MODIS水汽通量估算方法在华北平原农田的适应性验证

利用遥感手段估算区域水汽通量对研究区域气候变化及生态系统功能评价颇具意义。但是由于估算模式涉及时空差异很大的地表特征参数很难完全通过遥感数据获得,因此MODIS水汽通量数据产品 (MOD16) 至今尚未问世。本研究以中科院禹城综合实验站2002年4~5月份冬小麦田的涡度相关实测水汽通量为标准,验证MOD16算法所估算的农田水汽通量,结果表明直接使用MOD16算法计算的麦田水汽通量比实测水汽通量平均偏大近20%。对其中的作物三基点温度、空气动力学阻抗计算方法和植被覆盖度进行修正,修正后的MOD16计算结果和实测值非常吻合,1:1曲线斜率为0.9706,相关系数R₂为0.8845。这为利用MODIS数据大面积估算农田水汽通量提供了科学依据。     

中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的主要进展及发展展望

基于微气象学理论的涡度相关通量观测技术实现了对生态系统尺度的生产力、能量平衡和温室气体交换等功能和过程的直接测定,特别是全球尺度通量塔观测网络的联合观测是实现从生态现象观察和生态要素观测跨越到全球尺度生态系统功能状态变化观测的重大突破。本文回顾了中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的创建及发展历程,系统介绍了ChinaFLUX的科学目标和设计理念、观测技术体系、观测数据的标准化处理及长期积累;综合评述了ChinaFLUX在陆地生态系统碳—氮—水的收支评估和交换过程的环境响应、碳通量时空格局及其形成机制等方面所取得的主要研究进展。最后,在探讨未来全球尺度通量塔观测网络发展趋势的基础上,提出了ChinaFLUX的主要发展方向、关键科学问题与未来工作重点,为中国通量观测研究事业的进一步发展提供理论参考。     

纵向岭谷区地表格局的生态效应及其区域分异

中国西南纵向高耸山岭与深切河谷并列排布的特殊地表格局对该区自然环境与生态地理区域分异的效应明显。利用纵向岭谷区1:5 万DEM数据、建站以来至2010 的气象观测数据、水文观测资料、MOD13 与MOD17 的NDVI与NPP产品以及1:100 万植被类型数据等,选取地表大气水汽含量、降水量、干湿指数、地表径流等水分指标,平均气温、年积温等温度指标以及太阳总辐射等热量指标,基于ANUSPLIN样条函数、GIS空间分析、小波分析、景观格局分析等方法,分析该区水热格局、生态系统结构与功能的地域分异特征及其主控因子,揭示地表格局对生态地理要素区域分异的效应。结果表明：受地表格局的影响,纵向岭谷区的水分、温度与热量都表现出明显的沿纬线方向间断式差异和经线方向连续式延伸的分布特征,纵向山系与河谷对地表主要自然物质和能量输送具有南北向通道作用和扩散效应以及东西向阻隔作用和屏障效应;特殊地表格局对植被景观多样性、生态系统结构与功能的空间格局产生重要影响,是植被景观多样性与生态系统空间分布的主要控制因子;小波方差分析反映了环境因子以及NDVI、NPP的空间各向异性,而小波一致性分析揭示了NDVI与NPP空间分布的控制因子,及其控制程度的定量关系。纵向岭谷特殊地表格局是该区生态地理区域分异的主要影响因素,在地带性规律与以“通道—阻隔”作用为主要特征的非地带性规律共同作用下,形成了纵向岭谷区生态地理区域系统的特殊空间特征。     

