基于集合卡尔曼滤波同化方法的农田土壤水分模拟

引入实际土壤水分观测数据,运用基于集合卡尔曼滤波的数据同化方法,利用改进的生态机理模型BEPS(boreal ecosystem productivity simulator)模拟了江苏省徐州农业试验站2000-2004年冬小麦生长季的根层土壤水分动态,结果表明:经过引入观测数据进行同化后由BEPS模型得到的土壤水分模拟结果与观测值之间的决定系数、均方根误差和平均绝对误差分别为0.626 ～O.943、0.018～0.042和0.021～0.041,模拟精度较同化前有显著提高,验证了利用数据同化算法提高模型对土壤水分模拟精度的可行性.单点试验结果表明,输入变量的误差、观测值的误差、引入观测数据的频率以及引入观测数据的深度等因素对利用集合卡尔曼滤波进行同化后得到的土壤水分模拟结果有较大影响.     

基于集合卡尔曼滤波的南雄烟草LAI数据同化研究

叶面积指数(LAI)是表征烟草生长健康状态的重要指标之一,获取准确的LAI数据是监测烟草生长走势的重要步骤。以广东省南雄地区为试验区开展了集合卡尔曼滤波同化方法在烟草LAI的应用研究。通过野外实测得到南雄烟草生长期内的高光谱数据,并计算每个生长期的归一化植被指数(NDVI),依据NDVI值获得LAI测量数据;通过积温数据和实测LAI数据构建了符合南雄地区烟草LAI变化规律的LOGISTIC模型;并以LAI为研究变量,利用集合卡尔曼滤波数据同化技术融合NDVI数据计算得到的LAI和简化LOGSITIC模型拟合得到的LAI这两种不同的数据信息,获取实验区烟草生长期时间序列上的连续LAI数据。最后,进一步对比了数据同化方法、NDVI计算LAI方法和LOGISTIC模型拟合这3种方法获取烟草LAI的效果。结果显示:数据同化方法、NDVI计算LAI方法和LOGISTIC模型拟合3种方法均可一定程度上表征烟草LAI的变化状态,其中数据同化方法拟合效果最优。实验发现NDVI计算LAI方法在烟草生长前后期LAI值出现偏大或偏小的异常情况;LOGISTIC模型拟合则不能有效的描述烟草LAI的突发性变化;同化方法综合作物生长模型和遥感监测的优势,能够动态调节参数得到LAI优化结果,同化后LAI结果和真实值吻合,变化曲线更符合烟草的实际生长状况。     

基于数据同化的哈佛森林地区水、碳通量模拟

模型模拟和站点观测是陆地生态系统水、碳循环研究最主要的两种手段,但各有优势和不足,若二者相互结合,则能更准确地反映生态系统水、碳通量的动态变化.数据同化为模型与观测结合提供了一条有效的途径.本文采用哈佛森林环境监测站相关数据,利用集合卡曼滤波同化算法,将实测叶面积指数(LAI)和遥感LAI同化进入Biome BGC模型中,对该地区水、碳通量进行模拟.结果表明：与未同化模拟相比,将1998、1999和2006年实测LAI数据同化后,模型模拟碳通量(NEE)与通量观测NEE的决定系数(R²)平均提升8.4%;蒸散发(ET)的R²平均提升10.6%;NEE的绝对误差和(SAE)和均方根误差(RMSE)平均下降17.7%和21.2%,ET的SAE和RMSE平均下降26.8%和28.3%.将2000-2004年MODIS LAI 产品与模型同化后,NEE、ET模拟值与观测值间的R²分别提升7.8%和4.7%;NEE的SAE和 RMSE分别下降21.9%和26.3%,ET的SAE和 RMSE分别下降24.5%和25.5%.无论实测LAI还是遥感观测LAI,同化进入模型都能不同程度地提高水碳通量的模拟精度.     

