基于水碳耦合模型的多时间尺度蒸散发过程模拟研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 何韶阳 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 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 | 刘昌明 ; 张永强 |
| 关键词 | 蒸散发 水碳耦合 遥感 双叶模型 PML-V2-H模型 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 蒸散发（ET）作为陆地表层水循环与能量平衡的核心过程，其精确模拟对理解气候变化下的生态系统响应具有关键作用。当前全球蒸散发模型在区域应用中普遍面临时空分辨率不足、水碳耦合机理缺失及本地化参数匮乏等问题，严重制约其在复杂生态区的适用性。本研究基于水碳耦合原理的遥感蒸散发模型PMLV2，以涡动相关通量站观测数据为基准，结合高分辨率遥感、地表参数和气象驱动等数据，从数据集对比、模型驱动、参数率定、纳入新算法和时空分辨率提升等角度评估和改进模型，取得以下主要结果和结论： （1）基于PML-V2 模型框架，生成一套逐日、500 米空间分辨率的适用于中国区域的水碳耦合蒸散发模型数据集PML-V2(China)，实现了模型输入数据优化、参数中国区率定和时间分辨率提升的三重改进，且通过了多角度验证与评估。通过整合26 个通量站点数据率定出本地参数集，融合高分辨率气象数据CMFD与改进Whittaker 滤波后的叶面积指数（LAI）数据，参数本地化率定，使PMLV2(China)日尺度ET 和总初级生产力（GPP）在26 个站点的模拟精度显著提升，ET 纳什效率系数（NSE）由0.62 提升至0.88，GPP 的NSE 由0.68 提升至0.87；输入数据优化显著增强作物物候响应能力，能够捕捉到双季农田ET 双峰时空特征；流域验证表明，在十大流域的ET 模拟精度较国际主流数据集，NSE 提升0.46-0.80。PML-V2(China)模拟结果显示，2001-2020 年中国年均ET 为393.41 ±10.9 mm yr-1（趋势0.65 mm yr-1，p>0.05），GPP 达728.86 ± 53.9 g C m⁻²（趋势8.51 g C m⁻² yr-1，p<0.001），空间上呈现西北-东南梯度分异。 （2）通过构建双叶光合-气孔导度-蒸腾算法和土壤热通量算法，提出了PML-V2-H（Penman-Monteith-Leuning version 2 hourly）逐时双叶水碳耦合模型。其创新包含两大核心模块：一是双叶光合-气孔导度-蒸腾算法：建立太阳天顶角与冠层聚集指数驱动的动态消光系数模型，解析光合有效辐射在阴阳叶的立体分布，发展双叶并联式Ball-Berry-Leuning 气孔导度算法，实现阴阳叶气孔导度的独立计算与系统整合；提出叶面积指数分割的辐射和空气动力学驱动的蒸腾分解方法。二是土壤热通量遥感反演算法：构建叶面积指数分段的土壤热通量-净辐射-温度经验模型，突破传统遥感模型忽略土壤热通量动态的局限性。基于多站点气象数据和遥感观测数据的参数率定与交叉验证结果表明，PML-V2-H 模型在26 个站点和9 种植被类型下均展现出良好的适用性和可靠性。模型模拟结果显示，PML-V2-H 能够准确刻画小时尺度的水碳通量动态，特别是在表征阳叶和阴叶的光合作用差异、蒸腾过程以及土壤热通量影响等方面，展现了更为完善的机理特征。模型在多种森林、草地和农田等植被覆盖度较高的生态系统提升尤为显著。此外，模型成功捕捉到了不同生态系统水碳过程的日动态特征，包括水碳过程的“晨午分异”特征和正午阴叶光合“消峰增谷”现象，为深入理解生态系统水碳循环的精细过程提供了有力的工具支撑。 （3）基于PML-V2-H 模型，揭示了植被阴阳叶在不同时间尺度下水碳过程变化规律及其对干旱的响应。季节尺度上，植被阳叶凭借冠层上层光热优势，在春秋冬季展现出更高的植被蒸腾与光合作用速率，在夏季的高温胁迫环境下因气孔关闭导致蒸腾低于阴叶，植被水分利用效率普遍呈现阳叶优于阴叶的特征。在小时尺度上，阳叶的光合速率呈现“早晚低、正午高峰”的“倒U”型日内变化，与阴叶的平缓变化形成鲜明对比，水分利用效率则呈现“早晚高、正午低”的趋势，夏季强光高温加剧这一现象，常绿针叶林与稀疏灌木在春秋季的阴阳叶水分利用效率的差异尤为突出，反映出植被对光温水胁迫的差异化调控能力。短期干旱期间，多数生态系统蒸腾和总初级生产力在水分胁迫下显著下降，而如针阔混交林等深根系植被，可能因水力再分配实现局部蒸腾增益，表现出独特的抗旱韧性。多数生态系统的植被水分利用效率在干旱期在普遍提升，阳叶普遍在晨间（6:00 - 8:00）或午后（15:00 - 18:00）较非干旱期有所增加。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 157 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217316]  |
| 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 | 何韶阳. 基于水碳耦合模型的多时间尺度蒸散发过程模拟研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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