青藏高原高寒沼泽化草甸总初级生产力的遥感估算:多模型比较（英文）

青藏高原沼泽化草甸是土壤有机碳密度最高,对气候变化最敏感的高寒生态系统。对其生态系统总初级生产力(GPP)持续准确的量化是掌握站点到全球尺度的碳循环的关键。涡度相关技术(EC)是测量生态系统碳通量的最佳途径,而遥感模型可以实现从生态系统迹点(footprints)到区域乃至全球的尺度扩展。但是,大多遥感估算模型的适用性在这种高寒沼泽化草甸上并没有得到验证。本研究选取了四个近年来被广泛运用的遥感估算GPP的模型,即MODIS算法(MOD)、植被光合模型(VPM)、光合能力模型(PCM)和高寒植被模型(AVM)对青藏高原中部的一个典型高寒草甸生态系统的GPP进行了估算。结果显示:所有遥感模型对GPP的年内季节变异都有很好的解释(R20.89,P0.0001),但很难解释其年际变化。与日均EC_GPP相比,VPM严重的低估了该生态系统的GPP,其估测值大约仅为EC观测值的54%。但是,其他三个模型可以较准确地进行GPP估算:相比之下,AVM可以反演94.5%的EC观测,相对于EC观测的均方根误差(RMSE)最小(1.47 g C m~(-2));PCM对EC_GPP有微小的高估(约12.0%的EC观测值),而MODR对EC_GPP有微弱的低估(约8.1%的EC观测值),但二者的偏差都不显著。本研究表明AVM对该高寒沼泽化草甸的GPP估算比其他较复杂的GPP估算模型更有优势。     

黄土高原植被物候对季节性干旱的敏感性响应

在全球变暖的背景下,干旱事件发生频率和强度的增加导致陆地生态系统中植被多样性发生重大变化,研究植被物候对季节性干旱的响应对保护黄土高原的生态系统具有重要意义.基于MODIS遥感归一化植被指数(MODIS NDVI:MOD13Q1)数据及降水和气温逐月格点数据,采用岭回归分析方法,探讨黄土高原植被物候对季节性干旱的敏感性...     

基于GOSAT数据集的全球碳通量分析

利用GOSAT全球CO2通量数据集,对2009年6月至2010年5月期间的陆地生态系统地表碳通量(Biosphere flux,简称"陆表碳通量")数据进行分析,主要结论如下:1)全球植被覆盖区总体表现为碳汇(-0.83PgCyr-1),在各种植被类型中,农田和森林表现为强碳汇,碳汇量分别为-0.30PgCyr-1和-0.62PgCyr-1,低纬度的稀树草原表现为强碳源,碳源量为0.31PgCyr-1;2)北半球植被覆盖区的陆表碳通量显示了明显的季节变化规律,6月份生态系统碳吸收量最大,约为-2.08PgCmonth-1,而南半球的季节变化规律与北半球相反,表现为1月份生态系统碳吸收量最大,约为-0.37PgCmonth-1;3)北半球各纬度带的通量变化幅度大于南半球;4)北美洲、亚洲和南美洲表现为碳汇,非洲和澳大利亚表现为碳源。基于GOSAT数据集的分析结果与以往的研究结果基本一致,该数据集由GOSAT全球碳循环一体化模拟系统中的陆地生态系统模型(VISIT)反演而来,尽管该模型已经过优化,但也存在不确定性。     

