基于OGC WPS的碳循环模型服务平台的设计与实现

 碳循环模型是模拟陆地生态系统,估计和预测不同尺度碳收支格局和变率的重要手段。但传统碳循环模型应用中存在数据处理量大、运算复杂、互操作性差、难以推广等问题。由开放地理信息联盟(OGC)制定的网络处理服务(WPS)标准为实现碳循环模型的发布、共享、重用与组合,促进碳循环模型的发展和应用提供了一种新的途径。本文遵循OGC WPS标准,以SOA设计了碳循环模型服务平台的整体架构,详细描述了平台模型接口设计、模型算法开发、WPS服务的封装与发布、平台浏览器客户端界面开发等关键环节的实现方法,为用户提供了碳循环相关数据和模型服务的发布、管理、调用、组合、异步交互、状态监控和结果可视化等功能。并以VPM模型服务链为应用实例,演示碳循环模型WPS服务开发、封装、调用和组合的方法,展示了该服务平台的功能。该平台的建立为我国碳循环模型研究的发展提供了技术支撑。     

中亚热带人工针叶林CO2通量组分统计不确定性分析

以ChinaFLUX千烟洲中亚热带人工针叶林2003—2005年连续3a涡度相关C02通量观测数据为基础,采用“单塔日变化法（Daily-differencing approach）”分析了CO2通量观测数据的随机误差,研究比较了不同生态过程模型、不同参数优化方法对模型关键参数及CO2通量组分（Reco,NEE,GEE）的影响,并利用不确定性分析方法——自助法（Bootstrapping）统地分析了生态过程参数和CO2通量组分的不确定性．结果表明：（1）CO2通量观测随机误差更多服从双边指数分布（Laplace分布）,而不是高斯正态分布;（2）不同参数优化方法获取的生态过程参数存在明显差异,最大似然参数优化方法获取的参数结果不确定性低于普通最小二乘参数优化方法;（3）最大似然参数优化方法与普通最小二乘参数优化方法模拟的如。,NEE,GEE结果分别相差12．18％（176．47g C．m^-2．a^-1）,34．33％（79．175g C．m^-2．a^-1）,5．4％（91．955g C．m^-2．a^-1）;而TW_model与T_model模拟Reco,NEE,GEE结果分别相差1．31％（17．825g C．m^-2．a^-1）,2．1％（5．745g C．m^-2．a^-1）,0．26％（4．28g C．m^-2．a^-1）．这说明参数优化方法的选择对C02通量的影响高于模型的选择,因此选择适当的误差分布假设（参数优化方法）对CO2通量的确定和评价很重要;（4）最大似然法参数优化方法获取结果的相对不确定性低于普通最小二乘法参数优化方法．且CO2通量组分估计结果的不确定性随时间尺度变化,时间尺度越大,CO2通量的相对不确定性越小．Reco,NEE,GEE年尺度上的相对不确定性分别为4％～8％．7％～22％．2％～4％．     

1981-2010年中国散射光合有效辐射的估算及时空特征分析

光合有效辐射（Photosynthetically active radiation,PAR）是植物光合作用的主要能量来源,其散射组分能够增强植被冠层光能利用率,从而增加碳吸收。因此,散射PAR是生态系统生产力模型的重要驱动因子。本文尝试估算我国1981-2010 年的散射PAR,通过空间化得到近30 年月尺度10 km分辨率的散射PAR空间数据集,并分析了其空间分布特征和时间变化趋势。结果表明：（1）1981-2010 年散射PAR多年平均值的空间分布具有明显的空间异质性,总体上东北部较低,南部和西部较高。全国范围内的多年平均值在6.66~15.27 mol m^-2 d^-1之间,且夏季散射PAR最大,冬季最小。（2）1981-2010 年全国所有像素散射PAR年平均值表现出明显的上升趋势,上升幅度为0.03 mol m^-2 d^-1/10a;但前10 年下降趋势明显,且1982、1983、1991 和1992 年存在明显异常。春季的散射PAR呈现微弱的下降趋势,其他季节均呈上升趋势。（3）1981-2010 年散射PAR时间变化率的空间分布具有明显的季节变化和区域差异,我国大体呈现南部区域上升,北部区域下降。     

