遥感数据与植被生态系统碳循环模型的同化研究

陆地生态系统碳循环研究是预测未来大气CO2、认识大气圈与生物圈的相互作用等科学问题的关键。卫星遥感数据与植被生态系统碳循环模型相结合，有助于实现区域或全球碳收支的估算，但模型参数众多，不确定性大，给模拟结果带来较大误差。目前大部分遥感与植被碳循环模型的结合在于将遥感反演结果强迫代入模型，并没有改变模型参数的不确定性，遥感数据与植被碳循环模型间的同化，将有助于改善模型参数的不确定性。本项目将在改进现有碳循环模型的基础上，重点选择人工林进行CO2通量、冠层光谱、LAI及其它生理生化参数的观测实验；结合冠层辐射传输模型，进行遥感数据与碳循环模型的同化，优化模型参数，并比较不同同化方法对模型结果的影响；进行地面观测点及不同空间分辨率遥感数据与碳循环模型的同化研究，分析其尺度效应并通过尺度转化验证模型。研究结果将有助于提高区域碳收支的估算精度。

遥感数据与植被碳循环模型间的同化，不但有助于实现区域或全球碳收支的估算，也有助于改善模型参数的不确定性对模拟结果的影响，提高模型模拟精度。根据项目任务书，进行了碳通量观测及数据同化等研究，实现了预期研究目标。. 项目的研究成果主要包括：（1）以哈佛森林作为研究区，结合地面碳通量观测数据，利用模拟退火算法优化Biome-BGC模型参数，并在改进Biome-BGC模型中土壤水分模块的基础上,利用集合卡曼滤波（EnKF）方法，同化地面观测以及遥感反演的LAI，进行了植被生产力与蒸散的模拟，提高了模拟精度；（2）结合PROSAIL冠层辐射传输模型，以河北省馆陶冬小麦通量点为例，以LAI作为结合点，开展了遥感数据与Biome-BGC模型的同化研究；（3）建立了基于国产卫星HJ-1的植被生产力模型，可实现以日为步长的区域植被总初级生产力（GPP）与净初级生产力（NPP）估算，黑河流域、太湖区域、井冈山市模拟结果与MODIS NPP产品及国内相关研究结果的比较表明,该模型可以较好进行植被生产力估算；（4）对SiB2模型在高寒地区草地生态系统水热通量模拟误差较大的原因进行了分析，发现SiB2对生长最适温度和胁迫温度等参数的设定不适合于高寒地区植被生长特征，从而造成植被蒸腾模拟不充分，显热通量偏高潜热通量偏低，针对此，我们以植被生长最快季节的白天平均温度替换默认的植被生长最适温度，并对胁迫温度做了相应调整，调整后青藏高原阿柔草地站显热、潜热模拟误差显著减小；（5）在国家自然科学基金重点项目（91125002）和本课题的共同资助下，于2012年6-9月进行了黑河流域中游不同下垫面的碳通量及土壤呼吸观测实验，为非均匀下垫面碳通量尺度转换方法的研究及相关遥感模型的发展等提供地面真值；（6）土壤水分状况对植被生产力影响很大，我们针对传统的地表温度-植被指数特征空间在干旱监测中存在时间可比较性较差的缺点，基于能量平衡原理，确定绝对干边，计算温度植被干旱指数（ATVDI），并以美国南部大平原为例，在空间和时间两个尺度对ATVDI进行了验证，结果表明，相对于由实测干边计算的STVDI， ATVDI数值更能准确反映地表真实土壤湿度状况，时间尺度上相关性也有了明显改进，说明了绝对干边的合理性。另外我们还以黄淮海地区为例，进行了土地利用/覆盖分类及城市扩展模拟等研究。