模拟落叶阔叶林叶片季节性动态的稳态近似方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种模拟落叶阔叶林叶片季节性动态的稳态近似方法及系统，其方法包括通过联立求解方程组来满足植被叶片动力学两种稳态条件以维持植被光合作用，所述两种稳态条件包括：冬季休眠期和夏季冠层郁闭成熟期，耦合植被累积生产力GPD模型和物候模型，通过迭代计算至收敛求算LAI稳定态值；通过滑动平均法，预测完整的LAI时间序列；利用GPD模型模拟植被冠层光合作用，结合野外测量数据和卫星数据对其进行评估。实施本发明专利技术实例，基于植被光合作用生产力可以作为一个综合指标来追踪植被生长期对气象因素适应性的原理，来模拟叶面积指数(LAI)的季节变化，并能够将其应用于冠层光合作用的建模。

【技术实现步骤摘要】
模拟落叶阔叶林叶片季节性动态的稳态近似方法及系统
本专利技术涉及制图综合
，尤其涉及一种模拟落叶阔叶林叶片季节性动态的稳态近似方法及系统。
技术介绍
叶片是植被进行光合作用和蒸腾作用的基本要素，在整个生态系统中，植被叶片在时间序列上的分配过程(即植被物候)对气象及环境状况高度敏感，且在很大程度上影响着地表、大气间物质与能量的交换。为此建立一个能够通过气象变量来模拟叶片变化的模型，也是陆面模式和陆-气耦合模式的重要组成部分。地表模型常用叶面积指数(LAI)来表征植被冠层，因而，常在已知LAI的情况下来模拟地表冠层通量，如初级生产总量(GPP)和蒸发量(ET)等。尽管此类模型在复杂程度上各异，但已经可以建立一个合理的方程并将其概括为：[GPP，ET]＝f(LAI，E1，2，...n)(1)式中，GPP表示植被总初级生产力(gC/m2/day)，ET表示蒸散发(W/m2)，f表示括号中带有输入参数的函数，LAI表示叶面积指数(m2/m2)，E1，2，...n表示各种环境变量(例如，温度，饱和蒸汽压，光周期，高程和土壤含水量)。式1中的外部环境变量可从观测或者大气环流模型中获得，而叶片动力学则需要通过各种环境变量来模拟得到。为此引入方程(2)，该方程能够作为方程(1)的补充，提供LAI值，主要涉及植被物候学的研究和建模及其与环境的相互作用。LAI＝f(E1，2，...n)(2)式中，LAI表示叶面积指数(m2/m2)，和E1，2，...n是指各种环境变量。植被物候模型的建立是独立于光合作用和蒸散发冠层模型发展的。表征植被叶片变化的一种方法是使用气象变量来模拟关键的物候时期，比如春季返青期和秋季衰落期，例如：(1)温度是影响植被生物化学和叶片分配过程最重要的因素之一，植被日积温模型(GrowingDgree-Day，GDDmodel)通过判断日积温是否达到一定阈值来预测春季返青时间。为了解释除温度以外其他环境驱动因素的影响，GDD衍生模型通过引入不同气象变量的约束函数(如冷却温度，光周期，饱和水气压差和土壤水分胁迫)来制约温度的积累。(2)复杂的陆面模式(如CLM通用陆面模式)是使用一系列经验函数对积温过程进行制约，从而预测春季返青期和秋季衰落期。(3)除了预测关键物候的具体日期，生物地球化学模型(如DNDC模型)首先选择使用GDD时间序列来模拟最优的LAI时间序列，然后利用基于其他环境因素得到的经验函数来模拟胁迫LAI时间序列。(4)现有技术还提出了基于生长季指数(GSI)模型，分别通过温度，饱和蒸汽压和光周期三个指标来量化全年植被绿度的时间序列。上述方法不同程度地成功模拟了植被的叶片季节性动态，但在很大程度上多是经验型的，因此在气象变化研究中具有局限性。(1)植被物候模型在陆面模式中有着极大的不确定性。由于气象驱动因素通过不同的物理和生物化学过程与相关因素影响植被物候，了解每个气象因素在叶片分配中的确切作用对建立模型来说是必要的。