耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算方法及系统

本发明涉及生态遥感与水文学交叉，尤其涉及一种耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算方法及系统。

背景技术：

1、陆地蒸散发（evapotranspiration，et）是连接全球水、碳和能量循环的核心纽带。作为陆地表面向大气回送水分的主要途径，et消耗了陆地表面超过一半的太阳辐射能，并将全球约60%的陆地降水重新输送回大气中。准确量化et及其三个核心组分：植被蒸腾（transpiration，tr）、土壤蒸发（soil evaporation，es）和冠层截留蒸发（evaporation ofcanopy intercepted water，ei），对于评估水文循环演变、干旱监测及气候变化下的生态系统动态至关重要。

2、日光诱导叶绿素荧光（solar-induced chlorophyll fluorescence，sif）是监测陆地生态系统光合作用的直接探针。sif与植被实际光合速率和光能利用效率具有实际的生理相关性，能够更敏锐地捕捉植被在环境胁迫下的生理波动和光合活性的瞬时变化。可以利用gosat、oco-2和tropomi等卫星获取全球sif数据。然而，卫星直接观测的sif往往存在空间分辨率低、时空不连续等弊端。为了弥补这一缺陷，已有一系列长时序、高分辨率（0.05°）的时空连续的sif产品，如csif、gosif和rtsif等。

3、近年来，sif在生态系统碳循环监测中的成功应用促使其被进一步扩展到蒸散发估算领域。研究表明，sif与et之间存在显著的相关性，利用sif作为冠层导度的约束，能够比传统模型更有效地模拟植被蒸腾，并优化蒸腾占比的评估。

4、目前，全球的et估算在效果检验上仍存在争议，现有方法普遍存在以下问题：（1）tr估算中气孔导度这一参数不确定性较大；（2）现有相关模型在处理土壤蒸发时，常采用简化的半经验模型，导致et各分量比例估算不准。总体而言，现有研究未能充分反映地表实际的et信息。

技术实现思路

1、本发明提供一种耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算方法及系统，用以解决现有sif驱动的蒸散发模型对组分区分不完全（如忽视冠层截留ei）以及参数空间化方案缺乏动态气候驱动表达的缺陷，实现对植被蒸腾、土壤蒸发与冠层截留的精细化协同估算。

2、第一方面，本发明提供一种耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算方法，包括：

3、采集并预处理era5-land气象再分析数据、叶面积指数数据、全球降雨数据、全球土地覆盖分类数据、全球重建csif日光诱导叶绿素荧光数据；

4、获取fluxnet2015地面站点观测数据，对所述地面站点et观测数据和气象数据进行时间平均和校正，得到校正后的地面站点et观测数据和校正后的地面站点气象数据，并将所述全球重建csif日光诱导叶绿素荧光数据按照站点经纬度坐标匹配到每个站点，得到站点匹配的sif观测数据；

5、构建待求解的所述校正后的地面站点et观测数据、所述校正后的地面站点气象数据和所述站点匹配的sif观测数据之间的半经验公式，并对所述半经验公式在各地面站点进行参数率定，使用最小二乘算法，得到所述半经验公式在所述各地面站点的估算参数集合；

6、基于所述全球土地覆盖分类数据对所述各地面站点进行分类，从所述校正后的地面站点气象数据中统计出站点环境变量，使用所述站点环境变量在每个土地覆盖分类下对所述估算参数集合进行多元线性回归，得到参数回归模型；

7、基于所述全球土地覆盖分类数据对全球地表进行分类，从所述era5-land气象再分析数据中统计出全球环境变量，将所述全球环境变量在每个土地覆盖分类下代入所述参数回归模型，得到全球参数分布；

8、使用所述全球参数分布构建全球半经验公式，将所述era5-land气象再分析数据、所述叶面积指数数据、所述全球降雨数据和所述全球重建csif日光诱导叶绿素荧光数据代入所述全球半经验公式，得到全球et数据。

9、根据本发明提供的一种耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算方法，采集并预处理era5-land气象再分析数据、叶面积指数数据、全球降雨数据、全球土地覆盖分类数据、全球重建csif日光诱导叶绿素荧光数据，包括：

10、对于小时尺度的所述era5-land气象再分析数据，提取预设天数时间分辨率的气温变量、露点温度变量、净辐射变量、风速变量，通过空间插值将所述气温变量、露点温度变量、净辐射变量、风速变量的空间分辨率统一至预设度数；

11、对于500m空间分辨率的所述叶面积指数数据，通过空间重采样将空间分辨率统一至预设度数；

12、对于三小时尺度的所述全球降雨数据，按照是否有降雨发生标记原始数据，若该时段有降雨则标记为降雨事件，以月为单位统计该月降雨事件的平均降雨强度；

13、对于年尺度的所述全球土地覆盖分类数据，按照igbp分类标准构建代码数据到实际土地覆盖分类的映射。

14、根据本发明提供的一种耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算方法，获取fluxnet2015地面站点观测数据，对所述地面站点et观测数据和气象数据进行时间平均和校正，得到校正后的地面站点et观测数据和校正后的地面站点气象数据，包括：