鄱阳湖湿地CO_2通量观测信号扰动特征

在高动态水位影响下,鄱阳湖区的水面积范围、形态和分布发生着显著的年际变化。受水位变化的影响,鄱阳湖周边湿地植物种群与景观变化十分明显。周期性水位变化和植物变化直接影响湿地生态系统的CO_2的吸收与释放。鄱阳湖及其周边湿地作为特殊的吞吐性湖泊生态系统,对其地球化学过程基本规律的探索,是研究全球变化及其区域响应的重要基础性工作。鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室在南矶湿地国家级自然保护区建设了野外综合实验站。该站位于鄱阳湖主湖区南部,是赣江前缘三角洲与鄱阳湖之间的水陆过渡地带,是鄱阳湖湿地的典型代表。利用该实验站GHG-Biomet LI-COR涡度相关能量平衡系统2015年4~8月获取的CO_2通量监测数据,分析通量观测信号的扰动特征。研究结果表明,1观测期间,7月9~15日CO_2通量的信号强度最好,8月9~31日信号强度最差,信号强度日变化中,较好的时段为0︰00~4︰00(凌晨时段),较差的时间段主要是4︰00~8︰00(日出时段)与19︰00~22︰00(日落时段);2CO_2通量的信号强度受到环境水热要素的综合影响,但与气温、降水量不直接相关,水热要素影响风速、露点温度和空气中水汽含量,扰动CO_2通量信号强度的稳定性,在风速强、空气中水分含量高、光合有效辐射低的情况下,CO_2通量的信号强度低,不利于涡度相关技术监测生态系统的CO_2通量;3利用涡度相关技术监测高动态水位变化条件下湿地生态系统的CO_2通量,密集的日常数据检查和仪器维护十分必要,确保监测数据质量。     

亚太地区环境综合监测的研究方法--APEIS项目研究综述

为了对亚太地区的环境灾害、环境破坏和环境退化及其影响进行监测和评估,由日本环境省发起的亚太地区环境革新战略项日（APEIS)环境综合监测子项（IEM)自2001年开始,建立了一个以MODIS卫星数据和地面观测资料为基础的综合环境监视网络系统。该网络系统起初是由日本国立环境研究所(NIES)和中国科学院地理科学与资源研究所(IGSNRR)共同合作建成的。之后,新加坡国立大学和澳大利亚联邦科学产业研究组织(CSIRO)地球观测中心也正式宣布加入,该系统覆盖整个亚太地区。美国宇航局(NASA)提供了一套MCDIS的高级数据产品,然而,这些产品没能在亚洲地区利用当地的实测资料进行充分地比较和验证。APEIS项目旨在提供利用该地区精确地面观测数据进行了比较验证的高质量数据集。利用该数据集可以推导出水分亏缺指数、沙尘暴指数、地表面温度、土地覆盖变化,以及净第一性生产量等一系列生态环境指标,从而埘环境破坏、环境退化和生态脆弱区进行长期有效的监测。为了评价水资源、食物生产等生态系所提供的产品与服务的现状和变化特征,本研究还开发了一个可利用M0DIS数据的流域环境综合管理模型。该模型已经被用于对流域规模的水、热、碳循环、泥沙转移以及农业生产等生态要素的模拟和评估,并利用高精度的观测资料对其进行了验证。利用该模式可以对流域生态系统所提供的产品与服务的有效利用,以及流域的可持续发展提供一系列战略性的政策选项。     

基于GIS技术的青海湖流域综合整治类型区划分及整治方向

根据青海湖流域自然环境和生态系统特征,以2009年青海湖流域植被分布图为底图,结合DEM高程数据、青海湖流域草场类型图以及青海湖流域行政区划图,综合考虑青海湖流域海拔、植被分布以及社会经济等因素,采用ArcGIS软件对青海湖流域进行3级划分,在分区的基础上提出各类型区生态与环境治理的基本思路与方向,提出各类型区综合治理土地沙漠化、湿地萎缩和草地退化等生态与环境问题的途径与对策。     

国家重点研发项目:中国陆地生态系统生态质量综合监测技术与规范研究（英文）

生态质量是指一定时空范围内生态系统要素、结构和功能的综合特征,具体表现为生态系统的状况、生产能力、结构和功能的稳定性、抗干扰和恢复能力。生态系统的质量是我国生态文明建设和生态环境监测的重要内容,多时空尺度观测技术的发展为生态系统质量监测与评价提供了新机遇,但同时也对国家尺度生态要素、生物多样性和生态功能的观测标准与技术规范提出了新的要求。本国家重点研发项目自2017年7月立项以来,围绕国家尺度生态质量监测技术与规范,开展了生态系统网络观测技术规范、台站生态要素监测、区域生物多样性和区域生态功能监测技术与规范的研究,在典型农林草湿地生态系统开展应用示范。项目在生态质量综合监测指标体系构建、生态系统研究网络观测技术、区域生物多样性和区域生态功能监测、基于无人机和机器学习的荒漠植被监测等方面取得了重要进展,促进了生态质量监测技术的发展。我们组织本专辑从不同视野集中系统介绍本项目已取得的生态质量监测技术和评价方法,以期促进生态学及其观测技术的发展。     

