基于遥感信息的水平平流通量观测影响校正模型研究

能量平衡原理是遥感反演地表通量,波文比法计算地表通量的基础.但大量的观测数据表明,多数情况下,非均匀地表的地表能量是不闭合的,一方面是由于观测仪器的误差及各参量观测尺度差异造成的,更重要的则是由地表不均质性引起的水平平流效应导致的.因此,定量的估算水平平流效应对地表能量平衡的影响具有很重要的意义.以地表可供能量差、水分状况差异、风速和垂直空气温度梯度四个参数为基础,本文提出了一个基于遥感信息的水平平流通量观测影响纠正模型,其中引入了像元尺度与风浪区长度的关系.文章通过模拟计算,分析了模型中各参数对平流估算结果的影响,同时分析了水平平流的尺度效应问题.进一步,在地表实验数据的支撑下,给出了在农田下垫面情况下模型的验证结果.结果表明模型估算的能量变化率与实测的能量变化率有较好的相关性,经过纠正后的能量闭合状况有很好的改善.     

中国通量网(ChinaFLUX)夜间CO_2涡度相关通量数据处理方法研究

利用涡度相关方法连续观测的结果来估算陆地生态系统碳收支“真值”的工作,越来越引人注目．但是在后期的数据(特别是夜间观测数据)处理过程中,涡度相关方法会出现许多的不确定性问题．目前在世界范围内,用涡度相关方法测定的有效和可靠的夜间CO2通量数据占所有夜间数据的比例很低(通常低于50％)．因此,夜间CO2通量数据的处理以及分析其对生态系统碳收支估算的影响是一个非常关键的问题．简要分析和讨论了用涡度相关方法观测的夜间CO2通量数据失真的可能原因,介绍了目前国际上处理夜间CO2通量数据所采用的理论和一般方法,并结合中国通量网(ChinaFLUX)部分台站的观测数据,提出了一种可以根据夜间CO2通量与摩擦风速的相关关系来客观确定摩擦风速阈值的方法——平均值检验法(AVT),并以禹城站和长白山站数据为例,分析讨论了不同夜间数据处理方法对夜间CO2通量产生的影响．最后还在查阅相关文献的基础上,对ChinaFLUX不同台站的数据插补方法和经验方程进行了汇总．     

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%.     

几种典型地表粗糙度计算方法的比较研究

本文分别利用最小二乘拟合迭代法、牛顿迭代法、TVM法和Martano法计算2003年长白山森林地表粗糙度。结果表明,Martano法计算结果偏小,其他三种方法结果基本一致。不确定性分析表明,Martano法的不确定性与参与计算的数据量有关。拟合迭代法和牛顿迭代法的不确定性在于,通常假设u_*不随观测高度而变化,而实际u_*随观测高度变化。若相邻两个观测高度之间的u_*变化1％,地表粗糙度计算误差8.3%。TVM法由于参数C₁的选取范围为0.9~1.05,引起地表粗糙度不确定性平均值为29.9%。经计算得到长白山森林在各种大气层结条件下的地表粗糙度,拟合迭代法得到的2003年稳定、中性和不稳定条件下的地表粗糙度年平均值分别为2.642、2.103和1.616m。     

气温插值中不同空间插值方法的适用性分析——以江苏省为例

气温是最重要的气象因子之一,空间插值为台站气象数据降尺度提供了有效方法.本文利用江苏省67个气象台站2003年的逐日气温资料计算逐月平均气温和年平均气温,结合空间分辨率为30mX 30m的DEM数据,分别利用反距离权重法、张力样条插值法、普通克里格插值法和协同克里格插值法,对月和年平均气温进行插值,并利用交叉验证法对插...     

中国通量网(ChinaFLUX)夜间CO2涡度相关通量数据处理方法研究

利用涡度相关方法连续观测的结果来估算陆地生态系统碳收支“真值”的工作,越来越引人注目．但是在后期的数据(特别是夜间观测数据)处理过程中,涡度相关方法会出现许多的不确定性问题．目前在世界范围内,用涡度相关方法测定的有效和可靠的夜间CO₂通量数据占所有夜间数据的比例很低(通常低于50％)．因此,夜间CO₂通量数据的处理以及分析其对生态系统碳收支估算的影响是一个非常关键的问题．简要分析和讨论了用涡度相关方法观测的夜间CO₂通量数据失真的可能原因,介绍了目前国际上处理夜间CO₂通量数据所采用的理论和一般方法,并结合中国通量网(ChinaFLUX)部分台站的观测数据,提出了一种可以根据夜间CO₂通量与摩擦风速的相关关系来客观确定摩擦风速阈值的方法——平均值检验法(AVT),并以禹城站和长白山站数据为例,分析讨论了不同夜间数据处理方法对夜间CO₂通量产生的影响．最后还在查阅相关文献的基础上,对ChinaFLUX不同台站的数据插补方法和经验方程进行了汇总．     