基于FORCCHN模型的中国典型森林生态系统碳通量模拟

森林生态系统是陆地碳循环的重要组成部分,其固碳能力显著高于其他陆地生态系统,研究森林生态系统碳通量是认识和理解全球变化对碳循环影响的关键。碳循环模型是研究森林生态系统碳通量有效工具。以长白山温带落叶阔叶林、千烟洲亚热带常绿针叶林、鼎湖山亚热带常绿阔叶林和西双版纳热带雨林等4种中国典型森林生态系统为研究对象,利用涡度相关2003-2012年观测数据,评估FORCCHN模型对生态系统呼吸（ER）,总初级生产力（GPP）,净生态系统生产力（NEP）的模型效果。结果表明：（1） FORCCHN模型能够较好的模拟中国4种典型森林生态系统不同时间尺度的碳通量。落叶阔叶林和常绿针叶林ER和GPP的逐日变化模拟效果较好（ER的相关系数分别为0.94和0.92,GPP的相关系数分别为0.86和0.74）;（2）4种森林生态系统碳通量季节动态模拟值和观测值显著相关（P<0.01）,ER、GPP、NEP的观测值和模拟值的R²分别为0.77-0.93、0.54-0.88和0.15-0.38;模型可以很好地模拟森林生态系统不同季节碳汇（NEP>0）,碳源（NEP<0）的变化规律;（3）4种森林生态系统碳通量模拟值与观测值的年际变化有很好的吻合度,但在数值大小上存在差异,模型高估了常绿阔叶林的ER和GPP,略微低估了其他3种森林生态系统ER和GPP。     

利用大气二氧化碳和羰基硫浓度评估陆地生态系统模型碳通量模拟的不确定性

生态系统模型是模拟全球陆地生态系统碳循环的重要工具,但是其在全球不同区域的模拟存在很大的不确定性。如何评估陆地生态系统模型的不确定性是一项重要的研究。以北美地区为例,利用8个高塔观测站点同步获取的大气CO₂和羰基硫(OCS)浓度数据,结合WRF-STILT大气粒子扩散模型,评估了CASA-GFED3、SiB3和SiBCASA三种陆地生态系统模型模拟总初级生产力(GPP)和净生态系统CO₂交换(NEE)通量的不确定性。结果表明,SiB3模型能很好地模拟北美陆地生态系统GPP和NEE的季节变化时相和幅度,在3种模型中具有最佳的模拟能力;CASA-GFED3模型模拟的NEE季节变化较为理想、但对生长季GPP的模拟存在较大的误差,SiBCASA模型在模拟冬季晚期和春季早期的NEE和GPP时表现较不理想。研究证明了大气CO₂和OCS在评估陆地生态系统模型碳通量模拟的不确定性中的作用,为利用大气CO₂和OCS观测数据优化计算陆地生态系统光合和呼吸碳通量提供了理论支撑。     

基于东北温带落叶阔叶林通量数据的BEPS 模型参数优化

控制其他参数为经验常数,利用迭代方法对主要光合作用参数最大羧化速率(V_{c max}) 及最大电子传递速率(J_max)进行不同数值组合,将得到的多组模拟结果的逐日总初级生产力(GPP)分别与东北帽儿山落叶阔叶林的通量观测数据进行比较,实现对小时步长BEPSHourly模型V_{c max}和J_max的参数优化.结果表明: 对于东北温带落叶阔叶林,当V_{c max}为41.1 μmol·m^-2·s^-1、J_max 为82.8 μmol·m^-2·s^-1时,模拟的2011年逐日GPP与观测数据比较的均方根误差(RMSE)最小,为1.10 g C·m^-2·d^-1,R²最高,为0.95.经过光合作用参数V_{c max}和J_max优化后,BEPSHourly模型能更好地模拟GPP的季节变化.     

基于Biome-BGC模型和集合卡尔曼滤波方法的阔叶红松林生态系统水碳通量模拟

数据同化为模型与遥感观测结合提供了一条有效的途径,通过在模型运行过程中融入遥感观测数据,调整模型运行轨迹从而降低模型误差,提高模拟精度。本文利用集合卡尔曼滤波(En KF)算法同化生长季中分辨率成像光谱仪(MODIS)叶面积指数(LAI)与Biome-BGC模型模拟的LAI模拟长白山阔叶红松林的水碳通量。同时,通过改进模拟的雪面升华与土壤温度计算方法的参数,旨在降低冬季生态呼吸的模拟误差。结果表明,相对于原始模型,数据同化与模型改进后使得生态系统总初级生产力(GPP)的模拟值与观测值之间的相关系数提高0.06,中心化均方根误差(RMSE)降低0.48 g C·m~(-2)·d~(-1);生态系统呼吸(RE)的相关系数提高0.02,中心化均方根误差降低0.20 g C·m~(-2)·d~(-1);净生态系统碳交换量(NEE)相关系数提高0.35,中心化均方根误差降低0.50 g C·m~(-2)·d~(-1)。同时,数据同化对蒸散发(ET)的模拟精度没有显著影响,改进的模型提高了其相关系数。基于En KF算法的数据同化提高了长白山阔叶红松林碳通量模拟精度,对于精确估算区域碳通量有着重要的意义。     

