基于最优气孔行为的双源能量平衡模型蒸散发估算研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 部敬艺 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 高彦春 |
| 关键词 | 水碳耦合 双源能量平衡模型 最优气孔导度模型 日光诱导叶绿素荧光 蒸散发分配 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 陆地生态系统水循环和碳循环是全球变化科学中的两大主题。蒸散发（ET）是陆地表面与大气之间水和能量交换的关键过程。蒸散发主要分为冠层蒸腾（T）、土壤蒸发（E）和冠层截留蒸发（I），其中冠层蒸腾受到植物生理生态过程调控，被视为生态系统的水分消耗。准确估算T以及ET的时空变化对于了解陆地表面和大气之间的能量收支平衡以及植被对气候变化的反馈至关重要。基于水碳耦合机理，开发结构简单且鲁棒性强的遥感模型有助于模拟水分传输及碳交换通量。Gc-TSEB模型是在双源遥感能量平衡模型（Two-Source Energy Balance，TSEB）的基础上，耦合冠层导度模型和互补理论构建的双源蒸散发模型。该模型无需土壤水分作为土壤蒸发的输入，可直接利用地表温度（LST）进行校准，在大尺度的研究和应用中极具潜力。然而，模型忽视了与冠层蒸腾关系密切的碳同化作用，限制了该模型在气候变化和大气CO2浓度升高背景下的发展与应用。叶片气孔导度在蒸腾作用和光合作用调节中起着十分重要的作用，因此是解决该问题的核心参数。获取精确的气孔导度和其升尺度后的冠层导度（Gc）是准确估算陆地生态系统蒸腾量的关键，并能够减少E和T划分的不确定性。 本研究在Gc-TSEB模型的框架下，定量分析了基于最优气孔行为的生物物理约束对提升能量平衡模型性能的作用，并且针对生态脆弱的干旱区植被生态系统及人工建立的农田生态系统，在模型中引入日光诱导叶绿素荧光（SIF），探讨其模拟冠层导度及水热通量的能力。 首先构建了三种Gc-TSEB参数化方案，分别基于Leuning冠层导度（GcTSEBO）、最优气孔行为（Gc-TSEBOSM）和土壤水分调控（Gc-TSEBSWC），并对三种方案进行了深度地评估。模型驱动数据来自于MODIS遥感数据集和全球通量观测网络（FLUXNET）观测数据（六种温带生态系统类型）。采用有限的通量数据（MODIS过境时刻）率定后，结合了基于生态系统总初级生产力（GPP）的最优气孔导度模型（OSM）和蒸发互补概念的方案Gc-TSEBOSM在大多数站点的模拟精度都较高。Gc-TSEBOSM能成功捕捉到植被生长季始期和末期地表水热通量的快速变化，模拟效果远远优于Gc-TSEBO和Gc-TSEBSWC，特别是在农田生态系统和位于干旱半干旱气候区的草地生态系统及木本疏林草原。ET对阻抗网络的敏感性分析表明，冠层导度对模拟精度的影响比其他阻抗更为显著。当冠层缺乏有效的生物物理约束时，土壤和冠层通量分配算法及土壤蒸发的模拟出现系统误差，导致ET的划分存在较大偏差。由于大多数ET模型参数的率定依赖于分布稀疏的通量观测，继而评估了遥感反演的地面温度（LST）率定Gc-TSEBOSM参数的性能，经过MODISLST率定的模型在农田和草地的表现与通量率定的结果一致。虽然耦合了OSM的方案在蒸散发模拟和分配方面均表现出明显的优势，特别是在农田和（半）干旱区生态系统，但估算冠层导度的关键指标——GPP很难通过遥感手段直接观测。由于SIF被认为是光合作用的有效探针，本研究探究了在（半）干旱区使用基于神经网络构建的高时空分辨率（4天和0.05°）CSIF遥感数据集约束OSM的可行性。以使用GPP的模型为基准，评估了基于CSIF的模拟结果，同时考虑了冠层导度对根区土壤含水量的响应。Gc-TSEB在四个草地站及两个稀树草原站均较好地实现了蒸散发的模拟。基于实测GPP的模型，半小时（日）时间尺度的决定系数（R2）平均值为0.73（0.86），均方根误差为0.031（0.36）mm。对冠层导度施加了土壤水分调控之后，R2提升至0.76（0.89）。而基于CSIF的模型，当考虑了土壤干燥对冠层导度的影响后，蒸散发的模拟也得到了改善，R2的平均值从0.65（0.79）提升到0.71（0.84），各站点的均方根误差在0.023（0.22）到0.043（0.54）mm之间。研究结果表明，在蒸散发量极低的条件下，遥感SIF依然具有准确模拟蒸散发量的能力，同时证明了耦合了最优气孔导度模型和SIF的TSEB方案有很大的遥感应用价值。 针对SIF和GPP的非线性关系，利用黑河流域大满站的近地面气象、通量及荧光观测资料，以玉米作物为研究对象，结合C4植被的SIF-GPP光响应机理模型，对基于SIF的最优气孔导度模型进一步优化，并比较使用多尺度SIF的模拟效果。研究发现，塔式系统观测的近红外SIF与通量实测GPP和潜热通量都具有显著的相关性，反演窗口为743-758nm的TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument) SIF与实测GPP及近红外SIF也呈现显著正相关。基于塔式观测SIF的Gc-TSEB成功地捕捉了大满站玉米生长季的水热通量变化，半小时尺度潜热通量的R2为0.86，均方根误差和偏差分别不超过平均值的35%和15%，模拟的蒸散发分配也与基于潜在水分利用效率方法的结果大体相似。基于TROPOMISIF模拟的潜热通量取得了较好的模拟精度，且与基于近红外冠层SIF的结果基本一致。当使用反演窗口为743-758nm的SIF时，蒸散发模拟效果更优，但在实测值较高的时刻，基于735-758nm反演窗口的SIF模拟的蒸散发量出现了明显的低估。 本研究通过系统地评估生物物理约束对Gc-TSEB模拟精度的提升作用，证明了碳水耦合机制与TSEB框架相结合的有效性，强调了基于冠层导度的蒸散发模拟和基于地表温度的能量平衡余项法相融合的可行性和优势性。进一步地，将GPP的探针——SIF引入到最优气孔导度模型中，实现了基于SIF的长时间序列ET模拟，验证了遥感SIF在生态脆弱的（半）干旱区和农田生态系统模拟蒸散发量的能力，为基于高时空分辨率遥感SIF（如TROPOMI和FLEX）的全球及区域性蒸散发监测提供了参考。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 154 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/186955]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 部敬艺. 基于最优气孔行为的双源能量平衡模型蒸散发估算研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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