1981—2019年全球陆地生态系统碳通量变化特征及其驱动因子

陆地生态系统碳汇显著降低大气CO₂浓度上升和全球变暖的速率,受人类活动和气候变化的影响,陆地生态系统碳通量具有强烈的时空变化,其估算结果仍存在较大的不确定性,不同因子的贡献尚不清晰。为此,利用遥感驱动的陆地生态系统过程模型BEPS模拟分析了1981—2019年全球陆地生态系统碳通量的时空变化特征,评价了大气CO₂浓度、叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）、氮沉降、气候变化对全球陆地生态系统碳收支变化的贡献。1981—2019年全球陆地生态系统总初级生产力（Gross Primary Productivity,GPP）、净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）和净生态系统生产力（Net Ecosystem Productivity,NEP）的平均值分别为115.3、51.3和2.7 Pg·a^-1（以碳质量计,下同）,上升速率分别为0.47、0.21和0.06 Pg·a^-1。全球大部分区域GPP和NPP显著增加,NEP显著上升（p<0.05）的区域明显少于GPP和NPP。1981—2019年,全球NEP累积为105.2 Pg,森林、稀树草原及灌木、农田和草地的贡献分别为76.4、15.8、9.4和3.6 Pg。CO₂浓度、LAI、氮沉降和气候变化各自对NEP的累积贡献分别为58.4、20.6、0.7和-43.6 Pg,全部4个因子变化对NEP的累积贡献为39.8 Pg,其中CO₂浓度上升是近40 a全球陆地生态系统NEP上升的主要贡献因子,其次为LAI。     

涡度相关测定中平均周期参数的确定及其影响分析

应用涡度相关技术估算地-气界面的水、热和CO2交换量的研究越来越普遍.为了获得真实可靠的地表通量数据,在实际应用过程中必须根据每个观测点不同的下垫面条件,对观测数据进行相应的订正,并通过对观测数据的分析来确定相关的技术参数.利用禹城、长白山两个观测站的10Hz原始涡度相关数据,以不同的平均周期(从1~720min)对数据进行了重新计算,并将重新计算的结果与30min平均周期的通量值进行了比较,分析选取不同平均周期参数得到的通量值之间的差异.其中重点分析了在禹城小麦地获取的15d连续观测数据.结果表明:(ⅰ)在禹城,当平均周期取值范围在10~60min变化时,相对30min平均周期的通量值改变小于2%;当平均周期作短于10min变化时,通量的计算结果随平均周期的缩短而明显地降低(最大相对误差为?12%);当平均周期作大于120min变化时,通量的计算结果变得不稳定(最大相对误差为±10%以上).(ⅱ)禹城小麦地通量的计算表明,10min平均周期对研究通量日变化比较好,30min平均周期比较适合于通量的长期观测研究.(ⅲ)提出了一种可以确定涡度相关测定中平均周期参数范围的归一化比值方法.通过对农田和森林不同类型下垫面观测数据的对比分析表明:高大的森林下垫面比相对矮小的作物下垫面在一定范围内增加平均周期长度时有增     

非平坦下垫面涡度相关通量的校正方法及其在ChinaFLUX中的应用

涡度相关技术是目前最好的测量地-气交换的微气象方法,但它的使用是有条件的,如仪器应该安装在空旷、平坦和均匀的下垫面进行观测.否则,得到的通量如果不进行必要的校正就可能产生较大的测定误差.在本研究中,将主要讨论在非平坦、非均匀,或由于仪器非垂直安装情况下,用涡度相关方法计算通量时可能产生的误差及其校正方法(坐标旋转法).并利用中国通量网4种不同类型的野外台站(禹城农田站,内蒙古草原站,长白山和千烟洲森林站)的实际观测数据,分析3种坐标转换方法(2次旋转法,3次旋转法和平面拟合法)的适用条件,对通量的校正效果进行比较.研究结果表明:(ⅰ)校正后的通量可能大于、小于或等于未校正的通量,其校正量的大小主要取决于地面的坡度、坡向、风速和风向.(ⅱ)坐标倾斜角随风向的变化呈现出一个正弦曲线关系,尤其在坡地地带表现得最为明显.(ⅲ)平面拟合方法在一定程度上可以认为是坐标旋转法的简化形式,在各向均匀或有规律变化的下垫面使用效果比较好,但是该方法对下垫面起伏不规则的森林站点而言并不适合.     

地表覆盖分类数据对区域森林叶面积指数反演的影响

以江西省吉安市为研究区,将5种全球地表覆盖分类数据(包括美国地质调查局(USGS)、马里兰大学(UMD)和波士顿大学(BU)生成的3套数据和欧洲生成的2套数据)以及由TM影像生成的区域地表覆盖分类数据,分别与MODIS1km反射率资料结合,利用基于4尺度几何光学模型的LAI反演方法生成研究区的LAI。在1km和4km两种尺度上将反演的LAI与TM资料生成的LAI进行比较,评价地表覆盖分类数据对LAI反演结果的影响。结果表明,TM和欧洲太空局的GLOBCOVER地表覆盖分类数据用于反演LAI的结果较好,在1km尺度上,反演的LAI与统计模型估算的TMLAI相关的R2分别为0.44和0.40,在4km尺度上的R2分别为0.57和0.54;其次为波士顿大学的MODIS地表覆盖分类数据,据其反演的LAI与TMLAI相关的R2在1km和4km尺度上分别为0.38和0.51;而马里兰大学的UMD和欧洲的GLC2000地表覆盖分类数据会导致反演的LAI存在较大误差,据其反演的LAI与TMLAI之间的一致性较差,在1km和4km两种尺度上平均偏低20%左右;LAI的反演结果对聚集度系数具有强的敏感性。该研究表明,为了提高区域/全球LAI反演精度,需要有高质量的地表覆盖分类数据。