中国陆地生态系统碳收支集成研究的e-Science系统构建

全球/区域生态系统碳循环研究具有多台站联网观测、多源异构数据、多模型综合分析、跨领域科学家协同工作等特点。以中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)为基础平台,论述建立碳循环科研信息化环境(e-Carbon Science)的迫切性,系统阐述e-Carbon Science的目标、组成、关键技术及研究进展,构建了由"四环境(碳循环数据集成与服务环境、模型模拟环境、可视化分析环境、科研协同工作环境)、三系统(站点、区域、全国尺度陆地生态系统碳收支评估应用系统)"组成的ChinaFLUX e-Carbon Science,形成ChinaFLUX通量数据采集—传输—存储—管理—处理—可视化—共享服务的一体化系统,实现不同尺度的碳收支快速评估与模拟,支撑并促进我国陆地生态系统碳循环研究和生态信息学发展,对我国野外台站网络信息化起到引领和示范作用。     

黑河流域遥感—地面观测同步试验：科学目标与试验方案

介绍了黑河流域遥感-地面观测同步试验的科学背景、科学问题、研究目标以及观测试验方案和观测系统布置.总体目标是,开展航空-卫星遥感与地面观测同步试验,为发展流域科学积累基础数据;发展能够融合多源遥感观测的流域尺度陆面数据同化系统,为实现卫星遥感对流域的动态监测提供方法和范例.以具备鲜明的高寒与干旱区伴生为主要特征的黑河流域为试验区,以水循环为主要研究对象,利用航空遥感、卫星遥感、地面雷达、水文气象观测、通量观测、生态监测等相关设备,开展航空、卫星和地面配合的大型观测试验,精细观测干旱区内陆河流域高山冰雪和冻土带、山区水源涵养林带、中游人工绿洲及天然荒漠绿洲带的水循环和生态过程的各个分量;并且以航空遥感为桥梁,通过高精度的真实性验证,发展尺度转换方法,改善从卫星遥感资料反演和间接估计水循环各分量及与之密切联系的生态和其他地表过程分量的模型和算法.由寒区水文试验、森林水文试验和干旱区水文试验,以及一个集成研究--模拟平台和数据平台建设组成.拟观测的变量划分为5大类,分别是水文与生态变量、驱动数据、植被参数、土壤参数和空气动力参数.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开.布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其他水文要素观测网络;使用了5类机载遥感传感器,分别是微波辐射计、激光雷达、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机;获取了丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波、激光雷达等卫星数据.     

中国陆地生态系统总初级生产力VPM遥感模型估算

陆地生态系统总初级生产力(Gross Primary Productivity,简称GPP)时空格局及其变化动态的准确监测是区域碳收支研究的核心问题之一,遥感模型正在为区域碳通量监测提供更为实时、准确的模拟数据。基于中分辨率成像光谱仪(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer,简称MODIS)遥感数据和涡度相关碳通量观测数据发展而来的VPM模型经过10年的努力,目前已经在全球涵盖十类生态系统的21个站点上开展模型的校验与验证研究,为区域GPP的准确估算与监测奠定了方法基础。本研究构建了评估GPP区域格局的VPM模型区域模式,以空间分辨率500m、时间步长8天的MODIS卫星影像数据以及相同时空分辨率的温度与光合有效辐射数据为模型输入数据,模拟估算我国2006~2008年GPP及其空间分布格局。VPM模型模拟的中国陆地生态系统GPP年总量平均值为5.0Pg C/a,其中森林、草地、农田和灌丛生态系统分别占34%,17%,37%和12%。本研究模拟的全国GPP总量与多模型模拟的平均结果(5.40 Pg C/a)相当,但不同模型估算的各类生态系统GPP存在较大差异。本研究通过利用遥感数据对VPM模型中的关键参数(最大光能利用率)进行参数空间化,表达同一土地覆被类型内部光能利用率的空间异质性;应用目前我国准确性最为可靠的土地利用与植被数据提取土地覆被数据,首次将农业多熟种植作为单独的植被类型引入模型中,模型参数与输入数据的精度保障了模型模拟结果的可靠性。     

