模型与遥感及通量数据融合模拟

模型与遥感及通量数据融合模拟区域陆地生态系统碳水通量研究居为民南京大学国际地球系统科学研究所[e-mail]025-8359567013701475920内容地表碳通量的估算方法通量数据对模型的作用根据通量数据改进模型根据通量数据优化参数估算东亚地区碳水通量植被参数的遥感反演陆地生态系统碳蓄积与碳循环的研究方法森林生态系统:测树学方法、通量观测、模型估算方法草地生态系统:生理生态研究方法（通量观测、生物量测量）、反演分析方法、模型估算方法农田生态系统:直接测定方法（土壤碳储量观测、通量观测）、模型估算方法湿地生态系统:通量观测、遥感方法（湿地分类和资源调查）、模型估算方法大气反演：推算全球陆地生态系统碳通量于贵瑞等，2003通量观测在陆地生态系统碳循环研究中的作用于贵瑞等，2008定量评价主要陆地生态系统的碳收支状况；揭示在不同时间尺度上影响陆地生态系统的碳收支及其主要分量的影响因子和影响机理；验证模拟结果、确定模型参数和推动模型的发展。模型在陆地生态系统碳循环研究中的作用研究陆地生态系统与气候、大气和人类活动之间关系，提出和验证有关碳循环的科学假设；研究过去陆地生态系统碳源/汇分布特征及其对气候和大气变化及人类活动影响的响应及反馈；预测未来气候和大气变化及人类活动对陆地生态系统碳循环的可能影响和陆地生态系统对气候变化的反馈作用；评价和预测减缓温室效应的管理措施对陆地生态系统碳循环的影响作用。遥感技术在陆地生态系统碳循环研究中的作用直接监测生态系统状况对气侯变化和人类活动的响应；提取与陆地生态系统碳循环有关的参数（植被类型、LAI、生物量、反照率等）驱动模型；遥感生成的植被指数直接或间接估算碳通量（光能利用率模型）；估算火灾和土地利用变化导致的碳排放估算；直接观测整个大气层的CO2浓度。模型和通量观测研究地表碳循环的特点比较通量观测优点:可以准确地连续观测各种生态系统的地表碳通量适合于生态系统和冠层尺度生态和生理学问题的研究缺点：数据质量受地形和天气状况影响较大无法覆盖所有的生态系统，直接估算区域碳通量存在着较大误差遥感技术优点:覆盖面积大、空间代表性强能监测人类活动对生态系统扰动的范围和强度缺点：数据质量受地形和天气状况影响较大无法直接获得碳通量，植被指数(PRI)与碳通量的关系多是经验性的模型优点:可以模拟陆地生态系统碳循环时空动态及其对气候变化和人类活动的响应能预测未来陆地生态系统碳循环的演变趋势缺点：模型结果的可靠性取决于模型结构、输入数据质量和参数取值模型与通量及遥感数据融合是陆地生态系统碳循环研究的发展方向Grameretal.,2001,GCB现阶段模型是研究区域/全球陆地生态系统碳收支的重要手段，但其结果的不确定性仍然很大，需要采取模型与通量和遥感数据融合的方法提高模型结果的可靠性。Friendetal.,2006,GlobalChangeBiology通量数据与模型研究之间的关系模型与遥感及通量数据融合模拟区域陆地生态系统碳水通量的策略模型通量观测碳循环机理模拟方法模型验证参数优化遥感信息植被参数反演区域观测数据区域陆地生态系统碳通量估算的结果模型发展模拟计算BEPS模型介绍将冠层分为阴叶和阳叶两部分,分别计算光合与蒸散,进行叶片到冠层的转换基于观测数据发展土壤水分影响光合的模拟方法Niiiwffw1)(NiiiiiifRfRw1)(/)()/1(0,,,,,DDCAafGGisisinetwioisJuetal.,2006,AFM土壤水分影响光合模拟方法对地表通量模拟的影响加拿大SOA森林土壤水分影响光合模拟方法对地表通量模拟的影响基于集合卡尔曼滤波和通量数据的模型参数优化:分析的状态变量向量:预报的状态变量向量:观测变量向量:现性或非线性观测算子R:观测的误差矩阵,N:集合大小它们是向量基于集合卡尔曼滤波和通量数据的模型参数优化Moradkhanietal.,2003,AWRMoetal.,2008,EM观测数据:白天的GPPandLE优化的参数:Ball-Berry模型中的Do和mFarquhar模型中的Vcmax千烟洲优化的参数的季节变化Juetal,2009,BSD空孔导度和光合能力（Vcmx）均对土壤水分胁迫响应。