基于集成学习的土壤质地数据融合及其对Noah-MP土壤温湿度模拟的影响

来源 :南京信息工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:suka
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
土壤质地作为重要的地表特征参数,直接影响饱和土壤含水量、水力传导率以及土壤基质势等土壤水文参数,并影响包括土壤热容量和土壤导热率在内的土壤热力学参数,使用高质量的土壤质地数据是提高陆面模式模拟精度的有效方法。为此,本研究提出了基于集成学习的中国区域土壤质地数据模拟及研制方法,该方法使用气象数据、地形数据、植被数据等成土因素作为协变量因子,基于GBM梯度提升机对砂粒、粉粒、粘粒数据进行回归模拟,并且使用GLM广义线性模型作为元学习器,将GBM模拟结果与现有的高质量土壤质地数据进行融合,得到面向Noah-MP陆面模式的中国区域土壤质地数据,并应用于CLDAS/Noah-MP系统,开展土壤质地改变对模式模拟土壤温湿度的影响研究。主要结果如下:(1)使用降水、地表温度、NDVI、MODIS七个波段的地表反射率、土地利用类型、经纬度、高程、坡度、坡向、土壤类型作为协变量因子构建GBM模型,对中国区域砂粒、粉粒、黏粒含量进行回归模拟。使用GLM对GBM模拟结果、基于随机森林的土壤机械组成数据和基于多边形连接法的土壤机械组成数据进行融合。融合结果(GBM/GLM)的砂粒、粉粒、黏粒的精度均有所提升,三种粒径的均方根误差分别为0.127、0.098、0.069,与GBM结果比较,砂粒、粉粒、黏粒的均方根误差分别降低0.022、0.015和0.034,其中,黏粒的改进最为明显。利用美国农部制土壤质地三角图将基于融合结果得到土壤质地数据,并与Noah-MP模式自带土壤质地(FAO)进行比较,发现两种不同土壤质地数据中不同土壤质地的面积占比存在较大差异,尤其是砂壤、粉壤、黏壤和砂黏壤两套数据的空间分布存在较大不同。整体而言,GBM/GLM土壤质地具有更加合理的空间分布。(2)研究设计GBM/GLM(本文研究的土壤质地)和FAO(模式自带的土壤质地)两组CLDAS/Noah-MP实验模拟2014年0-10cm和10-40cm深度中国区域土壤湿度,开展不同土壤质地数据对于土壤湿度模拟的影响研究。结果表明,土壤质地的改变能够明显影响到土壤湿度的模拟结果,GBM/GLM两层土壤湿度的模拟效果均好于FAO,0-10cm和10-40cm深度相关系数分别提高了0.035和0.036,均方根误差分别降低了0.004m3/m3和0.003 m3/m3。从偏差结果来看,GBM/GLM一定程度上改善了0-10cm深度FAO模拟结果在夏季高估的现象,但10-40cm深度出现普遍低估的现象,这有赖于模式参数化方案的改进。将中国分为八个区域,发现GBM/GLM模拟精度在大部分地区都有所改进,其中东南地区改进最大,0-10cm和10-40cm深度的相关系数分别提高了0.016和0.041,均方根误差分别降低了0.008 m3/m3和0.005 m3/m3。(3)研究设计GBM/GLM(本文研究的土壤质地)和FAO(模式自带的土壤质地)两组CLDAS/Noah-MP实验模拟2014年0-10cm深度中国区域土壤温度,开展不同土壤质地数据对于土壤温度模拟的影响研究。结果表明,两组实验模拟值差值范围为-0.25℃-0.13℃,改变土壤质地能够影响Noah-MP土壤温度的模拟结果。GBM/GLM土壤温度的模拟效果整体优于FAO,与观测值相关系数为0.937,均方根误差为0.9091℃,与FAO相比较,相关系数提高了0.004,均方根误差降低了0.031℃。日尺度上,GBM/GLM在308个日次的相关系数大于FAO,均方根误差同样大部分日次低于FAO。月尺度上,除2、11、12月的其它各月CLDAS/Noah-MP模拟结果都出现轻微的高估现象。两组实验的均方根误差比较接近,1月、2月以及10-12月GBM/GLM的均方根误差更低。季节尺度上,两组实验的模拟效果秋季最好,冬季较差,相关系数仅有0.84,且存在明显的低估现象,其它三个季节相关系数均大于0.98。整体而言,GBM/GLM土壤质地在一定程度上改进CLDAS/Noah-MP土壤温度除夏季外的模拟效果。
其他文献
