全球空气动力学粗糙度的遥感反演及其在蒸散发模型中的应用研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 彭中 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 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 | 唐荣林 |
| 关键词 | 蒸散发 空气动力学粗糙度 遥感反演 蒸散发模型 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 地表蒸散发（ET)是联系土壤、植被和大气之间水循环和能量循环的关键参数，其准确估算在农业灌溉与节水管理、作物长势与产量评估以及全球气候变化研究等方面具有极为重要的应用价值。空气动力学粗糙度（zom）是许多蒸散发模型中表征空气动力学阻抗的关键参数，显著影响地表-大气之间动量、能量和水分的交换。开展zom的遥感反演及其在蒸散发模型中的应用研究，对提高地表蒸散发的遥感反演精度、改进地-气之间动量、能量和水分交换的模拟能力、发展更高精度的陆面模型和地球系统模式等均具有重要意义。 本论文在评估五种经典的zom参数化方案的基础上，提出考虑树占比的zom参数化优化方案（Opt方案)，揭示不同下垫面植被类型的zom与植被结构参数的变化关系。随后，利用平衡随机森林（BRF)、深度神经网络（DNN)和卷积神经网络（CNN)三种机器学习技术，联合多源遥感数据建立实用性强、精度高和可业务化运行的全球每日1km的zom、零平面位移高度(d)和冠层高度(h)的联合反演遥感估算模型，并使用3种再分析的zom和d产品（ERA5、CFSv2和MERRA-2)以及两种雷达h产品对模型结果进行了交叉验证。最后定量化评估和分析zom在代表性蒸散发模型中的应用效果和影响机制。论文的主要研究内容和取得的成果如下： 1.Opt方案考虑了树占比对zom的影响,耦合了zom、d和h之间的内在关系，实现了站点尺度zom、d和h的同时估算，并使用站点观测对其进行了间接验证。结果表明，Opt方案估算的h与109个通量站点观测结果（594个站点年）的一致性整体上高于其它五个经典方案，均方根误差（RMSE)为1.38m,决定系数（R2)达到了0.98。zom随叶面积指数（LAI)的增加表现为先增加后降低的趋势，LAI较大的茂密植被（如林地）的zom随LAI增加表现为降低趋势，而LAI较小的稀疏植被（如草地和农田），％„与1^1是同步变化的。Opt方案可以很好地捕捉植被的动态变化给zom、d和h带来的影响。 2.BRF模型估算的h验证精度略高于DNN模型和CNN模型，与236个站点观测和雷达观测结果一致性较好，林地的RMSE为4.73m,R2为0.79，灌木和草原等地类的RMSE为1.17m,R2达到了0.92，农田和草地的RMSE分别为0.15m和0.13m,R2均为0.95。BRF模型估算的全球1km的h产品与两套已公布的全球h产品在空间分布上表现出了极高的相似性。相比ERA5、CFSv2、MERRA-2的zom和d产品，联合Opt方案和BRF模型估算的结果与现有产品表现出了非常相似的空间分布，BRF模型估算的2010-2019年zom和d在时空变异性上明显高于ERA5、CFSv2和MERRA-2产品。 3.zom和d的不确定性可能会造成显热通量估算时的显著偏差，其中zom和d在±50%之间变化时，会导致3%到130%的百分比均方根误差（PRMSE)变化，导致平均偏差（MBE)在-21.22W/m2到25.04W/m2之间变化，R2最高会降低0.16。相比zom的简单经验法（Sim方案，zom≈0.1h和d≈0.67h)，Opt方案对基于Penman-Monteith方程的模型影响很小，可能的原因是影响Penman-Monteith模型精度的更为关键的因素是表面阻抗（主要受植被的类型和生理状态约束）的参数化。Opt方案可以显著提升地表能量平衡模型（SEBS)估算显热通量和潜热通量的精度，与Sim方案相比，落叶林、灌木、草地和农田的RMSE降低了3W/m2到13W/m2左右，草原的RMSE从154.83W/m2减少到85.35W/m2。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 138 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199874]  |
| 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 | 彭中. 全球空气动力学粗糙度的遥感反演及其在蒸散发模型中的应用研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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