同步考虑植被冠层和根系动态变化的区域尺度蒸散发模型的构建方法技术

本发明专利技术提供了一种同步考虑植被冠层和根系动态变化的区域尺度蒸散发模型的构建方法，包括以下步骤：S1、通过PT

【技术实现步骤摘要】
同步考虑植被冠层和根系动态变化的区域尺度蒸散发模型的构建方法


[0001]本专利技术涉及生态环境监测
，具体地，涉及一种同步考虑植被冠层和根系动态变化的区域尺度蒸散发模型的构建方法。

技术介绍

[0002]由于区域尺度ET估算时，空气阻力数据(如风速，地表阻抗，植被高度)匮乏，物理机制复杂，涵盖因子众多，蒸散发ET不仅取决于能量和水量，还与植被变化过程中植被生理过程等多种因子密切相关，导致对区域尺度的蒸散发的准确估算存在一定的难度。此外，区域尺度的蒸散发过程对植被变化的响应也存在较大差异，不同的物种生理差异巨大，对于蒸散发的估算不仅应当引入植被类型，而且应当全面考虑植被的水平方向(冠层覆盖度)的变化以及纵向(植被根深)的变化对蒸散发的共同影响。
[0003](PT
‑
JPL(Priestly
‑
Taylor Jet Propulsion Laboratory)蒸散发模型是由Fisher等人开发的，基于大气和生物指标将Priestley
‑
Taylor估算的PET(潜在蒸散发)降为实际ET的三源蒸散发模型，其计算过程的简便解决了地表阻力难以获得的难题，使我们将PT
‑
JPL模型与植被特征全面耦合成为了现实。而且PT
‑
JPL模型包含大量的植物生理学参数，适合与植被变化相联系。现在所使用的PT
‑
JPL模型仅与植被冠层相结合，而并未实现与土壤水分及植被根深相结合。根深与植被对土壤水分的利用息息相关，因此应当进一步使得PT
‑
JPL模型与根深相耦合构建PT
‑
JPLzr模型。
[0004]现场观测为准确划分ET提供了最可靠的信息。然而，由于观测站点稀疏，测量时间不一致，难以在区域尺度上获得ET划分。PT
‑
JPL模型为模拟ET划分提供了一种有效的方法。然而，PT
‑
JPL模型缺乏土壤水分约束，仅依赖大气蒸发蒸腾需求和生物生理因素来表征地面条件，不适用于复杂下垫面情况或干旱地区。因为在较高的大气蒸散需求下，土壤水分可能不足以满足蒸散发的需求。先前的PT
‑
JPL模型使用冠层高度来表征植物对土壤水分的敏感性，即冠层高度越高的植被对土壤水分缺乏的敏感性越低。然而，Zr可能比冠层高度更能反映植物对土壤水分的敏感性，因为植物的吸水深度随Zr的变化而变化。一方面，Zr通过土壤水力学影响土壤水分的分布，水分通过根系从湿润的土壤转移到干燥的土壤。另一方面，由于陆地水、能量和碳循环之间的紧密耦合，Zr影响土壤、植被和大气之间的水、能量和碳交换。此外，Zr对于许多水文和生物地球化学模型的精确模拟至关重要。因此，有必要将 Zr纳入PT
‑
JPL模型，以优化土壤水分对蒸散发的表征，提高模型的模型性能。
[0005]虽然Zr在水文模型和生物地球化学过程中发挥着重要作用，但Zr的分布和量化仍有很大的不确定性。现有模型以一种简化的方式考虑Zr。例如，在Noah
‑
MP 模式中，所有作物类型的Zr均设为1m，而不考虑Zr的时空变化。同样，在社区土地模型(CLM)3.5中，土壤湿度模拟使用了固定的Zr。在CLM4
‑
Crop中，Zr也被表示为一个静态方程。考虑到植物生根深度的动态特性，采用固定的Zr值是不现实的。但由于缺乏观测数据，在大尺度模式中很难参数化Zr。因此，我们需要一个模型来量化每个分析单元的Zr，并将其纳入水文模型。Guswa
[0023]式中，p为地表反照率，I
t
为向下的短波辐射(W
·
m
‑2)，R
ld
为向下的长波辐射 (W
·
m
‑2)，R
lu
为向上的长波辐射(W
·
m
‑2)，T为气温(K)，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数(5.67
×
10
‑8W
·
m
‑2·
K
‑4)。
[0024][0025]R
nc
＝R
n
‑
R
ns
[0026]其中，R
ns
为到达土壤表面的净辐射(W
·
m
‑2)，R
nc
是冠层截获的净辐射(W
·
m
‑2)，是消光系数，取值0.6，LAI是叶面积指数；LAI来源于MODIS (MODerate
‑
resolution Imaging Spectroradiometer)空间分辨率为500米，时间分辨率为8天(https：//lpdaac.usgs.gov/products/mod15a2hv006/)。
[0027]进一步地，步骤S1中，各影响因子的计算
[0028]f
wet
＝RH4[0029]f
APAR
＝m1EVI+b1[0030]f
IPAR
＝m2NDVI+b2[0031][0032][0033][0034]其中，f
wet
为相对表面湿度，f