15、对于小时尺度的所述fluxnet2015地面站点观测数据，提取预设天数时间分辨率的气温、相对湿度、饱和水汽压差、净辐射变量，使用质量控制波段对所述气温、相对湿度、饱和水汽压差、净辐射变量进行质量控制，若该预设天数下不可用数据占比大于50%则删去该数据，

16、对于所述全球重建csif日光诱导叶绿素荧光数据，原始为全球栅格数据，根据fluxnet2015站点的经纬度坐标，定位站点所在的栅格位置，将csif数据与站点进行匹配。

17、根据本发明提供的一种耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算方法，构建待求解的所述校正后的地面站点et观测数据、所述校正后的地面站点气象数据和所述站点匹配的sif观测数据之间的半经验公式，并对所述半经验公式在各地面站点进行参数率定，使用最小二乘算法，得到所述半经验公式在所述各地面站点的估算参数集合，包括：

18、构建待求解的所述校正后的地面站点et观测数据、所述校正后的地面站点气象数据和所述站点匹配的sif观测数据之间的半经验公式，首先将et分为tr、es、ei三个组分分别建模；

19、tr模型的构建基于叶片水碳交换过程，模型将冠层总初级生产力（gross primaryproductivity，gpp）概念化为冠层路径平均的菲克扩散过程，

20、

21、式中（mol m-2 s-1）是冠层气孔对co2导度，（ppm）与（ppm）分别代表大气和植被细胞间的co2浓度，表示植物叶片内外co2的浓度梯度，驱动叶片与大气的co2交换。类似的，tr使用道尔顿定律描述，

22、

23、式中（mol m-2 s-1）是冠层气孔对水蒸汽导度，当水蒸汽与co2共享同一路径时，，vpd是蒸汽压差（kpa），是大气压（100 kpa），表示植物叶片内外水蒸汽的等效摩尔分数梯度，驱动叶片与大气的水蒸汽交换，结合上式可以消除冠层导度，

24、

25、式中vpd、和有直接的观测或者定为常数，使用sif作为植被生理状态的直接指标来约束gpp，使用线性关系描述sif-gpp关系，

26、

27、式中待率定的参数（μmol m-2 s-1/mw m-2 nm-1 sr-1）和（μmol m-2 s-1）描述了sif（mw m-2 nm-1 sr-1）与gpp（μmol m-2 s-1）之间的关系，公式如下，

28、

29、式中（mol mol-1）是边际水分利用效率的倒数，其取值与igbp类型有关，具体取值见表1，（ppm）是没有线粒体呼吸时叶片的co2补偿点，可以使用标准方程计算，

30、

31、式中（℃）是气温，（pa）是叶片内部氧气分压，设置为常数2.09×104 pa。结合上式，并将单位从mol m-2 s-1转变为w m-2，得到表达式，

32、

33、es模型的构建如下，

34、

35、式中rh（no unit）是空气相对湿度，是饱和水汽压-气温曲线的斜率，是湿度常数，a为待率定的参数，rns（w m-2）为到达土壤的净辐射，由计算；g（w m-2）为土壤热通量，取，是环境中绿色植被的比例，

36、

37、式中取0.8，取0；

38、ei模型的构建如下，

39、

40、式中为，是消光系数，取值与igbp类型有关，具体见表1，（mm hr-1）是降雨期间的平均降雨率，（mm hr-1）是降雨期间的平均蒸发率，使用道尔顿型蒸发方程计算，（mm）为降雨事件的总降雨量，（mm）为冠层饱和降水阈值，由下式计算，

41、

42、式中（mm）是特定植被的降雨储存容量，取值见表1，（m2 m-2）是植被枯叶、枝条、茎干的面积指数，与lai和起来表示植被面积指数，的计算由下式迭代，

43、

44、式中和分别表示第n和第n-1时的，和分别表示第n和第n-1时的，表示所能取得的最小值，代表残留率。和的取值与igbp类型有关，见表1；

45、表1 参数取值

46、

igbp

enf

250

0.45

0.85

1

0.25

ebf

750

0.59

0.85

1

0.15

dnf

250

0.45

0.85

1

0.25

dbf

1250

0.59

0.85

1

0.15

mf

1000

0.59

0.85

1

0.2

csh

700

0.56

0.85

1

0.55

osh

700

0.56

0.85

1

0.55

wsa

1200

0.5

0.85

1

0.12

sav

1200

0.5

0.85

1

0.09

gra

700

0.5

0.85

1

0.06

wet

560

0.56

0.85

1

0.06

cro

800

0.62

0.9

0.1

0.06

urb

n/a

n/a

n/a

n/a

n/a

cvm

750

0.56

0.9

0.5

0.06

sno

n/a

n/a

n/a

n/a

n/a

bsv

700

0.56

0

0

0

wat

n/a

n/a

n/a

n/a

n/a

47、将et三组分tr、es、ei相加便得到了计算et的半经验公式。将所述校正后的地面站点et观测数据、所述校正后的地面站点气象数据和所述站点匹配的sif观测数据输入所述计算et的半经验公式，使用最小二乘法确定公式中的（tr模型）、β（tr模型）和a（es模型）三个参数，得到所述半经验公式在所述各地面站点的估算参数集合。