浙江省竹林地上碳储量的时空动态模拟及影响因素

竹林具有高效的固碳能力,在应对全球气候变化中扮演重要角色.然而,目前大尺度竹林碳储量估算误差大,导致竹林碳储量时空格局存在较大的不确定性.本研究以浙江省为例,耦合遥感数据和BIOME-BGC生态系统过程模型模拟1984—2014年浙江省竹林地上碳储量,并利用森林资源清查数据进行精度验证,分析浙江省竹林地上碳储量时空格局以及环境因子对竹林地上碳储量的影响.结果表明: 模拟得到的竹林地上碳储量精度较高,平均相关系数(r)、均方根误差(RMSE)和相对偏差(rBIAS)分别达到了0.75、7.24 Mg C·hm^-2和-2.57 Mg C·hm^-2,全省竹林地上碳储量总体呈上升趋势,碳密度在13.10～17.14 Mg C·hm^-2,总碳储量在9.94～17.19 Tg C,其中,竹林地上碳储量高值区域主要分布在安吉、临安、龙游等竹产业发达地区.竹林地上碳储量的变化与温度、降水、辐射、CO₂浓度、大气N沉降5个环境因子显著相关,降水量和温度与碳储量的偏相关系数较大.     

基于涡度相关法的农田生态系统碳通量研究进展

涡度相关法作为国际上公认的碳通量测定的标准方法,在农田生态系统碳通量研究领域具有广阔的空间。本研究旨在总结涡度相关法的农田生态系统碳通量最新研究成果,为涡度相关法与农田生态系统碳通量研究提供参考。文章综述了国内外基于涡度相关技术的农田生态系统碳通量研究现状,重点总结了其在时间变化、驱动因子、生产力模型、数据处理等方面的最新研究成果。经了解发现涡度相关技术对农田生态系统碳通量的时间变化特征研究较多,且众多研究结果表明在单一种植模式下农田碳通量的日变化和季节变化呈显著单峰"U"型趋势,在多熟种植模式下季变化呈"W"型,但对种植模式的碳通量研究缺乏区域代表性;同时驱动因子研究集中在温度、光照、水分等环境因素对农田碳通量的影响方面,对环境因子与农艺措施之间的关系研究较少;且对于通量夜间数据的处理和无效、缺失数据的剔除与插补缺乏统一的标准。因此本文认为区域典型种植模式的长期定位监测、多因子协同分析、数据质量监控等方面具有较大研究空间。     

服务双碳目标的中国人工林生态系统碳增汇途径

中国在相对较低的经济发展水平条件下提出了"碳达峰、碳中和"目标,在全球气候治理中起着关键作用。中国是全球人工林面积最多的国家,中国森林生态系统碳储量增加的主要贡献者是人工林,是中国陆地碳汇的主要来源,具有较高的碳汇增长潜力,加强人工林碳增汇方案研究对中国实现"碳达峰、碳中和"目标具有非常重要的作用。研究梳理了中国人工林生态系统碳汇能力提升的主要因子和环节,分别从增加碳汇强度型增汇、保护修复型增汇、减少碳排放型增汇、技术提高型增汇和市场引领型增汇5个方面提出了12条人工林碳增汇途径,以期为中国实现"碳达峰、碳中和"目标作出更大贡献。     

改进Biome-BGC模型模拟哈佛森林地区水、碳通量

Biome-BGC模型通过耦合植被、土壤与大气间的水分与CO2交换过程,实现植被生产力的模拟,但土壤水平衡模块的不够完善,导致在长时间无降水情况下植被生产力模拟存在较大误差.针对这一问题,本文对Biome-BGC模型中土壤水分胁迫气孔导度方程、蒸散计算公式及土壤水分流失过程等3方面进行了改进和调整,利用改进的Biome-BGC模型模拟美国哈佛森林地区蒸散、植被生产力,并与地面通量观测值进行了比较.结果表明,改进后模拟精度有明显的提高,蒸散、植被生态系统生产力(NEE)与观测值间的决定系数分别由0.483和0.658提高到0.617和O.813,蒸散逐年均方根误差平均下降了48.7％,NEE逐年误差平方和平均下降了39.8％.改进后的模型模拟结果更接近观测值.     

