基于遙感數(shù)據(jù)的植被吸收光合有效輻射估算研究

張 璟，謝亞楠，汪鳴泉，王茂華*

(1.上海大學(xué)，上海先進(jìn)通信與數(shù)據(jù)科學(xué)研究院，特種光纖與光接入網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200000；2.中國科學(xué)院上海高等研究院碳數(shù)據(jù)與碳評(píng)估中心，上海 200000)

植被吸收的光合有效輻射(APAR，Absorbed Photosynthetically Active Radiation)是指植被參與生物量積累的過程中吸收的光合有效輻射部分，即植被實(shí)際所吸收的光合有效輻射[1]。它是評(píng)價(jià)植被光合潛力和潛在產(chǎn)量等研究的重要參考指標(biāo)，也是估算陸地生態(tài)系統(tǒng)植被生產(chǎn)力的光能利用率模型的重要組成部分。

在當(dāng)前氣候變化影響下，近年多個(gè)研究指出北半球中高緯度地區(qū)植被凈生產(chǎn)力存在增加的趨勢(shì)[2-3]。隨著美國OCO-2衛(wèi)星和中國碳衛(wèi)星的發(fā)射，獲得了準(zhǔn)確反映植被生產(chǎn)力和碳匯能力動(dòng)態(tài)變化的高精度葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)，而葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)被證明和APAR存在強(qiáng)相關(guān)性[4-5]。因此作為植被凈生產(chǎn)力的重要組成部分和連接葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)與植被生產(chǎn)力的橋梁[6]，對(duì)APAR的全球/區(qū)域尺度下的分布、變化等研究需要進(jìn)一步深入。

國際上廣泛應(yīng)用的光能利用率模型(CASA)中[7]，APAR由光合有效輻射(PAR，Photosynthe-tically Active Radiation)和植被對(duì)到達(dá)冠層頂?shù)娜抗夂嫌行л椛涞奈毡壤?FPAR)共同決定。目前基于遙感數(shù)據(jù)，已有多種廣泛應(yīng)用的成熟FPAR產(chǎn)品，如MODIS FPAR[8]、CYCLOPES FPAR[9]和MERIS FPAR[10]等，具有較好的時(shí)空分辨率，在區(qū)域乃至全球尺度上均能較好地反演植被FPAR的分布和變化。但光合有效輻射不是氣象站的常規(guī)觀測項(xiàng)目，與地理緯度、大氣透明度以及天文輻射強(qiáng)度等多個(gè)因素相關(guān)，影響機(jī)制復(fù)雜。全球PAR網(wǎng)格化產(chǎn)品空間分辨率都比較大，如TOMS衛(wèi)星的PAR產(chǎn)品[11]、CERES和ISCCP_L的PAR產(chǎn)品[12-13]等，空間分辨率都超過100 km，而MODIS只有海洋PAR產(chǎn)品。小區(qū)域PAR尚可借助于氣象站的太陽輻射數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图右怨浪愫笱芯緼PAR，研究區(qū)域擴(kuò)大后目前現(xiàn)有的網(wǎng)格化PAR產(chǎn)品和稀疏的氣象站分布無法滿足較高的空間分辨率，導(dǎo)致在大區(qū)域甚至全球尺度上估算APAR時(shí)存在一定局限性。

近兩年以輻射傳輸模型為理論基礎(chǔ)，陸續(xù)有各種適應(yīng)特定傳感器的PAR估算方法提出，在空間分辨率的提升上取得了較大的進(jìn)展[14-16]，展現(xiàn)出良好的大規(guī)模應(yīng)用的潛質(zhì)，使基于遙感數(shù)據(jù)的區(qū)域/全球APAR估算成為可能。本文借助MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用輻射傳播模型[16]和光能利用率模型[17-18]等，在0.01°×0.01°空間分辨率尺度上，以位于北半球中高緯度的美國伊利諾伊州為研究區(qū)域，從時(shí)間尺度和空間覆蓋范圍上，完全基于遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)探究2006-2016年該區(qū)域APAR的時(shí)空分布和變化趨勢(shì)。

1 研究數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究數(shù)據(jù)來源

對(duì)APAR的估算數(shù)據(jù)來源于MODIS多個(gè)產(chǎn)品，詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息見表1。

