基于人工神经网络的ChinaFLUX观测站CO_2模拟研究通量

涡度相关技术的发展,为准确获取区域尺度的CO2通量分布格局提供了数据基础．但由于涡度相关技术自身的局限性,需要利用模型模拟作为获取区域CO2通量的重要手段．可是CO2通量和其他微气象变量之间的非线性关系给模拟CO2通量的时空动态变化带来了一定的困难．人工神经网络模型为模拟CO2通量与其他微气象变量的非线性关系提供了一种新的手段．在ChinaFLUX三个不同类型(农田、森林、草地)生态系统中,基于2003年6～8月的半小时涡度相关观测数据,采用BP人工神经网络模型,以能量通量(净辐射、潜热、显热和土壤热通量)以及温度(空气温度、土壤温度)和表层土壤水分作为输入变量,模拟了CO2通量的动态变化．结果表明,人工神经网络模型具有较好的模拟结果,其R2系数在0．75与0．866之间．RMSE在0．008μmol／m2与0．012μmol／m2之间,MAE在1．38μmol／m2与3．60μmol／m2之间,其中农田和森林生态系统的模拟精度略高于草地生态系统．其次,通过比较土壤水分要素是否参与模拟的结果表明,在生长季期间,不存在土壤水分胁迫的情况下,土壤水分的参与并不能显著提供模型模拟的精度．最后,应用连接权重方法进行了神经网络模型不同输入变量的重要性分析,指出神经网络模型不完全是一个黑箱模型,也可以有效地揭示出某些机理性现象．该研究证明,神经网络模型不仅可以有效地模拟CO2通量,也可以揭示出一些机理现象,为通过涡度相关观测与遥感反演技术的集成途径,利用已获取的区域尺度能量通量数据,模拟分析区域尺度的CO2通量分布格局提供了一种有效的方法．     

基于人工神经网络的ChinaFLUX 观测站CO2模拟研究通量*

涡度相关技术的发展, 为准确获取区域尺度的CO₂通量分布格局提供了数据基础. 但由于涡度相关技术自身的局限性, 需要利用模型模拟作为获取区域CO₂通量的重要手段. 可是CO₂通量和其他微气象变量之间的非线性关系给模拟CO₂通量的时空动态变化带来了一定的困难.人工神经网络模型为模拟CO₂通量与其他微气象变量的非线性关系提供了一种新的手段. 在ChinaFLUX三个不同类型(农田、森林、草地)生态系统中, 基于2003年6~8月的半小时涡度相关观测数据, 采用BP人工神经网络模型, 以能量通量(净辐射、潜热、显热和土壤热通量)以及温度(空气温度、土壤温度)和表层土壤水分作为输入变量, 模拟了CO₂通量的动态变化. 结果表明, 人工神经网络模型具有较好的模拟结果, 其R2系数在0.75与0.866之间.RMSE在0.008 ?mol/m²与0.012 ?mol/m²之间, MAE在1.38 ?mol/m²与3.60 ?mol/m²之间, 其中农田和森林生态系统的模拟精度略高于草地生态系统.其次, 通过比较土壤水分要素是否参与模拟的结果表明, 在生长季期间, 不存在土壤水分胁迫的情况下, 土壤水分的参与并不能显著提供模型模拟的精度. 最后, 应用连接权重方法进行了神经网络模型不同输入变量的重要性分析, 指出神经网络模型不完全是一个黑箱模型, 也可以有效地揭示出某些机理性现象.该研究证明, 神经网络模型不仅可以有效地模拟CO₂通量, 也可以揭示出一些机理现象, 为通过涡度相关观测与遥感反演技术的集成途径, 利用已获取的区域尺度能量通量数据, 模拟分析区域尺度的CO₂通量分布格局提供了一种有效的方法.     

中亚热带季节性干旱对千烟洲人工林生态系统碳吸收的影响

千烟洲中亚热带人工林生态系统受典型亚热带大陆性季风气候影响,其特点是年水热资源丰富,但是夏季水热资源分布明显不同步,经常受到季节性高温干旱胁迫的影响.作为中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的组成部分,利用涡度相关技术对千烟洲人工林生态系统CO2通量进行了长期连续的观测.本研究基于2003和2004年月尺度的净生态系统生产力(NEP)、生态系统呼吸(Re)和总生态系统生产力(GEP)数据,初步分析和探讨了季节性干旱对生态系统碳吸收的影响.结果表明,2003和2004年该生态系统的碳吸收都呈现双峰曲线式的季节变化模式.生态系统碳平衡的两个组分Re和GEP的耦合关系决定了生态系统的碳吸收特征.生态系统碳吸收的降低程度取决于季节性干旱期间温度升高和降水量减少的耦合程度.Re和GEP都会受到干旱胁迫的影响,但是响应的方式与程度有所不同,是造成森林生态系统源/汇强度变化的根本原因.     