48、根据本发明提供的一种耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算方法，基于所述全球土地覆盖分类数据对所述各地面站点进行分类，从所述校正后的地面站点气象数据中统计出站点环境变量，使用所述站点环境变量在每个土地覆盖分类下对所述估算参数集合进行多元线性回归，得到参数回归模型，包括：

49、先使用所述全球土地覆盖分类数据将所述估算参数集合按照igbp类型进行分类，从所述地面站点观测数据中选择气温（ta）、降水（p）、净辐射（rn）、饱和水汽压差（vpd）、相对湿度（rh）、叶绿素荧光（sif）、潜在蒸散发（pet）和归一化纬度位置（|lat|/90）作为环境变量；

50、除纬度外，其余环境因素均提取其多年平均值（mean）及变率（range），分别表征气候平均情况与季节性特征，使用所述环境变量对所述估算参数集合进行多元线性回归，得到参数回归模型。

51、根据本发明提供的一种耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算方法，基于所述全球土地覆盖分类数据对全球地表进行分类，从所述era5-land气象再分析数据中统计出全球环境变量，将所述全球环境变量在每个土地覆盖分类下代入所述参数回归模型，得到全球参数分布，包括：

52、先使用所述全球土地覆盖分类数据将全球陆地按照igbp类型进行分类，从所述era5-land气象再分析数据中统计出所述环境变量，将其代入基于土地覆盖分类的多元回归参数模型，计算出全球每个栅格的参数，得到全球参数分布。

53、根据本发明提供的一种耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算方法，使用所述全球参数分布构建全球半经验公式，将所述era5-land气象再分析数据、所述叶面积指数数据、所述全球降雨数据和所述全球重建csif日光诱导叶绿素荧光数据代入所述全球半经验公式，得到全球et数据，包括：

54、得到所述全球参数分布以后，就可以根据所述半经验公式的结构在全球每个栅格构建全球半经验公式，将所述era5-land气象再分析数据、所述叶面积指数数据、所述全球降雨数据和所述全球重建csif日光诱导叶绿素荧光数据代入所述全球半经验公式进行计算，即可得到全球et数据以及全球et的分布情况。

55、第二方面，本发明还提供一种耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算系统，包括：

56、采集模块，用于采集并预处理era5-land气象再分析数据、叶面积指数数据、全球降雨数据、全球土地覆盖分类数据、全球重建csif日光诱导叶绿素荧光数据；

57、获取模块，用于获取fluxnet2015地面站点观测数据，对所述地面站点et观测数据和气象数据进行时间平均和校正，得到校正后的地面站点et观测数据和校正后的地面站点气象数据，并将所述全球重建csif日光诱导叶绿素荧光数据按照站点经纬度坐标匹配到每个站点，得到站点匹配的sif观测数据；

58、率定模块，用于构建待求解的所述校正后的地面站点et观测数据、所述校正后的地面站点气象数据和所述站点匹配的sif观测数据之间的半经验公式，并对所述半经验公式在各地面站点进行参数率定，使用最小二乘算法，得到所述半经验公式在所述各地面站点的估算参数集合；

59、回归模块，用于基于所述全球土地覆盖分类数据对所述各地面站点进行分类，从所述校正后的地面站点气象数据中统计出站点环境变量，使用所述站点环境变量在每个土地覆盖分类下对所述估算参数集合进行多元线性回归，得到参数回归模型；

60、分布模块，用于基于所述全球土地覆盖分类数据对全球地表进行分类，从所述era5-land气象再分析数据中统计出全球环境变量，将所述全球环境变量在每个土地覆盖分类下代入所述参数回归模型，得到全球参数分布；

61、计算模块，用于使用所述全球参数分布构建全球半经验公式，将所述era5-land气象再分析数据、所述叶面积指数数据、所述全球降雨数据和所述全球重建csif日光诱导叶绿素荧光数据代入所述全球半经验公式，得到全球et数据。

62、第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算方法。

63、本发明提供的耦合日光诱导叶绿素荧光生理约束的全球蒸散发估算方法及系统，通过充分利用卫星遥感观测数据和地面站点观测数据，基于sif构建了一个精确的蒸散发估算模型，可以更好地反映地表实际的et过程，使用合理的方式对站点尺度模型参数进行推广，生成全球参数分布，成功在全球尺度实现et精确估算，具有科学合理、贴近工程实际的特点。