为了研究高温高湿对番茄花芽分化进程的影响机理及对热激蛋白表达的影响,以番茄品种“寿和粉冠”为试材,于2019年3-6月与2020年4-7月在南京信息工程大学农业气象试验站进行气温、空气相对湿度、处理天数的正交试验,气温(昼温/夜温)设4个处理水平:T1(32℃/22℃)、T2(35℃/25℃)、T3(38℃/28℃)、T4(41℃/31℃);空气湿度设3个处理水平:H1(50%±5%)、H2(70
如今,随着无线通信的发展,无线城域网中由于应用部署的多样化和服务要求的个性化,人们对移动设备的依赖程度越来越高。随着边缘计算的快速兴起,让无线城域网中的移动用户可以将服务迁移到边缘服务器上执行,减少服务执行时间,降低移动设备能耗。然而,由于无线城域网中服务体量大、边缘服务器资源受限等原因,服务在执行过程中边缘服务器的数据传输性能低下、能源消耗增加等问题日益突出。在隐私数据如此重要的大数据时代,如何
稻纵卷叶螟(Cnaphalocrocis medinalis)是水稻的重要害虫之一,对我国粮食安全形成了重大威胁。本文通过对自然大田条件下发生的水稻稻纵卷叶螟为害进行定点连续观测,利用地面非成像高光谱仪、SPAD-502叶绿素仪和LP-80冠层分析仪获取水稻冠层光谱、卷叶率、叶绿素相对含量(Soil and Plant Analyzer Development,SPAD)和叶面积指数(Leaf A
卫星微波遥感土壤湿度产品在数值天气预报、气候预测和气象保障服务中,尤其是在农作物监测和灾害预警中发挥着重要作用,产品可靠性和准确性对农业生产至关重要。风云三号系列卫星是中国第二代极轨气象卫星,其微波土壤湿度产品的质量和连续性在时间和空间上存在不确定性。本研究以中国国家气象局的中国自动土壤水分观测站土壤湿度数据为基础,系统分析了山东地区FY-3B和FY-3C卫星反演土壤湿度产品的质量及其时空分布,同
土壤水分是地表和大气之间水与能量交换的一个重要环节,也是农作物培育中的一大要素。随着信息技术的发展,现代农业正在从传统灌溉模式向精细灌溉不断过渡,而精细灌溉的实现离不开优良的土壤水分观测技术。多深度的土壤墒情监测,能够为农作物根系生长环境观测提供数据支持,对科学精准灌溉、旱涝灾害防护预警等具有重要的研究意义和广泛的应用价值。本文在深入分析几种常见土壤介电常数获取方法的基础上,采用频域反射技术,设计
针对量子通信性能参数在大气环境影响下发生的变化,本研究将大气自由空间作为信道传输环境,选取雾、海洋气溶胶、卷云作为影响因素,建立每个影响因素的粒子分布模型,并分析计算每个影响因素的散射消光特性;结合量子通信中量子态的变化研究影响因素对量子信道各项性能的影响,为量子通信的顺利进行提供理论参考。雾天是常见的一种天气,在浓雾天进行通信会受到较大的影响。为了研究雾对自由空间量子通信的影响,根据雾滴谱分布函
土壤水力学特性受颗粒组成、孔隙结构和团聚体的复杂排列影响,这些孔隙、颗粒和团聚体可能会随着气候、生态演变和土地管理过程而发生变化。土壤水力特征参数是对土壤水动力过程进行数值模拟的基础和前提。受热带季风气候影响,西双版纳热带季雨林植被覆盖率高,雨热条件存在季节差异,且存在落叶阔叶林,落叶也会改变土壤的水力学性质。分析不同季节下的土壤水分运移过程和土壤水力特征参数变化,对于水文气象过程及生态演变研究具
氧化亚氮(N2O)是一种在大气中持留时间长、破坏臭氧层的重要温室气体。农田是N2O的重要排放源,控制其排放一直是国内外的研究热点。有机肥代替化学肥料可以满足作物养分需求、改良土壤,但也会排放N2O。本论文通过纯培养试验和室内模拟试验,在有机肥中接种减排N2O或促进N2O还原的细菌,旨在发展利用微生物减排施用有机肥的农业土壤N2O排放技术。具体结果如下:有机肥微宇宙试验中供试细菌与有机肥混合后可以发
多输入多输出技术(Multi-Input Multiple-Output,MIMO)和波束成形技术作为5G通信系统的两大研究热点,在工业界和学术界都受到了越来越多的关注。手持移动终端设备作为现代无线通信系统的重要组成部分,正朝着小型化、智能化方向发展,给终端天线预留的空间越来越小。如何在有限的空间内实现小型化、多功能化的通信要求,对于天线设计工程师来说是个巨大的挑战。为了解决当前手持终端天线面临的
海杂波是海洋表面对雷达信号的后向散射回波,由于受到海上复杂海情的影响,对检测海面小目标有巨大的阻碍。同时,小目标雷达散射截面积小,目标信号微弱,易淹没在海杂波和噪声中,导致检测虚警率上升。如何从复杂海情中实现小目标高精准、高时效的检测已成为雷达信号处理领域的热点和难点。在海杂波背景下检测小目标,需要对海杂波特征进行研究,分析海杂波信号与小目标信号的特征差异,进行小目标检测。依据海杂波具有混沌特性和