基于SiB2模型的低丘红壤区花生根域土壤水分动态模拟与数据同化

SiB2(Simple Biosphere Model version 2)是将植物生理学、土壤微气象学结合起来用以研究单层植被中的水、能量以及CO_2通量变化的陆面过程模型。为了使SiB2适用于江西低丘红壤区农田小流域生态系统,根据在余江县花生地试验区的实地测量以及SiB2提供的土壤和作物分类,确定土壤特性参数和花生形态学参数,调整部分花生生理学、光学参数,并修正SiB2长波辐射的计算。在此基础上,选取花生幼苗、开花和饱果成熟三个关键的生长期的近地层观测资料代入模式,对花生根域土壤水分动态变化进行短期模拟,探究不同生长期的花生生长特性和气象因素对模拟结果的影响,并且针对模型提出了基于集合卡尔曼滤波的单点数据同化方案以提高精度。与观测结果进行验证后,结果表明:在不同生长期下,极端天气越少、植株形态越成熟稳定,模拟结果越准确。在进行数据同化后,模型精度得到明显提高。

SiB2模型对不同生态系统的能量通量模拟性能研究

为研究SiB2模型在全球不同生态系统中的模拟性能,以Fluxnet通量数据网站的气象数据和MODIS卫星遥感植被指数产品MOD13C1驱动模型,利用Fluxnet提供的通量数据对模型进行验证分析,结果表明, SiB2对不同生态系统的净辐射、上行短波辐射和上行长波辐射的模拟均较好, R^(2)中值均在0.91以上;SiB2模拟的感热通量、潜热通量和土壤热通量的平均R^(2)分别为0.73、0.47和0.39,潜热通量在各生态系统均存在不同程度的低估,平均低估率达到25%,且降雨对潜热通量的模拟具有显著的影响. SiB2对于非森林生态系统的土壤热通量模拟较好;模拟的土壤热通量占净辐射的比例最高不超过2%,潜热通量在常绿阔叶林和落叶阔叶林生态系统中占净辐射能量分配的主导,感热通量在草原和灌丛生态系统中占能量分配的主导;SiB2模拟的潜热通量偏低而感热通量偏高.

陆面过程模式SIB2与包气带入渗模型的耦合及其应用

土壤含水量对陆—气相互作用过程中的能—水平衡计算以及降雨、农业灌溉对地下水补给的研究起着关键的作用。但现阶段大多数陆面过程模式对土壤含水量的计算采用一维水桶模式,忽略了流域尺度上的侧向补给、地下水位的变化、包气带土壤的非线性渗透特性对土壤含水量的影响。针对这一问题,在国内外研究较为成熟的饱和—非饱和理论的基础上,编程实现了包气带土壤水分传输方程的求解,并与陆面过程模式(SIB2)相耦合,建立起研究分层包气带土壤水分运移、非稳态的地下水位、和地表蒸散发之间定量关系的模型。最后,利用建立的耦合模型,以河西走廊黑河流域中游临泽农业综合观测场的灌溉试验为例,模拟干旱内陆平原区小麦生长期间定额灌水条件下土壤含水量的变化。计算结果表明:模型能够准确计算瞬时土壤含水量、非稳态的地下水位,并对小麦生长过程中的耗水量进行估算,进而为农业合理灌溉提供了科学的理论基础。

土地利用类型转换对地表能量平衡和气候的影响——基于SiB2模型的模拟结果

利用SiB2模型对中国东北地区农田、草地和森林3种土地利用类型的地表能量平衡过程展开研究,分析不同土地利用类型对生物地球物理参数(反照率和粗糙度)、能量平衡(净辐射、潜热和显热)和气候(冠层温度)的影响。结果表明:①模型模拟的地表能量平衡与实测数据的年变化动态相似(R2>0.42),差值保持在±30 W/m2,温度在±4℃。②利用相同气象数据模拟不同土地利用类型通过生物地球物理过程对地表能量平衡和气候的影响,发现森林吸收的净辐射最高且主要用于潜热分配,农田的净辐射最低且主要用于显热分配,草地净辐射和能量分配居中。③生态系统获得的净辐射主要受反照率的影响,净辐射分配受叶面积指数的调节。④冠层温度(℃)受反照率和净辐射在潜热和显热间分配的相对重要性的影响:年平均值为森林(7.7)>农田(7.64)>草地(6.67)。⑤降水对模拟结果有显著影响,是森林模拟差异的主要原因。在不同土地利用类型中,降水增加土壤水分,净辐射更多分配到潜热,较少分配到显热,降低冠层温度。

基于GF-1 WFV数据森林叶面积指数估算

以国产高分一号(GF-1)宽幅数据(wide field of view,WFV)为数据源,采用简单生物圈模型2(simple biosphere model2,SiB2)对黑龙江省漠河县森林植被叶面积指数(leaf area index,LAI)进行估算,并与增强植被指数(enhanced vegetation index,EVI)线性模型的估算结果进行对比,结合地面实测LAI数据分别对这2种模型估算结果进行精度评价。结果表明,采用EVI线性模型估算LAI,决定系数R 2为0.582,均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.701;而采用SiB2模型估算LAI,R 2为0.798,RMSE为0.358,均比EVI线性模型有所改善。该研究发现,结合中高空间分辨率的GF-1 WFV数据,SiB2模型更适宜于该研究区森林植被的LAI反演。

内蒙古地区蒸散发分割模拟及其对干旱的响应

内蒙古干旱区是我国高原生态屏障的重要组成部分,其生态环境直接关系我国北方生态安全。为了解研究区生态系统蒸散发分割对于干旱的响应,本研究利用涡度相关数据构建SiB2模型,对植被蒸腾(T)、地表蒸散发(ET)等变量进行模拟,同时分别基于通量站涡度相关数据和SiB2模型模拟计算蒸腾与蒸散发比值(蒸腾比,T/ET)。结合标准化降水蒸散发指数(SPEI),分析研究区不同干湿条件下蒸散发及蒸腾比的变化。结果表明:研究区蒸散发受干旱影响显著,蒸散发量与干旱程度呈负相关,在严重干旱或极端干旱时,干旱对蒸散发的影响滞后时间增长;根据SiB2模型计算的研究区2003—2012年蒸腾比与干旱程度相关性较强,在较为湿润的年份(2003),T/ET达到最高值0.64,表明此时植被蒸腾在陆地蒸散发中占据主导地位;在较为干旱的年份(2005),T/ET值为0.39,表明在干旱胁迫下植被蒸腾减少,土壤蒸发占蒸散发量的主导地位;在持续干旱情况下,T/ET和ET的波动范围均较小,表明植被在干旱情况下能根据外界环境进行自我调节,对维持生态系统稳定有一定的作用。研究结果对于推动区域水资源合理配置、提高干旱区水分利用效率具有一定意义。