GPP时表现较不理想。研究证明了大气CO₂和OCS在评估陆地生态系统模型碳通量模拟的不确定性中的作用,为利用大气CO₂和OCS观测数据优化计算陆地生态系统光合和呼吸碳通量提供了理论支撑。     

Improving the light use efficiency model for simulating terrestrial vegetation gross primary production by the inclusion of diffuse radiation across ecosystems in China

Qualification of gross primary production (GPP) of terrestrial ecosystem over large areas is important in understanding the response of terrestrial ecosystem to global climate change. While light use efficiency (LUE) models were widely used in regional carbon budget estimates, few studies consider the effect of diffuse radiation on LUE caused by clouds using a big leaf model. Here we developed a cloudiness index light use efficiency (CI-LUE) model based on the MOD17 model algorithm to estimate the terrestrial ecosystem GPP, in which the base light use efficiency encompassed the cloudiness index, maximum LUE and clear sky LUE. GPP measured at seven sites from 2003 to 2007 in China were used to calibrate and validate the CI-LUE model. The results showed that at forest sites and cropland site the CI-LUE model outperformed the Vegetation Photosynthesis Model (VPM), Terrestrial Ecosystem Carbon flux model (TEC), MOD17 model algorithm driven by in situ meteorological measurements and MODIS GPP products, especially the R² of simulated GPP against flux measurements at Dinghushan forest site increased from 0.17 (MODIS GPP products) to 0.61 (CI-LUE). Instead, VPM model had the best agreement with GPP measurements followed by CI-LUE model and lastly TEC model at two grassland sites. Meanwhile, GPP calculated by CI-LUE model has less underestimation under cloudy skies in comparison with MOD17 model. This study demonstrated the potential of the CI-LUE model in improving GPP simulations resulting from the inclusion of diffuse radiation in regulating the base light use efficiency and maximum light use efficiency.