g
为绿色冠层所占比例，f
t
为温度限制因子，f
m
为水分限制因子，f
APARmax
是f
APAR
的最大值，RH是相对湿度，T
max
是最高气温(℃)， T
opt
是植被最佳生长温度(℃)，EVI是增强型植被指数，NDVI是归一化植被指数， f
APAR
是被树冠吸收PAR系数，f
IPAR
是被树冠截取PAR系数，PAR系数是光合有效辐射的比例，b1＝
‑
0.048，b2＝
‑
0.05，m2＝1，m1＝1.3632。
[0035]进一步地，步骤S2中，植物有效根深Zr的计算方法如下：
[0036][0037]θ
p
＝θ
fc
‑
θ
w
[0038]W＝P/P
T
[0039][0040]其中，Zr为植物有效根深(cm)，α
r
为平均降雨深度(cm)，θ
p
为植物有效含水量(cm3·
cm
‑3)，θ
fc
为田间持水量(cm3·
cm
‑3)，θ
w
为凋萎系数，W为年平均降水量(P，mm)与潜在
蒸腾速率(PT，mm)之比；
[0041]A的计算公式如下：
[0042][0043][0044]WUE＝GPP/ET
[0045]其中，PT代表潜在蒸腾(mm)，γ
r
为实际根呼吸速率(gCg
‑1roots d...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同步考虑植被冠层和根系动态变化的区域尺度蒸散发模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过PT
‑
JPL模型需要的区域尺度的数据来计算净辐射R
n
、净辐射分量R
ns
和R
nc
、以及各影响因子；S2、基于Guswa模型估算预设区域尺度的植物有效根深Zr；S3、将植物有效根深Zr通过在植被蒸腾T和土壤蒸发E
b
中的土壤水作用耦合进PT
‑
JPL三源蒸散发模型构建同步考虑植被冠层和根深动态变化的区域尺度蒸散发模型：源蒸散发模型构建同步考虑植被冠层和根深动态变化的区域尺度蒸散发模型：ET＝T+E
b
+E
i
式中，f
wet
为相对表面湿度；f
rew
为土壤水分和土壤性质约束；α为Priestley
‑
Taylor模式系数，取值1.26；Δ为温度
‑
饱和水汽压斜率；γ是干湿表常数，取值0.066；R
ns
为表层土壤净辐射；G为地面热通量；f
g
、f
t
和f
trm
分别为绿色冠层分数、植物温度约束和生态生理标量，ET为蒸散发,E
i
为冠层截留蒸发。2.根据权利要求1所述的同步考虑植被冠层和根系动态变化的区域尺度蒸散发模型的构建方法，其特征在于，步骤S1中，净辐射R
n
、净辐射分量R
ns
和R
nc
的计算方法如下：R
n
＝R
nshort
‑
R
nlong
其中，R
n
是净辐射，R
nshort
和R
nlong
分别为净短波辐射和净长波辐射；R
nc
＝R
n
‑
R
ns
其中，R
ns
为到达土壤表面的净辐射，R
nc
是冠层截获的净辐射，是消光系数，取值0.6，LAI是叶面积指数。3.根据权利要求1所述的同步考虑植被冠层和根系动态变化的区域尺度蒸散发模型的构建方法，其特征在于，步骤S1中，各影响因子的计算f
wet
＝RH4f
APAR
＝m1EVI+b1f
IPAR
＝m2NDVI+b
222
其中，f
wet
为相对表面湿度，f
g
为绿色冠层所占比例，f
t
为温度限制因子，f
m
为水分限制因子，f
APARmax
是f
APAR
的最大值，RH是相对湿度，T
max
是最高气温，T
opt
是植被最佳生长温度EVI
是增强型植被指数，NDVI是归一化植被指数，f
APAR
是被树冠吸收PAR系数，f
IPAR
是被树冠截取PAR系数，PAR系数是光合有效辐射的比例，b1＝
‑
0.048，b2＝
‑
0.05，m2＝1，m1＝1.3632。4.根据权利要求1所述的同步考虑植被冠层和根系动态变化的区域尺度蒸散发模型的构建方法，其特征在于，步骤S2中，植物有效根深Zr的计算方法如下：θ
p
＝θ
fc
‑
θ
w
W＝P/PT其中，Zr为植物有效根深，α
r
为平均降雨深度，θ
p
为植物有效含水量，θ
fc
为田间持水量，θ
w
为凋萎系数，W为年平均降水量(P)与潜在蒸腾速率(PT)之比；A的计算公式如下:A的计算公式如下:WUE＝GPP/ET其中，PT代表潜在蒸腾，γ
r
为实际根呼吸速率，为20℃时根的呼吸速率，T
a
为空气温度，Q
10
为温度系数，表示温度每升高10℃引起的根呼吸速率变化，此处取Q
10
为2.0；RLD为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宝庆，邵蕊，贺缠生，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：