Keenanetal.,2009,Biosciences千烟洲Vcmax和m与土壤水分之间的关系Juetal,2009,BSD千烟洲Vcmax和m与土壤水分之间的关系Juetal,2009,BSD参数优化对模拟的GPP影响Juetal,2009,BSD参数优化对模拟的LE影响Juetal,2009,BSD模型与遥感及通量数据融合模拟东亚地区的陆地生态系统碳水通量GIMMSNDVI生成LAINCEP/NCAR再分析资料与WorldClim资料溶合生成气象要素场优化的不同生态系统参数LAI的平滑处理模拟的GPP结果验证模拟的ＮPP结果验证MeasuredNPParefromGPPDIandLuo-databases(b)y=0.7583x+141.46R2=0.78n=1300040080012001600040080012001600ObservedNPP/gCm-2yr-1BEPSNPP/gCm-2yr-1模拟结果与其它研究的比较模拟的东亚地区ＮPP分布和变化特征东亚地区不同国家人均NPP差距很大模拟的NPP在不同季节的演变特征c-springR2=0.231.82.02.22.41982198619901994199820022006YearPgCyr-1d-summerR2=0.0164.24.54.85.11982198619901994199820022006YearPgCyr-1e-fallR2=0.431.82.02.22.42.61982198619901994199820022006YearPgCyr-1f-winterR2=0.360.91.01.11982198619901994199820022006YearPgCyr-1模拟东亚地区ET分布及变化特征+++极显著上升++显著上升--显著下降---极显著下降InTEC模型介绍InTEC模型的时间尺度转换方法)1(21pcanpcancanfPfPPLAIkCCVPCCLAIJLAIJPcoiimcaniishadshadsunsuncan215.105.4)(dttPiGPPtcan)()(iltPdtditdPdiidGPPgcantcan)()()()()1()(2)(2)1()(iXiGPPiiiGPPiGPPuu)()()(iFnppiNPPiNPPu)(1)(1)1()(iBiBiNPPiNPPuu通过迭代计算GPP年际间的变化，以BEPS模型计算的NPP为标准对模型初始化；考虑森林年龄变化对NPP的影响；土壤温度和湿度的模拟采用隐式方案进行。Juetal.,TellusBacceptedwithrevision模拟的加拿大森林土壤碳密度与SLC资料比较Juetal.,2007,GBC模拟的1901-1998年土壤碳密度的变化Juetal.,2007,GBC模拟的不同生态区的土壤碳密度变化Juetal.,2007,GBC全部因子综合效应流域径流资料验证模型结果模拟的土壤水分变化不同因子对NBP的影响遥感提取聚集度系数的方法1.仅仅根据“热点”强度和形状提取W(LacazeandRoujean,2001,JGR)2.根据多角度遥感信息提取“热点”和“暗点”信息提取W（Chenetal.,RSM,2005)3.运用Roujean的BRDF核模型得到排除角度影响后的均质核反射率的差值和比值提取W（Roujeanetal.,2002)方法1和2适用于POLDER资料,分辨率较低（7km),不能满足需要方法3可以利用MODIS的BRDF产品提取W，但是核模型会低估“热点”反射，需要订正，且需要确定阀值（ChenandCihlar,1997,JGR；Roujeanetal.,2002)MODISBRDF生成聚集度系数的研究思路MODISBRDF产品提取聚集度系数的原理)1()),,()(),()()((),,(2)/(1,CvsgeovsvolvolisoisovsecKfKfKfR)()(dhdhrrrrNDHD聚集度系数与NDHD存在线性关系关键在于C1和C2的确定2003年6月中旬中国聚集度系数的空间分布LAI的反演)),,()),,(1((minmaxmin__svBRDFsvRSRLEEffSRfLSWIRSWIRSWIRBRDFSWIRSWIR地表覆盖数据LAI的反演结果影响很大,GLOBCOVER和MODIS地表覆盖数据比较适合用于江西省红土壤地区LAI的反演未来研究工作利用多源观测数据完善BEPS模型的碳氮水偶合模拟方法；模拟人类活动导致的地表覆盖变化对陆地生态系统碳水通量的影响；发展遥感信息与模型同化方法减少区域碳源汇估算的不确定性；研究利用地基和卫星观测的CO2浓度反演碳通量的方法；研究综合集成模型模拟和大气反演结果的方法。谢谢！