Spatial heterogeneity of ecosystem carbon fluxes in a broadleaved forest in Northern Germany

Carbon fluxes were investigated in a mature deciduous forest, located in Northern Germany (53°47′N–10°36′E), by means of eddy‐covariance technique, stand survey and models. This forest has been managed following a concept of nature‐oriented forestry since the 1980s. One of the goals of the study was to test whether changed management led to increased carbon sequestration. The forest contains several broadleaved tree species. Depending on wind direction, the fetch‐area of the eddy‐covariance data was dominated by different tree species. Three subplots dominated by Oak, Beech or Alder/Ash could be distinguished from the tower data. In each of these subplots, 30 × 30 m² areas were defined to analyse leaf area index, litterfall and the increase of the wood biomass. Eddy‐covariance analysis showed that the gross primary productivity (GPP′) was higher in the Oak subplot (?1794 g C m^?2 yr^?1) in comparison with the Beech plot and the Alder/Ash plot (?1470 and ?1595 g C m^?2 yr^?1, respectively). The total ecosystem respiration (TER) was the highest in the Alder/Ash‐dominated subplot (1401 g C m^?2 yr^?1) followed by the Oak plot and the Beech plot (1235 and 1174 g C m^?2 yr^?1, respectively). The resulting net ecosystem productivity (NEP) was ?559 g C m^?2 yr^?1 for the Oak‐dominated subplot, ?295 g C m^?2 yr^?1 for the Beech plot and ?193 g C m^?2 yr^?1 for the Alder/Ash plot. From Stand survey and modelling, the net primary productivity was estimated as 1103, 702 and 671 g C m^?2 yr^?1 in the Oak, Beech and Alder/Ash plot, respectively. Also carbon flux with litterfall was the highest in the Oak plot 343 g C m^?2 yr^?1 and lowest in Alder/Ash plot (197 g m^?2 yr^?1) with the Beech plot in between (228 g m^?2 yr^?1). The observations indicate an increase of the proportion of litterfall with increasing GPP′ and a different ability of carbon sequestration of the three stands in medium temporary scale. Only in the Oak stand that comprised the oldest trees and the most structured canopy the carbon sequestration was increased compared with conventionally managed forests.     

季节性高温和干旱对亚热带毛竹林碳通量的影响

采用涡度相关技术对安吉亚热带毛竹林生态系统碳通量进行连续观测,选取2011和2013年月尺度净生态系统生产力（NEP）、生态系统呼吸（R_e）和总生态系统生产力（GEP）数据,探讨季节性高温、干旱对毛竹林生态系统碳通量的影响.结果表明： 安吉毛竹林年际间NEP有较大差异;2013年7和8月由于水热不同步而造成的高温干旱使其NEP明显下降,相比于2011年同期分别下降了59.9%和80.0%.对2011和2013年月尺度下NEP、R_e和GEP与环境因子进行相关分析发现,R_e和GEP与温度因子均呈显著相关（P<0.05）,但两者对空气和土壤水分的响应方式和程度有所不同,GEP相比于R_e更易受到土壤水分降低的影响,而饱和水汽压差的升高会在一定程度上促进R_e、同时抑制GEP,这是造成2013年7和8月安吉毛竹林NEP降低的根本原因.     

Understanding global teleconnections of climate to regional model estimates of Amazon ecosystem carbon fluxes

We have investigated global teleconnections of climate to regional satellite‐driven observations for prediction of Amazon ecosystem production, in the form of monthly estimates of net carbon exchange over the period 1982–1998 from the NASA–CASA (Carnegie–Ames–Stanford) biosphere model. This model is driven by observed surface climate and monthly estimates of vegetation leaf area index (LAI) and fraction of absorbed PAR (fraction of photosynthetically active radiation, FPAR) generated from the NOAA satellite advanced very high‐resolution radiometer (AVHRR) and similar sensors. Land surface AVHRR data processing using modified moderate‐resolution imaging spectroradiometer radiative transfer algorithms includes improved calibration for intra‐ and intersensor variations, partial atmospheric correction for gaseous absorption and scattering, and correction for stratospheric aerosol effects associated with volcanic eruptions. Results from our analysis suggest that anomalies of net primary production and net ecosystem production predicted from the NASA–CASA model over large areas of the Amazon region east of 60°W longitude are strongly correlated with the Southern Oscillation index. Extensive areas of the south‐central Amazon show strong linkages of the FPAR and the NASA–CASA anomaly record to the Arctic Oscillation index, which help confirm a strong relation to southern Atlantic climate anomalies, with associated impacts on Amazon rainfall patterns. Processes are investigated for these teleconnections of global climate to Amazon ecosystem carbon fluxes and regional land surface climate.     