青藏高原金露梅灌丛草甸净生态系统CO2交换量的季节变异及其环境控制机制

利用涡度相关技术,对2003年和2004年青藏高原金露梅灌丛草甸生态系统CO2通量观测表明,金露梅灌丛草甸生态系统CO2通量日变化、年变化明显,且日变化暖季大于冷季.CO2净交换量在年内的4,9月为两个释放高峰期,以7和8月的吸收量最大.2年的CO2吸收分别为231.4和274.8 gCO2·m-2,平均为253.1 gCO2·m2,在区域起着重要的碳汇功能.CO2日交换量与温度、辐射等气象因素具有显著的负相关关系.受年际间气候差异影响,两年CO2释放和吸收高峰出现及维持时间具有微小的差异.比较发现,各年白天CO2通量受光合辐射的控制作用基本相同,温度条件似乎成为影响CO2通量的重要环境因子.在植物生长季温度过高明显时,会降低碳的吸收能力.其原因可能是由于高温度条件下土壤呼吸增强有关引起的.生物量测定表明,2003和2004年的地上和地下生物年净固碳量分别为544.0和559.4 gC·m-2,与CO2年净交换吸收碳量(分别为63.1和74.9 gC·m-2)基本趋势一致.     

西藏高原草原化嵩草草甸生态系统CO2净交换及其影响因子

了解生态系统CO2净交换(NEE)的季节变化规律和主要生物因子及环境因子对这些过程的影响将有助于生态系统碳循环过程机理的理解以及大尺度过程的模拟.本研究利用涡度相关技术对位于西藏高原腹地的、世界海拔最高的草地碳通量观测站的NEE及生物和环境因子进行近3年观测,阐明NEE及其组分的动态变化特征和影响因子.草原化嵩草草甸生态系统碳吸收的最大值出现在8月,最大碳排放出现在11月,在生长季初的6月,受降水和植物返青快慢的影响,会出现生态系统碳吸收或排放的年际差异,7～9月表现为碳吸收,其余月份均为碳排放.在生长季,白天的NEE主要受光合有效辐射变化的控制,同时又与叶面积指数交互作用,共同调节光合速率和光合效率的强度.生态系统呼吸主要受温度的控制,同时也受到土壤含水量的显著影响,呼吸商(Q10)与温度呈负相关,而与土壤含水量呈正相关关系.生长季昼夜温差大并不利于生态系统的碳获取.10℃时标准呼吸速率(R10)与土壤水分、温度、叶面积指数和地上生物量呈正相关关系.降水格局影响了土壤水分动态,土壤含水量会显著影响生态系统呼吸的季节变化.生长季初和末期的脉冲性降水会导致生态系统呼吸的迅速上升,从而导致生态系统碳的流失.西藏高原草原化嵩草草甸生长季短,温度低,致使生态系统的叶面积指数偏低,生态系统碳吸收较少,降水格局引起的土壤湿度动态和脉冲性降水将对生态系统呼吸产生了重要影响,从而会影响到生态系统的碳收支水平.     

基于人工神经网络的ChinaFLUX观测站CO2模拟研究通量

涡度相关技术的发展,为准确获取区域尺度的CO2通量分布格局提供了数据基础.但由于涡度相关技术自身的局限性,需要利用模型模拟作为获取区域CO2通量的重要手段.可是CO2通量和其他微气象变量之间的非线性关系给模拟CO2通量的时空动态变化带来了一定的困难.人工神经网络模型为模拟CO2通量与其他微气象变量的非线性关系提供了一种新的手段.在ChinaFLUX三个不同类型(农田、森林、草地)生态系统中,基于2003年6～8月的半小时涡度相关观测数据,采用BP人工神经网络模型,以能量通量(净辐射、潜热、显热和土壤热通量)以及温度(空气温度、土壤温度)和表层土壤水分作为输入变量,模拟了CO2通量的动态变化.结果表明,人工神经网络模型具有较好的模拟结果,其R2系数在0.75与0.866之间.RMSE在0.008 μmol/m2与0.012 μmol/m2之间,MAE在1.38 μmol/m2与3.60 μmol/m2之间,其中农田和森林生态系统的模拟精度略高于草地生态系统.其次,通过比较土壤水分要素是否参与模拟的结果表明,在生长季期间,不存在土壤水分胁迫的情况下,土壤水分的参与并不能显著提供模型模拟的精度.最后,应用连接权重方法进行了神经网络模型不同输入变量的重要性分析,指出神经网络模型不完全是一个黑箱模型,也可以有效地揭示出某些机理性现象.该研究证明,神经网络模型不仅可以有效地模拟CO2通量,也可以揭示出一些机理现象,为通过涡度相关观测与遥感反演技术的集成途径,利用已获取的区域尺度能量通量数据,模拟分析区域尺度的CO2通量分布格局提供了一种有效的方法.     