表1 MODIS 產(chǎn)品信息

植被光合有效輻射吸收系數(shù)來源于MODIS FPAR產(chǎn)品。對(duì)地觀測領(lǐng)域中，MODIS數(shù)據(jù)以其全球覆蓋，較高的時(shí)間分辨率、多空間分辨率、多光譜分辨率以及免費(fèi)的信息接受和產(chǎn)品服務(wù)政策，在目前研究全球尺度下大氣、海洋和陸地生化過程應(yīng)用非常廣泛[7]。

1.2 研究區(qū)域介紹

伊利諾伊州(lllinois)位于美國中西部，地理坐標(biāo)為87.4952°～91.5131°W、36.9703°～42.5085°N，面積14.6萬km2。地勢(shì)平坦，平均海拔182 m，自北向南傾斜，西北部較高，有起伏平緩的丘陵。伊利諾伊州屬溫帶氣候，冬季寒冷多雪，夏季炎熱。年均降水量，北部800～1 200 mm，南部1 200～1 600 mm。該州是美國主要的農(nóng)業(yè)州之一，全州80%的土地為農(nóng)業(yè)用地。

1.3 研究方法

本文估算的APAR基于經(jīng)典的光能利用率模型——CASA模型[17]和VPRM模型[18]。估算PAR瞬時(shí)值的輻射傳播模型[16]及日均值方法[19]計(jì)算公式如下：

APAR=PAR×FPAR

(1)

(2)

PARdaily=A1·PARmorning+A2·PARafternoon+A3·A0·SSRtheory+A4

(3)

式中：FPAR為植被對(duì)光合有效輻射的吸收系數(shù)；Cw為水云份數(shù)；Ci為冰云份數(shù)；Rclr為晴天的光合有效輻射；Rwc和Ric分別為水云和冰云天氣下的光合有效輻射；ρa(bǔ)，all為大氣球面反照率；ρg為地表反照率；PARdaily、PARmorning、PARafternoon分別為PAR日均值、上午瞬時(shí)值和下午瞬時(shí)值；SSRtheory為大氣上界太陽輻射值；A0～A4為系數(shù)。

利用Mann-kendall非參數(shù)估計(jì)模型[20]來模擬APAR的變化趨勢(shì)，Mann-kendall時(shí)間序列非參數(shù)估計(jì)模型計(jì)算變量斜率的公式如下：

(4)

式中：slope為斜率；xi和xj分別為第i年和第j年(i

2 結(jié)果與分析

2.1 APAR時(shí)空分布

本文以輻射傳輸模型和算法為基礎(chǔ)，應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)估算APAR。為了驗(yàn)證模型及所用算法，本文利用該地區(qū)的PAR觀測站Bondville 2006-2016年觀測數(shù)據(jù)[21]，對(duì)PAR估算值與觀測值進(jìn)行了誤差分析，估算值與觀測值的RMSE為20 W·m-2左右，MBE為-2.84 W·m-2左右，決定系數(shù)R2為0.832 7(圖1)。

結(jié)合MODIS FPAR產(chǎn)品估算該地區(qū)APAR值，結(jié)果見圖2。

APAR年均值為35.10～39.58 W·m-2·a-1，平均值37.65 W·m-2·a-1。2006-2011年單位面積的年平均APAR波動(dòng)較大，最低為2009年，最高為2010年，2011-2016年較為平穩(wěn)，在37.73 W·m-2·a-1上下波動(dòng)，總體來看2006-2016年11 a內(nèi)呈增加趨勢(shì)，平均增加值0.07 W·m-2·a-1。

圖1 2006-2016年Bondville觀測站與衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算值誤差分析

圖2 2006-2016年伊利諾伊州APAR年均值

因?yàn)榕c植被的生長周期相關(guān)，APAR季節(jié)變化較大，因此估算以季節(jié)為劃分，在像元值的分布上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。2006-2016年不同季節(jié)的分布格局較為接近，為節(jié)約篇幅，再次以2016年為例進(jìn)行說明。APAR不同季節(jié)均值分布如圖3所示，空間分辨率為0.01°×0.01°，單位是W·m-2。