基于参照基准的湿地生物多样性保护成效区域对比评估

针对湿地生物多样性保护评估缺乏区域可比性和评估结果难以被管理部门应用的实际问题,以三江平原与伊犁—天山山地西段作为研究区,将InVEST模型的生境质量指数用于表征湿地生物多样性保护功能,采用基于参照基准的生境质量指数相对量方式,将研究区内湿地自然保护区生境质量指数的时间序列最大值用作生成评估指标相对量的参照基准,通过计算相对于参照基准的生境质量指数相对量,形成湿地生物多样性保护成效区域之间对比的评估指标,对1990~2010年期间研究区域生物多样性保护的具体成效进行动态对比评估。研究结果表明,三江平原和伊犁—天山山地西段的参照基准数值分别为0.83和0.36,它们能够有效反映两区域之间生物多样性保护功能的本底差异;三江平原生境质量指数相对量由-0.1428减小为-0.1683,总体呈现距参照基准较远且逐步远离趋势,而伊犁—天山山地西段生境质量指数相对量由-0.0427增大至-0.0285,它们更接近参照基准,并具有不断接近趋势,由此说明伊犁—天山山地西段湿地生物多样性的保护效果要优于三江平原。     

1981–2010年中国散射光合有效辐射的估算及时空特征(英文)

Photosynthetically active radiation(PAR) is the energy source of plant photosynthesis, and the diffuse component can enhance canopy light use efficiency, thereby increasing the carbon uptake. Therefore, diffuse PAR is an important driving factor of ecosystem productivity models. In this study, we estimated the diffuse PAR of over 700 meteorological sites in China from 1981 to 2010 using an empirical model based on observational data from Chinese Ecosystem Research Network(CERN) and China Meteorology Administration. Then we derived the spatial data set of 10 km monthly diffuse PAR using ANUSPLIN software, and analyzed the spatiotemporal variation characteristics of diffuse PAR through GIS and trend analysis techniques. The results showed that:(1) The spatial patterns of annual average diffuse PAR during 1981–2010 are heterogeneous across China, lower in the northeast and higher in the west and south. The nationwide average value for 30 years ranges from 6.66 mol m-2 d-1 to 15.27 mol m-2 d-1, and the value in summer is the biggest while the value in winter is the smallest.(2) There is an evident increasing trend of annual diffuse PAR during recent 30 years, with the increasing amplitude at 0.03 mol m-2 d-1/10a. But a significant declining trend is shown in the first 10 years, and obvious anomalies can be seen in 1982, 1983, 1991 and 1992. And there is a downtrend in spring and an uptrend in all the other seasons.(3) The spatial distribution of temporal variation rates of diffuse PAR is inhomogeneous across the country, generally decreasing in the north and increasing in the south.     

土壤水分及粗糙度对比辐射率的影响

比辐射率是影响地表温度遥感反演精度的主要因素,是定量热红外遥感领域研究的核心内容,其与土壤质地、土壤成分、土壤水分和土壤粗糙度关系密切。首先通过试验方法初步研究了土壤水分和土壤粗糙度对土壤比辐射率的影响。其次采用傅里叶变换红外光谱仪观测不同水分条件下土壤比辐射率波谱。最后采用基于改变两次环境观测原理的一种主被动漫射式实时比辐射率测定装置观测不同粗糙度条件下8—14μm土壤比辐射率均值的变化。结果表明,土壤比辐射率随土壤水分的增加而增加,其中影响最显著波段范围是3.3—5.3μm,这个波段范围内波段平均比辐射率干土与湿土差异大于0.2;影响最小的波段范围是11—15μm,这个波段范围内波段平均比辐射率干土与湿土差异在0—0.015之间;在热红外波段,8—9.5μm是土壤水分对比辐射率影响最大的波段,干土与湿土比辐射率差异大于0.05;土壤比辐射率随着粗糙度的增加略有增加,干土和湿土都有此规律。     