Monitoring and simulation of water, heat,and CO2 fluxes in terrestrial ecosystems based on the APEIS-FLUX system

1IntroductionInJune1992,theworldsummitorganizedbytheUnitedNations,withparticipantsincludingnationalleadersfromaroundtheworld,concludedwithAgenda21(UnitedNations,1992),theRioDeclarationonEnvironmentandDevelopment,inRiodeJaneiro.Thedeclarationpromptedcountr…     

Monitoring and simulation of water, heat, and CO2 fluxes in terrestrial ecosystems based on the APEIS-FLUX system

The Integrated Environmental Monitoring (IEM) project, part of the Asia-Pacific Environmental Innovation Strategy (APEIS) project, developed an integrated environmental monitoring system that can be used to detect, monitor, and assess environmental disasters, degradation, and their impacts in the Asia-Pacific region. The system primarily employs data from the moderate resolution imaging spectrometer (MODIS) sensor on the Earth Observation System- (EOS-) Terra/Aqua satellite, as well as those from ground observations at five sites in different ecological systems in China. From the preliminary data analysis on both annual and daily variations of water, heat and CO2 fluxes, we can confirm that this system basically has been working well. The results show that both latent flux and CO2 flux are much greater in the crop field than those in the grassland and the saline desert, whereas the sensible heat flux shows the opposite trend. Different data products from MODIS have very different correspondence, e.g. MODIS-derived land surface temperature has a close correlation with measured ones, but LAI and NPP are quite different from ground measurements, which suggests that the algorithms used to process MODIS data need to be revised by using the local dataset. We are now using the APEIS-FLUX data to develop an integrated model, which can simulate the regional water, heat, and carbon fluxes. Finally, we are expected to use this model to develop more precise high-order MODIS products in Asia-Pacific region.     

基于亚太地区环境综合监测的陆地生态系统中水、热和二氧化碳的监测与模拟

The Integrated Environmental Monitoring (IEM) project, part of the Asia-Pacific Environmental Innovation Strategy (APEIS) project, developed an integrated environmental monitoring system that can be used to detect, monitor, and assess environmental disasters, degradation, and their impacts in the Asia-Pacific region. The system primarily employs data from the moderate resolution imaging spectrometer (MODIS) sensor on the Earth Observation System- (EOS-) Terra/Aqua satellite,as well as those from ground observations at five sites in different ecological systems in China. From the preliminary data analysis on both annual and daily variations of water, heat and CO2 fluxes, we can confirm that this system basically has been working well. The results show that both latent flux and CO2 flux are much greater in the crop field than those in the grassland and the saline desert, whereas the sensible heat flux shows the opposite trend. Different data products from MODIS have very different correspondence, e.g. MODIS-derived land surface temperature has a close correlation with measured ones, but LAI and NPP are quite different from ground measurements, which suggests that the algorithms used to process MODIS data need to be revised by using the local dataset. We are now using the APEIS-FLUX data to develop an integrated model, which can simulate the regional water,heat, and carbon fluxes. Finally, we are expected to use this model to develop more precise high-order MODIS products in Asia-Pacific region.     