(2)由于植物叶片分配的生理过程对气象变化的响应是相对缓慢的(从几天到几个月不等)，因此需要在模拟叶片季节性动态时使用先前的气象变量来解决时间滞后效应的问题。(3)为了应对气象条件，植被种类发展了不同的冠层结构和叶片分配策略，以优化自然资源的获取。重要的是，建立叶动力学模型需要实时和持续地记录有影响力的气象变量和植被物候，然而关键的植被物候，如叶片发芽，成熟，衰老和冬眠等每年通常只发生一次，最多不超过两次，加之天气状况和设备故障等因素，导致传统实测所得的数据十分有限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，本专利技术结合了模拟冠层光合作用的GPD模型与物候模型，建立了一个植被动力学综合性模型，在不考虑气象变化对植物叶片分配时间滞后效应的影响下，联立两个方程通过迭代循环计算出LAI时间序列的稳定态近似值，然后使用滑动平均法推导出时间滞后效应，实现季节性LAI的模拟及美国东部落叶阔叶林日尺度下冠层GPP的模拟，并结合野外观测数据及卫星数据进行评估。为了解决上述问题，本专利技术提出了一种模拟落叶阔叶林叶片季节性动态的稳态近似方法，所述方法包括如下步骤：通过联立求解方程组来满足植被叶片动力学两种稳态条件以维持植被光合作用，所述两种稳态条件包括：冬季休眠期和夏季冠层成熟期，耦合植被日累积生产力GPD模型和物候模型，通过迭代计算至收敛求算LAI稳定态值；通过滑动平均法，预测完整的LAI时间序列；利用GPD模型模拟植被冠层光合作用，结合野外测量数据和卫星数据对其进行评估。所述通过联立求解方程组中的来满足植被叶片动力学两种稳态条件以维持植被光合作用中的线性方程1为：其中：LAIs代表在给定环境条件下达到稳态的叶面积指数，GPPs代表在给定环境下达到稳态的总初级生产力，LAIc代表冠层郁闭时的叶面积指数，GPPc代表冠层郁闭时的平均总初级生产力。所述通过迭代计算至收敛求算LAI稳定态值包括：将LAIs和GPPs作为变量代入一个完善的光合作用模型，基于GPD模型形成以下方程2：GPPs＝f(LAIs，E1，2，...n)，其中：LAIs代表在给定环境下达到稳态的叶面积指数，GPPs代表在给定环境下达到稳态的总初级生产力，E1，2，...n代表各种环境变量；线性方程1和方程2是一个通过GPP和LAI原点的对数函数；基于预先给定初始的LAI值，然后通过不断迭代直至收敛求算LAI稳定态值。所述通过滑动平均法，预测完整的LAI时间序列包括：通过滑动平均法来预测稳态LAI和模拟LAI的时间序列，所述滑动平均法运算的公式表示如下：LAI＝SMA(LAIs，n)，其中：LAI代表叶面积指数，LAIs代表稳态叶面积指数，n代表样本窗口的天数，SMA代表滑动平均运算。所述利用GPD模型模拟植被冠层光合作用包括：使用GPD模型来模拟LAI的时间序列，并对植被冠层光合作用进行模拟。所述GPD模型包括五个最基本的植被冠层作用，其中：冠层辐射传输模型，确定冠层的日照环境和叶片辐射吸收量，公式为：[PARl，Rln，Rsn]＝f(Rg，Rd，θ，L，Ω)；叶片光合作用模型，模拟单个叶片的光合作用速率，公式为：An＝f(PARl，Tl，Photo，SWC，Patm，gs，ci)；叶片气孔导度模型，获得叶片边界层和气孔导度，公式为：[gs，gb，ci]＝f(An，VPD，Patm，u，[CO2])；土壤蒸散发模型，获得出土壤蒸发率以平衡地表能量，公式为：λEs＝f(Rsn，Tac，VPD，Patm)；其中：PARl代表阳面或阴面的叶片中每一侧叶面积所吸收的光合有效辐射波长的辐射量；Rln代表叶表面的净短