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本文基于光能利用率原理建立了区域陆地生态系统GPP/NPP估算模型REG-PEM,估算了江西省2003年和2004年的8天合成和年GPP与NPP。将千烟洲通量观测数据计算的GPP结果同化到REG-PEM模型,优化模型参数,建立了千烟洲GPP估算模型,估算精度得到较大提高,同时分析了不同来源和不同尺度遥感数据对GPP估算结果的影响,探讨了模型输入数据和模型本身的不确定性。主要创新点和结论如下:
1.建立了区域陆地生态系统GPP/NPP估算模型REG-PEM,部分改进了光合有效辐射PAR估算算法。REG-PEM模型由植物吸收的光合有效辐射APAR和光能利用率ε构成,输入变量为光合有效辐射PAR、植被指数EVI、LSWI、NDVI和空气温度T<,a>,全部可以通过遥感方法获得。PAR估算算法中大气上界垂直入射的太阳辐射采用FAO推荐的算法,利用千烟洲观测数据进行了校准,估算误差为3.47%。
2.利用TOMS反射率数据和MODIS8天合成产品估算了江西省2003年和2004年GPP和NPP。江西省2003年和2004年常绿阔叶林GPP分别为1858.11和1767.2 gC·m<-2>·a<-1>;常绿针叶林分别为1664.4和1626.2 gC·m<-2>·a<-1>:灌丛分别为1432.1和1454.4 gC·m<-2>·a<-1>;农作物分别为1262.2和1294.5 gC·m<-2>·a<-1>。GPP时间变化特征为春季逐渐增加,到夏季达到最高,秋季又逐渐减小,在整个时段均有一定的起伏。江西省森林NPP2004年总值大于2003年,南部地区最大,其次东部和东北部也较大。
3.将地面通量观测结果利用数据.模型融合方法同化到生产力遥感估算模型,优化模型参数,提高了GPP估算精度。将千烟洲通量塔观测数据计算的GPP利用Gauss-Marquardt-Levenberg算法同化到REG-PEM模型中,优化了部分参数,包括叶子内部的CO<,2>浓度,最适温度,线性参数a和不确定性修正参数b,建立了千烟洲GPP估算模型,总体估算误差从10.6%提高到2%。
4.利用不同数据源、不同尺度遥感数据估算GPP,探讨了尺度变化对GPP估算结果的影响。利用Resourcesat-1卫星LISS-3影像和MODIS影像分别计算GPP,基于不同数据来源和FPAR计算方式GPP结果不同。影响月和日GPP变化的主要因素为温度和饱和水气压,影响光合作用速率小时变化的主要因子为蒸腾速率和PAR。将植被指数NDVI、LSWI分别使用像元聚合法和临近值法重采样计算GPP,其最大值随着分辨率的降低越来越小,最小值和平均值变化不大,像元聚合法的变化幅度要比临近值法大。
5.系统分析了模型输入数据和模型本身的不确定性。模型输入的遥感数据无论在本身特性还是后期处理都有很大的不确定性,光能利用率和FPAR也是模型不确定性的主要原因。利用Monte Carlo方法对模型进行全局不确定性和敏感性分析,结果表明输入变量分布状态不同,则估算的GPP结果有一定的差异,同时各变量对GPP估算结果的敏感性也有较小的差异,总体来说PAR和EVI对输出方差的贡献较大,而LSWI和T<,a>对输出方差的贡献较小。数据-模型融合方法可以降低模型的不确定性。
尽管模型能够比较准确的估算GPP,但仍存在着较大的不确定性,无论在数据-模型融合、尺度问题还是不确定性分析都需要进一步研究。