毛竹扩张对杉木林土壤微生物残体碳积累的影响

亚热带毛竹扩张对杉木林土壤微生物残体碳积累的影响及机制尚不清楚。以毛竹向杉木林扩张带(包括杉木林、杉木-毛竹混交林和毛竹林)的凋落物(O层)和不同发生层土壤(A层、B层和BC层)为研究对象,通过分析凋落物和土壤样品中的氨基糖含量来表征微生物残体碳累积效应,并进一步评价微生物在土壤有机碳(SOC)形成过程中的作用。结果表明：毛竹扩张使杉木林凋落物数量和碳含量显著降低,但是凋落物中真菌残体碳(MRC-f)、细菌残体碳(MRC-b)和微生物残体碳(MRC)含量均显著增加;毛竹扩张显著提高了杉木林SOC、MRC-f、MRC-b和MRC含量,而且在毛竹扩张初期(杉木林演替为杉木-毛竹混交林)MRC-f、MRC-b和MRC在SOC中的比例也显著增加,说明毛竹扩张增强杉木林土壤MRC累积效应的同时,也提高了微生物对有机碳的贡献。而毛竹扩张后期MRC-f、MRC-b和MRC占SOC比例并没有显著变化,意味着毛竹扩张后期MRC和植物源残体碳对SOC含量的提升均有贡献,且两者贡献的相对比例保持不变。土壤MRC含量随着剖面深度的加深逐渐下降,而MRC占SOC比值却随着土壤深度的增加而逐渐升高,说明深层土壤中...     

Paired-tower measurements of carbon and energy fluxes following disturbance in the boreal forest

Disturbances by fire and harvesting are thought to regulate the carbon balance of the Canadian boreal forest over scales of several decades. However, there are few direct measurements of carbon fluxes following disturbances to provide data needed to refine mathematical models. The eddy covariance technique was used with paired towers to measure fluxes simultaneously at disturbed and undisturbed sites over periods of about one week during the growing season in 1998 and 1999. Comparisons were conducted at three sites: a 1‐y‐old burned jackpine stand subjected to an intense crown fire at the International Crown Fire Modelling Experiment site near Fort Providence, North‐west Territories; a 1‐y‐old clearcut aspen area at the EMEND project near Peace River, Alberta; and a 10‐y‐old burned, mixed forest near Prince Albert National Park, Saskatchewan. Nearby mature forest stands of the same types were also measured as controls. The harvested site had lower net radiation (R_n), sensible (H) and latent (LE) heat fluxes, and greater ground heat fluxes (G) than the mature forest. Daytime CO₂ fluxes were much reduced, but night‐time CO₂ fluxes were identical to that of the mature aspen forest. It is hypothesized that the aspen roots remained alive following harvesting, and dominated soil respiration. The overall effect was that the harvested site was a carbon source of about 1.6 gC m^?2 day^?1, while the mature site was a sink of about ?3.8 gC m^?2 day^?1. The one‐year‐old burn had lower R_n, H and LE than the mature jackpine forest, and had a continuous CO₂ efflux of about 0.8 gC m^–2 day^?1 compared to the mature forest sink of ? 0.5 g C m^?2 day^?1. The carbon source was likely caused by decomposition of fire‐killed vegetation. The 10‐y‐old burned site had similar H, LE, and G to the mature mixed forest site. Although the diurnal amplitude of the CO₂ fluxes were slightly lower at the 10‐y‐old site, there was no significant difference between the daily integrals (? 1.3 gC m^?2 day^?1 at both sites). It appears that most of the change in carbon flux occurs within the first 10 years following disturbance, but more data are needed on other forest and disturbance types for the first 20 years following the disturbance event.