基于渦度觀測和遙感技術(shù)的城市碳源-匯研究.pdf

1、城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳核查的重要組成部分，城市碳源/匯的定量和定性研究對城市碳循環(huán)解譯具有重要意義。目前對碳源/匯的研究主體集中在下墊面均一的生態(tài)系統(tǒng)，對作為主要碳源的城市生態(tài)系統(tǒng)研究較少。本文以城市生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，使用渦度相關(guān)技術(shù)觀測徐州南部城區(qū)的實時碳通量，基于改進的陸地碳模型（Carnegie-Ames-Stanford Approach，CASA模型）和土壤呼吸地質(zhì)統(tǒng)計模型（Geostatistical mo

2、del of soil respiration，GSMSR模型），以遙感影像數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)作為輸入進行城市地區(qū)凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（Net Ecosystem Productivity，NEP）的反演。利用模擬的凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）分析徐州南部城區(qū)2014年和2015年碳源/匯情況，結(jié)合渦度觀測數(shù)據(jù)研究碳通量的時空變化規(guī)律和影響因素。研究成果將為徐州生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價、資源的合理開發(fā)及保護提

3、供重要的理論與實踐價值。主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）給出了渦度相關(guān)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，綜合利用坐標軸旋轉(zhuǎn)、側(cè)風向改正、夜間數(shù)據(jù)篩選等方法實現(xiàn)了渦度觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制?；谛拚蟮挠^測數(shù)據(jù)，通過分段平均檢驗法確定夜間摩擦風速閾值為0.22m/s。針對數(shù)據(jù)殘缺的問題，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)插值方法對殘缺數(shù)據(jù)插補。通過預(yù)處理工作獲得了可靠的數(shù)據(jù)輸入，足夠代表觀測區(qū)真實的碳通量。
　?。?）介紹了 CASA模型的基本原理，同時，針對蒸散量獲

4、取困難的特點，采用基于歸一化水分指數(shù)的光能利用率水分脅迫系數(shù)的改進方法，優(yōu)化了CASA模型。采用逐日太陽輻射模型計算2015年徐州地區(qū)太陽輻射量，通過模擬的太陽輻射量、歸一化植被指數(shù)、溫度等優(yōu)化參數(shù)，基于CASA模型進行2014-2015年徐州南部城區(qū) NPP的反演，并采用土壤呼吸地質(zhì)統(tǒng)計模型 GSMSR進行異養(yǎng)呼吸量的模擬?；贜PP和異養(yǎng)呼吸量估算出NEP。
　?。?）為了對模型進行可靠性與精度分析，以渦度站觀測數(shù)據(jù)為參考，對

5、模擬NEP數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析?；谕控暙I區(qū)的原則，確定渦度足跡半徑1500m，驗證足跡半徑內(nèi)的NEP均值與觀測NEE值相關(guān)性，得到二者相關(guān)性較強，模型精度2014年和2015年最高相關(guān)系數(shù)分別為0.627和0.823。為了保證模擬的可靠性，采取與已有 NPP研究成果對比的方法，本文中徐州南部城區(qū)2014年和2015年NPP年均值分別為508.061?2?gC?m?a和343.7351?2?gC?m?a，表明對基于影像和CASA模型對徐

6、州地區(qū)的NPP反演符合眾多學者對中國大陸范圍NPP估算趨勢。
　?。?）研究了城市碳源/匯時空變化的特性，采用改進后的CASA模型對徐州地區(qū)的年度、季度、月度NPP變化進行時空分析。結(jié)果分析可以得到，2014年HJ-1星和Landsat8模擬NPP均值分別為672.671?2?gC?m?a和312.061?2?gC?m?a；2015分別為301.721?2?gC?m?a、346.961?2?gC?m?a?；贜PP月均變化確定云龍

7、山、泉山森林公園、珠山風景區(qū)、拉犁山及城郊農(nóng)用田為碳匯，徐州市中心等建筑物密集地區(qū)均為碳源。綜上證明渦度相關(guān)技術(shù)可精確監(jiān)測城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)，結(jié)合GSMSR和改進的CASA模型對大范圍的城市區(qū)域碳源/匯監(jiān)測可靠性強。
　　（5）研究了氣象因素對碳通量及城市碳源/匯分布的影響。結(jié)論表明，溫度與碳通量呈現(xiàn)二次多項式相關(guān)性，而空氣濕度與碳通量呈現(xiàn)負相關(guān)性。從風向和風速影響因子中顯示出渦度站東南方向礦大校區(qū)和西南方向山林對碳通量影響顯著；