波辐射量；Rsn代表土壤表面的净短波辐射量；f代表用括号中带有输入参数的函数；Rg代表每日入射到冠层顶部的太阳总辐射；Rd代表每日冠层顶部的散射辐射；θ代表太阳天顶角；L代表叶面积指数；Ω代表叶片聚集度指数；An叶片净光合作用率；Tlk代表叶片的开氏温度；Ta代表日平均气温；VPD代表饱和蒸汽压；Patm代表大气压强；Photo代表在给定位置中某天的光周期；SWC代表根系区域的土壤含水量；gs代表叶片的气孔导度；gb代表叶片边界层导度；ci代表细胞间CO2分压；CO2代表大气中二氧化碳的浓度；u代表风速；λEl代表叶片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟落叶阔叶林叶片季节性动态的稳态近似方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：通过联立求解方程组来满足植被叶片动力学两种稳态条件以维持植被光合作用，所述两种稳态条件包括：冬季休眠期和夏季冠层成熟期，耦合植被日累积生产力GPD模型和物候模型，通过迭代计算至收敛求算LAI稳定态值；通过滑动平均法，预测完整的LAI时间序列；利用GPD模型模拟植被冠层光合作用，结合野外测量数据和卫星数据对其进行评估。

【技术特征摘要】
1.一种模拟落叶阔叶林叶片季节性动态的稳态近似方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：通过联立求解方程组来满足植被叶片动力学两种稳态条件以维持植被光合作用，所述两种稳态条件包括：冬季休眠期和夏季冠层成熟期，耦合植被日累积生产力GPD模型和物候模型，通过迭代计算至收敛求算LAI稳定态值；通过滑动平均法，预测完整的LAI时间序列；利用GPD模型模拟植被冠层光合作用，结合野外测量数据和卫星数据对其进行评估。2.如权利要求1所述的模拟落叶阔叶林叶片季节性动态的稳态近似方法，其特征在于，所述通过联立求解方程组来满足植被叶片动力学两种稳态条件以维持植被光合作用中的线性方程1为：其中：LAIs代表在给定环境条件下达到稳态的叶面积指数，GPPs代表在给定环境下达到稳态的总初级生产力，LAIc代表冠层郁闭时的叶面积指数，GPPc代表冠层郁闭时的平均总初级生产力。3.如权利要求2所述的模拟落叶阔叶林叶片季节性动态的稳态近似方法，其特征在于，所述通过迭代计算至收敛求算LAI稳定态值包括：将LAIs和GPPs作为变量代入一个完善的光合作用模型，基于GPD模型形成以下方程2：GPPs＝f(LAIs，E1，2，...n)，其中：LAIs代表在给定环境下达到稳态的叶面积指数，GPPs代表在给定环境下达到稳态的总初级生产力，E1，2，...n代表各种环境变量；线性方程1和方程2是一个通过GPP和LAI原点的对数函数；基于预先给定初始的LAI值，然后通过不断迭代直至收敛求算LAI稳定态值。4.如权利要求3所述的模拟落叶阔叶林叶片季节性动态的稳态近似方法，其特征在于，所述通过滑动平均法，预测完整的LAI时间序列包括：通过滑动平均法来预测稳态LAI和模拟LAI的时间序列，所述滑动平均法运算的公式表示如下：LAI＝SMA(LAIs，n)，其中：LAI代表叶面积指数，LAIs代表稳态叶面积指数，n代表样本窗口的天数，SMA代表滑动平均运算。5.如权利要求4所述的模拟落叶阔叶林叶片季节性动态的稳态近似方法，其特征在于，所述利用GPD模型模拟植被冠层光合作用包括：使用G...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛秦川，戴永久，
申请(专利权)人：辛秦川，戴永久，
类型：发明
国别省市：广东,44