基于水文模型的蒸散发数据同化实验研究

流域蒸散发定量估算一直是水科学领域的研究前沿,水文模型和遥感反演是当前估算区域蒸散发的常用手段。研究通过数据同化,集成水文模型和遥感模型的优势,耦合遥感蒸散发到水文模型中以实现多源数据下的蒸散发数据同化。选择北京市沙河流域为研究区,分布式时变增益水文模型作为模型算子,基于集合卡尔曼滤波同化算法,利用双层遥感模型模拟的蒸散发同化水文模型,并基于地面通量站观测的日蒸散发进行验证。结果表明,同化结果与观测数据相比平均绝对百分比误差较同化前减少,精度进一步提升,且当遥感观测输入频繁时精度改善明显。研究证明基于水文模型的蒸散发数据同化系统,是一种可实现输出精度更高和时序连续的区域蒸散发的新型模式。该成果将进一步丰富创新蒸散发估算的学科内容,为准确理解区域水循环规律提供科学依据。     

数据同化算法研究现状综述

近年来,全球环境变化对人类生存影响日益突出,为了加强对陆地—大气—海洋的监测,全球对地观测系统计划(GEOSS)和全球环境与安全监测计划(GMES)等相继被提出。数据同化算法作为连接观测数据与模型模拟预测的关键桥梁也得到了迅速发展,显著标志新的数学研究成果不断被引入数据同化算法中。在国家重大科技基础设施项目"航空遥感系统——地球科学数据处理软件系统"需求背景条件下,梳理遥感数据同化算法的国内外发展现状,明确数据同化算法开发的技术主线和重点内容,稳步推进数据同化算法理论研究和软件开发。     

利用场地观测计算地表通量

高原地表的感热和潜热通量在亚洲季风系统中有很重要的作用。由于高原地域辽阔，且自然环境较严酷，不利于建立完善的地面观测系统。因此，卫星遥感观测就成为测算高原整体感热和潜热通量的有效工具。地面场地的观测结果作为地表通量的真实值，对于卫星遥感测算是非常重要的。它也为构建陆面—大气模型提供了科学依据，是卫星资料的资料同化系统中的重要组成部分。 计算场地热量通量有几种不同的处理方法。最简单的方法利用有效的观测和试验的参数，可以给出稳定连续的估计。愈精确的Bowen比或者廓线的观测能给出愈精确的信息。综合了湍流测量及辐射测量、土壤热通量的观测结果的估计对陆面—大气相互作用进行了详细的描述，以适应模式的发展。从1998年开始，这些方法联合应用到青藏高原；场地通量观测方面的成果以及目前对其理解将在本文中做一概述。     

生态系统碳通量估算中耦合涡度协方差与遥感技术研究进展

陆地生态系统CO2和水热通量的长期观测研究一直是国际上关注的热点问题.截止目前,利用微气象学原理的涡度协方差技术是唯一能直接测定生物圈与大气间物质与能量通量的标准方法,成为国际通量观测网络的主要技术.但是涡度协方差技术的测定仍然是一种小尺度观测方法,其观测结果难于直接外推到更大尺度.同时,缺乏区域、跨尺度生态系统及其时空动态观测数据一直是限制碳循环研究的主要障碍,而遥感技术的发展可望在不远的将来使大尺度、高分辨生态系统变化的长期定量观测成为可能.这些问题在当今集中体现在如何建立通量-遥感的跨尺度观测体系,并有效地将有限的通量站点测量数据与大尺度遥感资料以及生态模型有机地结合.总结过去耦合涡度协方差技术与遥感技术的工作,主要在以下3个层面展开:①涡度协方差技术与遥感技术对碳通量估算的相互验证;②涡度协方差技术为遥感反演提供地面参数;③遥感观测解译辅助分析通量贡献区(footprint).集中在这3个方面进行探讨,通过总结各方面的研究特点与进展,可望为未来在这个领域开展工作理顺思路.     