遥感反演土壤蒸发/植被蒸腾二层模型在华北地区的应用

利用一种可操作的地表蒸散遥感反演二层模型,以我国华北平原为研究区,选择2004年的3月至6月华北地区主要农作物冬小麦的生长季节作为研究时段,利用MODIS遥感卫星数据,结合地面130多个气象台站的空气温湿度实测数据,实现了土壤蒸发和植被蒸腾的反演。采用国家生态网络禹城综合试验站利用涡度相关系统观测的地表总蒸散半小时平均的数据进行了模型验证,结果表明模型估算的地表可利用能量与地面实测数据的相关系数可以达到0.92,均方差为30.4w.m^-2;模型估算的地表总蒸散值与地面实测数据的相关系数为0.85,均方差为21.3 w.m^-2,由此证明了模型的可用性。     

黄土高原不同气候区裸地水、热特征对比

为了更好地理解陆地表面水、热通量的空间差异,利用2009年和2010年1月黄土高原陆面过程观测试验（LOPEX）的陆面过程资料,对比分析了不同气候区主要地表水、热通量特征。结果表明：半干旱区的定西在近地层气象要素、土壤湿度、动量通量、地表能量及CO2通量等主要陆面特征物理量与半湿润区的平凉、庆阳差异明显;气候背景相接近的平凉、庆阳的主要陆面特征量比较接近。虽然地形、地势、海拔、下垫面影响因子也是影响陆面特征的重要因素,但是气候背景差异愈明显,陆面特征差异也愈大,即一个地区的气候背景是陆面过程特征的主要决定因子,对陆面特征产生综合影响,而地形、地貌只对一个或几个陆面物理量有影响。     

用EOS/MODIS资料反演积雪深度参量

利用EOS/MODIS可见光、近红外及短红外多通道资料以及新疆地区积雪深度气象台站实测资料等,在考虑积雪性质包括积雪粒子相态、积雪年龄等的差异以及积雪区的下垫面条件包括地表粗糙度、土地覆盖类型等的不同的情况下进行积雪分类,在此基础上,建立EOS/MODIS积雪深度反演模型,实现深度在30 cm以内的积雪深度反演的主要原理、思路及方法,并对模型的反演结果进行了验证。结果表明,利用该模型对30 cm以内的积雪进行深度反演计算,其精度能达到80%以上。     

利用卫星数据估算南大洋海-气CO2通量的展望

本文简述了南大洋在全球碳循环系统中的重要作用以及极地海域海洋CO2通量现场实测数据调查的局限性和存在问题,借鉴国外学者在大洋利用卫星数据估算海-气CO2通量的研究成果,结合我国在南极积累的二十多年的大洋考察资料,展望我国在南大洋进行相关碳通量估算的研究前景。总的基本思路是:从海表层水CO2分压和其相应的调控因子之间推导出经验公式,通过最佳的插值方式由卫星遥感数据外推整个计算海域的CO2数据场,与实测数据做比较,计算碳通量。     

基于卫星遥感数据改进区域尺度的显热通量模型

以西北半干旱地区的内蒙古农牧交错地带锡林郭勒盟为研究区,以不同退化程度的草地为研究对象,通过叶面积指数计算各像元的动力传输粗糙度长度,以改进显热通量算法;并结合植被／土壤组分温度分别计算基于亚像元的植被／土壤的显热通量。由敏感性分析和模型验证表明,改进的显热通量算法能够提高区域尺度的能量平衡计算精度。     

黄土高原半干旱草地降水前后土壤的温、湿度及热力特征

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站）陆面过程综合观测资料,分析了强降水前后榆中黄土高原半干旱草地土壤温、湿特征的差异,讨论了水分状况对土壤热力参数及地表能量分配的影响。结果表明:水分胁迫条件下,黄土高原半干旱草地土壤在10 cm深度存在一个湿层;强降水过程可使土壤湿度受影响范围接近40 cm深度。水分胁迫条件下,感热通量是黄土高原半干旱草地生态系统能量分配过程中净辐射的最大消耗项;无水分胁迫条件下,潜热通量是能量平衡系统中净辐射分量的最大消耗项。降水改变了土壤湿度并使得土壤热传导率发生变化,土壤热传导系数和土壤热容量随土壤湿度增加而增大。