基于模型—数据融合的中国区域碳水通量动态模拟及分析

【摘要】：准确量化和预测陆地生态系统碳水通量对于理解陆-气间相互作用,预测未来气候变化和控制温室效应具有重要意义。通量观测和模型模拟是目前研究碳水通量的两种主要方法。通量观测精度较高,但观测范围局限、站点分布不均匀,易受环境影响,难以区域扩展;模型模拟可实现不同尺度参量估算,但由于理想化假设、模型参数和驱动数据等限制,导致其模拟结果往往与真实值存在较大偏差。模型-数据融合方法主要是通过参数估计和数据同化两种技术集成观测和模型信息,建立两者相互制约调节的优化关系,以提高模型结果与真实值之间的匹配程度。基于该思路,本研究在地面观测数据、遥感卫星资料以及相关气候环境数据基础上,重点突破全球动态植被模型(Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model,LPJ-DGVM)敏感参数优化方法,获取适宜中国的参数化方案;在此基础上,引入数据同化算法,将遥感卫星产品信息与模型相融合,在模拟过程中不断校正原有模型模拟轨迹,提高模型适用性。将以上改进的模型推广至中国区域,实现对2000-2015年中国地区总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)和蒸散发(Evapotranspiration,ET)的空间格局模拟及分析。主要结论如下:(1)将LPJ-DGVM中所选出的22个可调参数(涉及光合、呼吸、水平衡、异速生长、死亡、建立以及土壤和掉落物分解共七个作用领域)在各自取值范围内随机获得不同的参数组合,结果表明22个参数可引起GPP和ET模拟结果产生较大的不确定性,尤其集中在生长季。所有站点GPP相对不确定性(Relative Uncertainty,RU)基本保持在0.9-1.25之间,不具有明显的年际变异性;ET相对不确定性RU月变化趋势明显,且基本处于0.5以下,明显低于GPP,说明所筛选的22个参数对GPP模拟产生的影响更为显著。(2)LPJ-DGVM高度非线性,内部设定众多参数且参数之间存在相互影响,逐一标定计算量大且对模拟精度改善甚微。因此本研究采用全局敏感性分析方法—扩展的傅里叶幅度分析法(Extended Fourier Amplitude Sensitivity Test,EFAST)对模型中五个碳水相关参量(GPP、NPP、R_h、ET和Runoff)分别展开了敏感性分析,获取参数一阶及全局敏感性指数。结果表明引起碳通量(GPP、NPP及R_h)变动的敏感参数类别十分集中且基本相似,影响较大的参数为α_(C3)(C_3植物固有CO_2吸收量子效率)和α_a(叶和冠层的尺度转换比),且参数作用相对比较独立,林地和草地对所选参数敏感性不存在明显差异;引起水通量(ET及Runoff)变动的敏感参数主要集中在光合及水平衡作用模块,影响较大的参数包括:α_(C3)、g_m(最大冠层导度)、α_m(水需求公式中的蒸散参数)、λ_(max,c3)(C3植物的最优ci/ca)、θ(光合协同限制参数)等。部分参数(如θ、α_a、λ_(max,c3))总敏感性指数高于一阶敏感性指数,说明它们主要通过与其他参数的相互作用来影响ET和Runoff年均值,且这种耦合作用对森林站点影响更明显。(3)依据敏感性分析结果可知,所选碳水参量敏感参数存在相似之处。根据敏感指数,筛选出待优化的植被理化参数。本文以GPP和ET同时作为约束条件优化参数,利用通量观测所提供的观测值与模型模拟值间的累积平均误差设为目标函数,借助于模拟退火法在参数可行域范围内搜寻使目标函数最小的参数化方案。结果表明,参数优化后的模型模拟性能得到了明显的改善。针对GPP,当雄站点(CN-Dan,草地)生长季峰值处高估现象大幅度改善。参数优化后的所有站点GPP模拟值相关性R~2提高了0.24,RMSD降低了近40%。针对ET而言,所有站点整体改善效果有所提升,R~2提高了0.19,RMSD提升了约26%。以上结果均说明,采用GPP和ET限制优化后的参数化方案更适用于LPJ模型模拟中国地区站点GPP和ET。(4)为进一步优化模型状态变量,采用EnKF将GLASS LAI产品同化进入已参数优化后的LPJ-DGVM中,并利用涡度通量站点对同化结果进行了验证分析。结果表明,经同化后的部分站点(如CN-Qia以及CN-Din)GPP无论在时序变化趋势还是数值大小方面与观测值表现出较高的一致性。整体精度与参数优化后的模拟结果相比,R~2提高了0.04,RMSD降低了2.19 gC m~-22 month~(-1)。蒸散发ET同化后的结果部分站点生长季略有改善,整体相关性R~2提高了0.01,RMSD降低了0.17 gC m~(-2) month~(-1)。(5)基于以上结果,采用参数优化后的LPJ-DGVM同化模型模拟了中国地区GPP和ET,并分析了年际和季节变化动态。结果表明,2000-2015年间GPP和ET的空间分布差异不大,均表现为由东南向西北减少的趋势,且GPP变动范围为6.02 PgC yr~(-1)-6.76 PgC yr~(-1),平均值为6.33 PgC yr~(-1),16年整体呈现显著上升趋势(p-value=0.006)。ET变动范围为472.48mm yr~(-1)-509.77mm yr~(-1),平均值为485.98 mm yr~(-1),16年整体变化趋势不显著。此外,中国地区GPP和ET均表现出明显的季节性空间分布差异,夏季高冬季低。本论文重点探究了LPJ-DGVM植被理化参数及遥感-模型耦合的优化方法,明确了针对中国不同类型站点影响最为显著的参数,加深了数据同化在遥感与过程模型耦合过程中的应用,对进一步提高LPJ-DGVM碳水通量模拟精度,并将其进行大尺度区域扩展具有重要意义。