生态系统碳通量估算中耦合涡度协方差与遥感技术研究进展

陆地生态系统CO^₂和水热通量的长期观测研究一直是国际上关注的热点问题。截止目前,利用微气象学原理的涡度协方差技术是唯一能直接测定生物圈与大气间物质与能量通量的标准方法,成为国际通量观测网络的主要技术。但是涡度协方差技术的测定仍然是一种小尺度观测方法,其观测结果难于直接外推到更大尺度。同时,缺乏区域、跨尺度生态系统及其时空动态观测数据一直是限制碳循环研究的主要障碍,而遥感技术的发展可望在不远的将来使大尺度、高分辨生态系统变化的长期定量观测成为可能。这些问题在当今集中体现在如何建立通量—遥感的跨尺度观测体系,并有效地将有限的通量站点测量数据与大尺度遥感资料以及生态模型有机地结合。总结过去耦合涡度协方差技术与遥感技术的工作,主要在以下3个层面展开：①涡度协方差技术与遥感技术对碳通量估算的相互验证;②涡度协方差技术为遥感反演提供地面参数;③遥感观测解译辅助分析通量贡献区（footprint）。集中在这3个方面进行探讨,通过总结各方面的研究特点与进展,可望为未来在这个领域开展工作理顺思路。     

青藏高原草地生态系统碳通量研究进展

青藏高原拥有我国面积最大的天然草地,区域内生态系统碳通量的长期定位观测研究具有重要意义.在总结生态系统碳通量主要研究方法基础上,对青藏高原不同植被类型碳循环的源、汇效应、时空变化及其与影响因子关系等研究领域所取得的重要进展进行了综合评述.现有研究表明,不同植被类型间CO2通量的季节变化、年际变化、交换量和碳源汇特征等存在明显差异,光合有效辐射、温度、降水、土壤水分和叶面积指数等是影响碳通量变化的主要驱动因子.最后,结合当前青藏高原地区生态系统碳通量研究的现实与需要,探讨了通量观测所面临的主要科学问题及解决途径.未来对青藏高原碳循环关键过程的研究工作还需要多尺度、长期生态实验和CO2通量观测数据支持,同时以此为基础发展新的数据处理、分析和跨尺度机理模拟方法,建立青藏高原生态系统碳循环模型.     

中国陆地生态系统近 2 0年碳空间动态的初步研究(英文)

陆地生态系统的净生产力 (NEP)是生态系统净初级生产力 (NPP)和异氧呼吸 (Rh)之差。在全球尺度上 ,反映NPP和Rh之差的NEP直接揭示陆地生态系统与大气系统之间的二氧化碳交换 ,即碳平衡 ,因此 ,意义重大。文章简短回顾了关于中国陆地生态系统碳平衡的研究状况。由于植物根部呼吸很难从土壤表面总二氧化碳 (CO2 )通量中分开 ,因此直接从野外测量土壤异氧呼吸几乎是不可能的。虽然由于像诸如火灾、森林砍伐、土地利用变化及气候和大气变化等干扰因素 ,全球陆地生态系统很大程度上处于非平衡态 ,利用生态系统在平衡态时NPP等于Rh这一事实 ,我们估算了全球和中国森林生态系统的土壤异氧呼吸。利用遥感和地面的NPP观测数据 ,我们也估算了中国森林生态系统逐月的净生产力 (1982— 1998)。NPP的估算主要采用NOAA卫星AVHRR 8km的NDVI数据 ,结合地面气候数据完成。土壤呼吸是通过地面观测数据与温度和降水的关系得到的。在此基础上我们得到了中国陆地生态系统在过去近 2 0年中碳的动态变化 ,并给出了初步结果。     

“资源一号”02c卫星数据说明及处理

"资源一号"02C卫星于2011年12月22日成功发射,为填补国内高分辨率遥感数据空白做出了巨大贡献。ZY-102C卫星载有全色多光谱相机和全色高分辨率相机,可获取目标区域的全色和多光谱影像数据,同时其数据缺少蓝色波段,需利用已有的波段信息计算出蓝光波段,并与红、绿波段进行组合以得到模拟真彩色影像。通过一系列遥感影像处理手段,如正射纠正、镶嵌、几何配准、真彩色模拟、融合及裁剪等,可得到研究区的ZY-102 C高分辨率多光谱影像,能较好地满足用户需求。     