基于MapReduce的空间敏感性分析并行算法设计

近年来,随着遥感空间数据广泛应用于生态系统,推动了区域尺度生态遥感参数模型的发展。敏感性分析对识别模型关键参数,降低模型不确定性和完善模型具有重要作用。区域尺度的生态遥感参数模型,在进行模型参数敏感性分析时,由于涉及到空间数据的复杂运算,单机环境无法满足快速分析的要求。为了提高生态遥感参数模型空间敏感性分析效率,本文以青藏高原为研究区域,利用植被光合模型VPM(Vegetation Photosynthesis Model)和开源云计算平台Hadoop,设计和实现了基于Sobol′的生态遥感参数模型空间敏感性分析并行算法,并在实验室集群环境下进行算法分析,验证了算法的有效性和适用性。该算法的核心是利用MapReduce并行编程技术,对空间敏感性分析中的地图抽样和模型迭代过程进行任务分割,将分割后的子任务分配至不同的计算节点进行并行计算。实验表明,本文提出的并行策略,能有效缩短地图抽样和模型迭代计算时间,相比于单机算法,并行算法的运行速度提高了14倍左右。     

近50年中国地表净辐射的时空变化特征分析

基于GIS空间分析技术与Mann-Kendall趋势分析方法,对中国陆地区域699个气象站点1961-2010年逐年、季平均地表净辐射进行时空变化特征分析,结果表明:(1)参数拟合后的FAO Penman修正式对模拟站点逐日地表净辐射的总体精度较高,均方根误差为27.9W.m-2,相关系数为0.85,平均相对误差为0.13;(2)全国近50年站点平均地表净辐射在年、季均呈现出较明显的下降过程,年均降幅为0.74W.m-2.10a-1,不同季节的下降幅度存在差异,夏季降幅最大;(3)逐站点分析显示全国大部分站点(59.8%)年均地表净辐射呈显著下降趋势(0.05),东部趋势变化比西部明显,夏季在地表净辐射年际变化中的贡献最大,华北、华中、华南地区的站点在春夏秋季均呈显著下降趋势。     

近50年中国光合有效辐射的时空变化(英文)

Based on long-term measurement data of weather/ecological stations over China,this paper calculated and produced annually-and seasonally-averaged Photosynthetically Active Radiation(PAR) spatial data from 1961 to 2007,using climatological calculations and spatialization techniques.The spatio-temporal variation characteristics of annually-and seasonally-averaged PAR spatial data over China in recent 50 years were analyzed with Mann-Kendall trend analysis method and GIS spatial analysis techniques.The results show that:(1) As a whole,the spatial distribution of PAR is complex and inhomogeneous across China,with lower PAR in the eastern and southern parts of China and higher PAR in the western part.Mean annual PAR over China ranges from 17.7 mol m-2 d-1 to 39.5 mol m-2 d-1.(2) Annually-and seasonally-averaged PAR of each pixel over China are averaged as a whole and the mean values decline visibly with fluctuant processes,and the changing rate of annually-averaged PAR is-0.138 mol m-2 d-1/10a.The changing amplitudes among four seasons are different,with maximum dropping in summer,and the descending speed of PAR is faster before the 1990s,after which the speed slows down.(3) The analysis by each pixel shows that PAR declines significantly(α=0.05) in most parts of China.Summer and winter play more important roles in the interannual variability of PAR.North China is always a decreasing zone in four seasons,while the northwest of Qinghai-Tibet Plateau turns to be an increasing zone in four seasons.(4) The spatial distributions of the interannual variability of PAR vary among different periods.The interannual variabilities of PAR in a certain region are different not only among four seasons,but also among different periods.     

美国长期生态学研究网络（LTER）计算机基础设施现状、挑战与未来发展趋势

信息化基础设施战略规划是美国长期生态学研究网络（LTER）战略规划的重要组成部分。在美国国家科学基金会资助下,来自多个领域的专家在系统分析美国长期生态学研究网络信息化基础设施的现状及面临挑战的基础上,提出了为支持LTER在未来（几）十年的核心科学计划——社会与环境综合科学计划,在站点、网络办公室、网络层次需要开展的一系列信息化基础设施活动及产出,为未来开展LTER信息化基础设施建设提供指导。同时也可为中国生态系统研究网络（CERN）及世界其他长期生态学研究网络的规划与发展提供启示。