几种不同下垫面地表粗糙度动态变化及其对通量机理模型模拟的影响

在众多地表通量模拟模型和遥感通量反演模型中,空气动力学粗糙度(z0)是一个重要的地表参数.选取代表典型农田的禹城站,代表复杂下垫面的千烟洲站和代表森林下垫面的长白山站3个通量观测站的风速和温度廓线资料,运用最小二乘法拟合迭代,分别计算得到各站点通量塔所在地的零平面位移和空气动力学粗糙度.在此基础上,分别分析不同下垫面的空气动力学粗糙度随作物高度和叶面积指数(LAI)、风向(地形)、风速、摩擦速度等因子的变化.并采用SEBS模型分析地表空气动力学粗糙度动态变化对地表通量计算的影响.结果表明空气动力学粗糙度随植被特征(如作物高度,叶面积指数等)以及风向、风速和摩擦速度等因子而变化.禹城和长白山站通量塔所在风浪区的空气动力学粗糙度明显随作物生长期植被高度及叶面积指数变化,即先随LAI增加而增加,达到峰值后,随LAI增加而减小;千烟洲叶面积指数变化较小,空气动力学粗糙度随叶面积指数的变化不明显;地形较平坦的禹城和长白山站空气动力学粗糙度随风向变化较小,而地形起伏较大的千烟洲站空气动力学粗糙度随风向变化较大.随着风速的变化,禹城站空气动力学粗糙度没有明显变化,而千烟洲和长白山空气动力学粗糙度表现出随风速增加而减小的趋势.各站空气动力学粗糙度的这种动态变化对模型通量反演有较大影响,通过模型分析,5月1日～6月3日禹城空气动力学粗糙度日平均值、千烟洲及长白山通量塔空气动力学粗糙度5d平均值与模型所取z0值相比,由于z0的动态变化造成相同时间尺度显热通量H的计算相对误差的绝对值最大可分别达到2.726%,33.802%和18.105%.     

用微气象方法估算淮河流域能量平衡（HUBEX／IOPl998／99）的统计分析和比较研究

利用1998和1999年HUBEX强化观测期在安徽寿县用微气象方法(波比-能量平衡法和涡度相关法)观测的资料，分析了该地区的能量平衡特征，同时与其他地区的结果进行了初步比较，结果表明：(1)用涡度相关方法测定的感热和潜热之和(H E)ec与下垫面有效能量(Rn-G)的一致性比较好，但用波比方法估算的潜热通量Ebr比用涡度相关法测定的潜热通量Eec略高(约10％)。(2)大部分净辐射能用于了地表蒸发，1998和1999年，净辐射通旦的平均日总量分别是13．89MJm^-2d-1和11．83MJ m^-2 d^-1；两年的平均波比分别是0．14(杂草)和0．06(稻田)。(3)波比在日出和日落时数值大且不稳定，白天比较小且比较稳定，另外，1999年在稻田上观测到明显的局地平流现象。(4)通过与我国其他地区的观测资料比较，淮河流域稻田的波比最小(0．06)，在内蒙古草原观测的波比值最大(0．57)。波比值的大小主要与土壤水分有关。     

以微分热惯量为基础的地表蒸发全遥感信息模型及在甘肃沙坡头地区的验证

首先综合回顾了目前采用的地表通量遥感方法和途径.分析了现有遥感思路中不能摆脱非遥感参数的现实和困扰. 在实践的基础上, 建立了以微分热惯量为基础的地表蒸发全遥感信息模型. 其思路的关键是以微分热惯量提取土壤水分可供率而独立于土壤质地、类型等局地参数; 以土壤水分可供率推算波文比而摆脱气温、风速等非遥感参数. 并以净辐射通量和表观热惯量对土壤热通量进行参数化. 实现了以全遥感信息反演裸地蒸发(潜热通量)的目标. 应用接近最高和最低地表温度出现时刻的两幅NOAA- AVHRR 5个波段的影像图和地面同步观测数据, 作出了我国西北沙坡头地区的土壤蒸发的区域分布影像图. 同时以同步观测的地表蒸发值对影像图对应点的输出值进行了对比, 验证了本思路和模型的可行性, 并且讨论了本模型扩展到浓密植被区所能造成的误差和进一步改进途径.     

比辐射率封闭法测定技术及误差分析

劈窗算法是目前由热红外遥感图像数据获取陆面温度最主要的方法。由于进行地面像元尺度实时陆面温度同步测量的困难,尚无法直接对现有各劈窗算法进行评判。该文借助于辐射传输模型ＬＯＷＴＲＡＮ７及其提供的６ 种标准大气模式,进行模拟计算,分析了６ 种主要劈窗算法对大气廓线误差和比辐射率的敏感度,作为对劈窗算法适用性的一间接判据。