基于辐射传输理论的光合有效辐射估算模型及应用研究

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光合有效辐射是太阳辐射中植物用来进行光合作用的部分,波长范围在0.4-0.7μm之间,是植物进行光合作用的能源,对植物的生长与发育有重要的影响,也是陆地生态系统模型、气候模型的关键参数。精确估算光合有效辐射对于生态学、农学以及气候学的研究有重要意义和价值。目前光合有效辐射的估算较多依赖地面观测数据,站点稀少造成其空间分布存在不确定性。同时,通过插值得到的估算精度也很难满足实际应用的需求。因此,基于遥感和气象数据建立新的估算模型,能够提高光合有效辐射的空间分辨率和估算精度。本文在总结前人相关研究的基础上,依据辐射传输理论,利用MODIS和气象数据建立了估算光合有效辐射的分段式辐射传输模型,利用地面观测数据对模型精度进行验证,并对京津冀地区光合有效辐射空间格局进行反演。主要结论如下:(1)以辐射传输方程为基础,参考计算晴空太阳辐射的Bird clear sky Model模型,考虑云对光合有效辐射影响的Stephens方法,以MODIS的水汽、臭氧、气溶胶光学厚度、云的光学厚度等数据为输入参数,构建了估算晴天、多云、阴天状况下光合有效辐射的分段式辐射传输模型。(2)选取区域内气象观测站的辐射数据对模型估算精度进行验证。本文所估算的光合有效辐射与实际观测值之间的相关系数在0.80-0.89之间,均方根误差在15.84-20.91W/m2之间,相对平均偏差在6.56-12.23%之间,平均绝对百分比误差在8.19-13.73%之间。模型在估算晴天光合有效辐射的精度最高,其次为多云,最后为阴天。主要原因是在估算云对光合有效辐射的影响时仅考虑了云的光学厚度这一特性,忽略了云的结构和云状等性质,导致阴天情况下估算误差略大。各站点整体估算精度西北部地区高于东南部,这主要受空气质量和云状况影响。(3)2016年京津冀年光合有效辐射量在1730.07-2678.30MJ/m2之间。空间分布整体呈现西北高东南低,山地阳坡高于阴坡的趋势。其中,坝上高原年光合有效辐射量在2600MJ/m2左右,坝下地区在2400MJ/m2左右,太行山西部山区在2300-2400MJ/m2左右,广大平原地区在2000-2100MJ/m2左右。这种空间格局主要受地理、地形和大气状况的综合影响。京津冀光合有效辐射季节变化显著,1月份光合有效辐射量在4.04-117.74MJ/m2之间,4月份光合有效辐射量在151.40-321.07MJ/m2之间,7月份光合有效辐射量在299.98-412.62MJ/m2之间,10月份光合有效辐射量在27.77-127.25MJ/m2之间,各月离散程度大小依次为4月份>7月份>10月份>1月份。与同一区域相关研究相比,本次估算的光合有效辐射量略低,主要原因是近年来京津冀雾霾日益严重,气溶胶增多,对太阳辐射的削弱作用增强,再加上该年份阴雨天气较多,导致光合有效辐射值较低。
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