考虑冠层水碳耦合的双源遥感蒸散发模型的构建和验证

Evapotranspiration (ET) is a key process of water and energy exchange between the land surface and atmosphere. Remote sensing ET models have been major tools in estimating regional ET because such models can catch the key mechanism of water/heat transport and make full use of remote sensing data. In addition, because the carbon assimilation of plant canopy has strong relationships with transpiration, the water-carbon coupling in the remote sensing ET models can help improve the model accuracies in predicting ET and its components (Evaporation and transpiration, E and T). However, such existing models have deficiencies in recognizing the water-carbon coupling mechanism, in setting the model structure, and in calibrating the model parameters. This project aims to study the response of the water use efficiency and the light use efficiency of canopy to the environmental factors and the carbon assimilation and the transpiration of canopy, on the basis of estimating E, T and GPP from the tower based flux measurements. Then the mechanism of such response will be incorporated into a two source remote sensing ET model, and how to best optimize the model parameters using the remotely sensed land surface temperature will be studied. Predictions of ET and its components will be fully evaluated using the tower based flux measurements. The implementation of this project will has great theoretical and application meanings because it will help understand the mechanism of water-carbon coupling and help improve the modeling of the time series of regional ET and its components.

蒸散发是陆地和大气之间水热交换的重要物理过程，遥感蒸散发模型以其对水热传输机理的把握和对遥感信息的充分利用，成为了估算区域蒸散发的主要方法。由于植被的碳同化过程与蒸腾过程密切相关，基于水碳耦合的遥感蒸散发模型的开发有助于改进蒸散发及其分量（蒸发和蒸腾）的模拟精度。然而，现有的模型在水碳耦合机理的认识、模型结构的设置和模型参数的优化等方面还有待提高。本课题拟在通量站点数据的支持下，在对水碳通量进行拆分的基础之上，以冠层的水分利用效率和光能利用率为切入点，深入研究二者对环境因子和水碳通量本身的响应规律。结合响应规律构建深度水碳耦合的双源遥感蒸散发模型，探讨如何最有效地利用遥感反演的陆面温度对模型参数进行优化，同时利用通量数据对蒸散发及其分量的模拟开展评价和验证工作。该项目的开展不仅能够增强对水碳耦合机理的认识，而且还有助于更精确地模拟区域蒸散发及其分量的长时间序列，具有重大的理论和实际意义。

陆地和大气之间的水热交换是水文学、气象学和全球变化研究领域所关心的重要物理过程。作为陆-气系统相互作用中关键的一环，蒸散发（ET, Evapotranspiration）的时空分布一直是学术界研究的热点和难点。遥感蒸散发模型是实现区域蒸散发估算的最主要的手段，近几十年来得到了大力发展。然而，植被的蒸腾过程以及如何基于常规气象数据对蒸散发及其分量进行模拟仍需深入研究。主要内容包括：1）构建了基于冠层导度模块和蒸发互补关系的双源能量平衡蒸散发模型（Gc-TSEB），利用分布于不同气候区的10个通量站点数据进行模型评价，发现采用通量数据校准的Gc-TSEB在ET模拟中表现良好，大多数站点的决定系数（R2）大于0.9。同时，模型模拟的蒸腾量与总初级生产力高度相关，说明模型在ET分量模拟中的有效性。2）进一步对植被蒸腾PT系数αc和湿润环境PT系数αe之间的关系进行了分析。研究表明，八天尺度的αc与αe之差与叶面积指数(LAI)和水汽压差(VPD)有关，正负相关性在不同站点表现不同。然而，在年尺度上，αc倾向于收敛于αe。这为ET通量拆分提供了一个新的思路。3）蒸发互补的核心是对参数B的估计。本项目进一步对不同地表湿度和空气湿度条件下B的值的变化进行讨论，对线性和非线性AA模型进行了比较。研究结果表明，在LE ≤ LEpo ≤ LEpa的理想条件下，B的值为1.1±1.4，AA模型在这种情况下表现良好。然而，在LE ≤ LEpo ≤ LEpa条件得不到满足的情况下（常见于湿润区），B值可能严重偏离1，且可能为负值，在此条件下非线性AA模型精度更高。