中国涡度相关通量塔空间代表性评估与碳源/汇尺度扩展研究

The proposed project plans to develop a pragmatic approach for evaluating the spatial representativeness and sensor location bias of flux tower measurements based on footprint climatology modeling and geo-statistical analyses using remote sensing image data (land cover, digital elevation model, vegetation indices, etc.). This approach will be applied to the selected representative flux towers for different bio-climate zones and vegetation function types from the total current 98 towers across China's landmass. Based on this and a variety of other ground-based measurements, carbon-sensitive parameters retrieved from multi-source and multi-scale remotely-sensed data, we will develop and improve an integrated approach involving numerical ecosystem modeling (bottom-up), atmospheric inversion using a one-dimensional atmospheric transport model (top-down), and data-model assimilation technics to scale up the estimation of carbon sources/sinks to the landscape, regional, bio-climatic zones and the national scales. The distributions and dynamics of carbon sources/sinks at varied spatial-temporal scales over the entire China landmass during the past 10 years will be quantitatively estimated. The implementation of this project will help remove a bottleneck of spatial scaling in carbon cycle research that limits the application of bottom-up approach for carbon budget. These will provide scientific supporting for China national carbon management and will provide scientific supports and benefit China government regarding climate-change related negotiation between governments.

本项目通过引入通量足迹概率分布函数，依据对卫星遥感影像资料的空间分析及地统计分析，从中国现有98个通量塔中，选取大约1/3代表性的通量塔进行塔位误差分析和空间代表性评价；在此基础上，结合各种其它地基观测资料、多源多尺度卫星遥感反演的碳敏感参数，采用生态系统模型（自下而上）和一维大气传输反演模型（自上而下）数值模拟和数据-模型同化等方法，发展基于通量塔观测数据的碳源汇尺度扩展技术；定量估算多尺度（景观、区域、生物气候带和我国国家尺度）的碳源汇分布，揭示我国陆地生态系统近10年来时空动态变化规律；解决困扰世界碳循环领域中尺度转换的瓶颈问题，为我国政府参与政府间的应对气候变化谈判提供科学依据。

本项目首先利用自主研发的通量足迹模型（SAFE-f）对中国代表性通量塔塔位误差和空间代表性进行了分析、评价；在此基础之上研发了一种基于通量塔足迹气候模型、改进回归树和高分辨率遥感影像融合技术的碳通量尺度扩展方法。与传统基于遥感的碳通量数据产品相比，该方法同时具有融合高时空分辨率影像和通量观测信息优势；其次利用收集到的中国通量站点和数据-模型同化方法优化陆表过程模型（DLM）中土壤和光合关键参数，结果显示优化后的模型显著减小了模拟中国地区能量（ET）、总初级生产力（GPP）以及土壤温湿度的不确定性；利用收集到的通量站点数据研究植被光合作用最大光能利用率参数的季节波动对GPP估算的影响表明优化后的季节参数显著提高了典型植被功能型GPP的模拟精度；利用优化后的DLM模型模拟生产了近30年中国陆表生态系统GPP和ET数据产品。通量站点尺度验证和区域尺度对比（与MODIS和MTE产品）均显示，本项目优化后模型模拟数据产品不确定性相对较小。利用该数据产品定量评估GPP和ET时空动态显示：1979-2012年中国陆表生态系统年均GPP为4.32 Pg C，呈明显上升趋势（6.68 × 10-3 Pg C/年, p < 0.05），增长地区主要分布于东北、西南和新疆西部森林地区、西北稀疏植被、灌丛和南方灌丛地区；1979-2012年中国陆表能量年均ET为351.24±10.7 mm, 以0.72 mm/年 (p < 0.01)呈显著增长趋势，青藏高原是ET增加最为显著地区，年增量达0.92 mm/年。. 本项目的实施对我国陆表生态系统碳通量和能量通量观测、模型和数据产品提供了理论基础和技术支持，对我国气候变化及其对生态系统的响应和反馈研究具有重要的科学和应用价值。