利用卫星遥感资料反演感热和潜热通量的研究综述

区域平均感热和潜热通量是气象、水文、生态模式中的关键物理因子,卫星遥感反演为观测区域平均感热和潜热通量提供了可能。对利用卫星遥感资料反演地气通量的方法进行了总结和评述。首先描述了现在常用的反演方法,分析了方法中的各种假定对反演结果的影响,并对不同的模式反演结果进行了比较。还指出了评价卫星反演通量的精度时需要注意的问题。最后对该领域内现存的问题与发展方向进行探讨。     

典型森林生态系统碳交换的机理模拟及其与观测的比较研究

CEVSA模型是一个基于生理生态过程模拟植物—土壤—大气系统能量交换和水碳氮耦合循环及其对环境变化响应和适应的机理模型，在区域和全球尺度上得到广泛应用，但缺乏在生态系统尺度上的验证。本研究对CEVSA模型中碳循环关键过程的定量表达进行了重要改进：将模型的模拟时间步长由“旬”改为“日”；增加了物候参数化的子程序；调整了生物量的分配方案；基于碳平衡模拟叶面积指数的季节动态等。分别使用改进前后的CEVSA模型模拟了3类典型森林生态系统碳交换的季节动态，模拟的结果与通量观测进行了比较分析。结果表明，改进后的CEVSA模型能更好地模拟不同类型森林生态系统碳交换的季节动态，但在不同生态系统的不同时段，模型模拟的结果与通量观测相比还有一定的偏差，模型在碳交换关键过程对环境变化的响应和适应，尤其是针叶林光合作用对温度变化的响应和适应，以及生态系统对高温和水分亏缺的响应和适应等方面的模拟还需要进一步的改进和验证。     

城市陆面过程与边界层结构研究

通过城市边界层观测、卫星遥感以及城市边界层数值模拟等途径,获取对城市陆面过程特性的认识,研究建立精细城市边界层模式,引入合理城市区陆面过程参数化方案,并进行城市边界层结构影响研究。研究结果表明：①城市下垫面能量平衡过程迥异于自然地表,引入合理的参数化方案是改善数值模拟性能的关键。②高分辨卫星观测信息是认识城市地表参数状况及其变化的有效途径。 ③人为热排放参数化方案的合理引入是准确描述地表能量平衡过程的又一重要课题。需根据实际情况确定人为热排放的引入方案及量值变化。④应从合理描述城市建筑物下垫面对热力输送及大气动力场的影响出发,研究建立了多层城市冠层模式。⑤应建立更完善的多尺度城市边界层模式系统并引入更新的城市效应参数化方案和数据同化处理,以增强并完善城市边界层数值模拟能力。     

植被覆盖度遥感估算研究进展

植被覆盖度是刻画地表植被覆盖的重要参数,在全球变化研究、地表过程模拟和水文生态模型中发挥着重要作用.遥感能够反映不同空间尺度的植被覆盖信息及其变化趋势,是获取区域及全球植被覆盖度参数的一个重要手段.综合分析了用于植被覆盖度估算的遥感数据源,包括高光谱数据、多光谱数据、微波数据和激光雷达数据.而且分析了各种常用的植被覆盖度遥感估算方法及其优缺点,并评价了现有基于遥感数据的植被覆盖度产品及存在问题.最后,针对目前研究中存在的问题,讨论了植被覆盖度遥感估算研究的发展趋势,指出高时空分辨率长时间序列的全球植被覆盖度数据集、多源遥感数据融合和同化技术是未来植被覆盖度遥感估算研究的主要方向.     

利用卫星遥感资料反演感热和潜热通量的研究综述

区域平均感热和潜热通量是气象、水文、生态模式中的关键物理因子，卫星遥感反演为观测区域平均感热和潜热通量提供了可能。对利用卫星遥感资料反演地气通量的方法进行了总结和评述。首先描述了现在常用的反演方法，分析了方法中的各种假定对反演结果的影响，并对不同的模式反演结果进行了比较。还指出了评价卫星反演通量的精度时需要注意的问题。最后对该领域内现存的问题与发展方向进行探讨。     

黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验总体设计

介绍了"黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验"的背景、科学目标、试验组成和试验方案。试验的总体目标是显著提升对流域生态和水文过程的观测能力,建立国际领先的流域观测系统,提高遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。由基础试验、专题试验、应用试验、产品与方法研究和信息系统组成。其中,①基础试验:搭载微波辐射计、成像光谱仪、热像仪、激光雷达等航空遥感设备,开展一系列关键生态和水文参量的观测;发展遥感正向模型及反演和估算方法。形成覆盖全流域的水文气象综合观测网,为流域生态—水文模型研究提供更有代表性的模型参数、驱动数据及更高精度的验证数据。构建无线传感器网络,度量生态水文模型所需的若干关键的驱动、参数和模型状态的空间异质性。开展航空遥感定标和地基遥感试验。依托传感器网络,并辅之以地面同步和加密观测,开展遥感产品真实性检验。②专题试验:开展"非均匀下垫面多尺度地表蒸散发观测试验",采用密集的涡动相关仪、大孔径闪烁仪与自动气象站的观测矩阵,为揭示地表蒸散发的空间异质性,实现非均匀下垫面地表蒸散发的尺度扩展,发展和验证蒸散发模型提供基础数据。③应用试验:在流域上、中、下游分别开展针对积雪和冻土水文、灌溉水平衡和作物生长、生态耗水的综合观测试验,将观测数据和遥感产品用于上游分布式水文模型、中游地表水—地下水—农作物生长耦合模型、下游生态耗水模型,通过实证研究提升遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。加强试验将在2012年5月起按中游、上游、下游的顺序展开,全流域持续观测期为2013—2015年。在各类试验的支持下,开展全流域生态—水文关键参量遥感产品生产,发展尺度转换方法,建立多源遥感数据同化系统。     

海上风能资源观测与评估研究进展

风能资源观测评估是风电开发建设的前提基础,海上风电投资成本巨大,更需准确评估风能资源以减少风电投资风险。从传统气象站观测到多平台遥感探测,从简单数理统计到耦合模式数值模拟,观测数据的丰富和技术方法的成熟,使得海上风能资源评估的可靠性越来越高。站位资料匮乏、遥感资料丰富是海上风场观测数据特点。运用多尺度耦合模式,同化多源遥感探测资料和站位观测资料,以多方式技术融合形式开展海上风能资源评估,是区域风能资源评估方法的主流发展方向。风电场风能资源评估应着重注意观测数据质量、数据插补订正、重现期风速推算及风能参数长年代修正等方式方法的选择,这些因素可直接影响未来风电场运行效益。     

二维平面非恒定流数学模型的遥感水位数据同化

为了在水流计算中定量化利用遥感水位数据,基于偏微分方程最优化控制理论建立了变分模型来融合二维平面非恒定流的数学模型和数据。根据遥感数据空间信息密集的特点,提出遥感水位数据同化的新算法。采用人工合成数据考察了面域遥感数据对于定常参数和时变两类参数的反演效果。试验结果表明,遥感数据提供的空间分布式信息有利于空间分布式参数的反演识别,而且通过引入考虑水面空间变化信息的附加项,可以改善观测信息的同化,更好地辨识时变参数(流量过程)。以Moselle河的RADARSAT卫星遥感水位数据检验了模型的实用性。     

陆地生态系统植被生产力遥感模型研究进展

陆地生态系统植被生产力一直是全球变化领域内的研究热点,对其模拟的准确与否直接决定了后续碳循环要素的模拟精度,也关系到能否准确评估陆地生态系统对人类社会可持续发展的支持能力。遥感数据因其能够提供时空连续的植被变化信息,在区域植被生产力的模拟中扮演了不可替代的角色。目前遥感模型可以分为统计模型和过程模型2类。前者主要基于植被指数等与观测值的统计关系,从最初的线性关系发展到利用回归树等多变量的统计模型。后者则是基于光能利用率原理,借助于遥感数据的时空连续性实现对区域和全球植被生产力的准确评估。然而,这些模型在计算植物冠层吸收的光合有效辐射比例、环境对最大光能利用率的限制等诸多方面存在显著的差异,对于一些关键的生态系统过程描述不完善,总体而言模拟能力仍然有待提高。此外,遥感数据也被广泛地应用于动态植被模型的发展和应用中,为模拟提供植被类型、叶面积指数等关键的输入数据。后续的研究应该进一步改进模型公式,发展集合预估算法,并应考虑由于输入数据和参数的不确定性而导致的区域模拟误差,以提高对区域植被生产力的模拟精度。