由圖3可以看出，植被吸收的光合有效輻射具有明顯的季節(jié)性和空間差異。夏季的APAR均值最高，集中在80～120 W·m-2；其次是春秋兩季，春季集中在20～60 W·m-2，略高于秋季；冬季因?yàn)闇囟鹊脑?，植被的光合作用受限，APAR很低。該季節(jié)性變化滿足植被的生長規(guī)律，夏季吸收的光合有效輻射最多，其次是春季和秋季?？臻g分布上，除芝加哥城市群區(qū)域外，在非夏季均是低緯度地區(qū)的APAR值高于該地區(qū)的較高緯度地區(qū)，有較明顯的緯度分層。而夏季，該區(qū)域最南部APAR日均值最高，其余南部偏北大部分地區(qū)的日均值低于中部和北部地區(qū)。

APAR的分布格局與光合有效輻射和植被對(duì)輻射的吸收能力相關(guān)。該地區(qū)大部分都是農(nóng)業(yè)用地，植被覆蓋較好；降雨充沛，夏季光合有效輻射最強(qiáng)，是植被的生長旺季，因此夏季是植被吸收光合有效輻射最多的季節(jié)。在春季和秋季，該區(qū)域總體呈現(xiàn)緯度越低APAR越高的分布，而夏季則稍有不同，南部偏北的區(qū)域APAR反而低于中部區(qū)域。

2.2 APAR時(shí)間序列趨勢(shì)分析

因?yàn)榕c植被生長周期相關(guān)，全年積累的APAR中，夏季積累的APAR最多，其次是春季、秋季。雖然APAR的年均值均出現(xiàn)了增加的趨勢(shì)，但在該地區(qū)內(nèi)部，APAR在不同區(qū)域和不同季節(jié)的變化趨勢(shì)又是不同的。2006-2016年伊利諾伊州夏季累積APAR值見圖4。從圖4可以看出，只有南部夏季的累積APAR整體上呈減少趨勢(shì)，而中部和北部的夏季累積APAR展現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。

春季累積吸收的APAR往往高于秋季，但是春秋季節(jié)之間累積吸收的APAR差值在不斷縮小，其中依然是南部的春秋季節(jié)累計(jì)的APAR差值變化最為明顯，結(jié)果見圖5。

圖5 2006-2016年伊利諾伊州春秋季累積APAR差值

這種區(qū)域和季節(jié)的變化，反映了該地區(qū)的植被在2006-2016年光合潛力和潛在產(chǎn)量發(fā)生了變化。從像元上對(duì)APAR的空間分布進(jìn)行更細(xì)致的趨勢(shì)變化分析，仍然按季度劃分，均值變化斜率如圖6所示，單位是W·m-2·a-1，空間分辨率為0.01°×0.01°。

從圖6可以看出，2006-2016年春、夏和秋季該地區(qū)的APAR變化趨勢(shì)較為明顯，冬季幾乎無變化。該地區(qū)中部、北部的夏季APAR均值升高幅度為0.6～1 W·m-2·a-1，南部夏季APAR均值呈下降趨勢(shì)，為0.4～1 W·m-2·a-1；春季，該地區(qū)中部范圍APAR均值升高幅度為0.2～0.6 W·m-2·a-1；秋季南部的APAR均值升高幅度較大，達(dá)到0.6～1.0 W·m-2·a-1，而中部和北部變化幅度較小。該地區(qū)APAR在2006-2016年以緯度和季節(jié)劃分出現(xiàn)了較為明顯的變化趨勢(shì)，APAR的分布和變化與該地區(qū)的水熱、土地覆蓋類型、光合有效輻射以及植被對(duì)光合有效輻射的吸收能力相關(guān)，而植被對(duì)輻射的吸收能力同時(shí)也受溫度和降水的影響。因?yàn)镻AR季節(jié)均值和該地區(qū)土地覆蓋類型較為穩(wěn)定，本文僅分析氣溫和降水對(duì)APAR的影響。該地區(qū)氣溫從南到北遞減，2016年各地月均氣溫見表2。年降水量主要集中在春季和夏季，南部年降水量約1 100 mm，北部960 mm，略高于中部880 mm，降雨較為充足。

圖6 2006-2016年伊利諾伊州季節(jié)APAR變化趨勢(shì)分布

表2 2016年伊利諾伊州不同地區(qū)月平均溫度

從圖7可以看出，除2月外，其他月份的氣溫均出現(xiàn)一定幅度的升高，最高增幅達(dá)0.5～0.8 ℃·a-1，春季到秋季月平均氣溫升高幅度高于冬季，中部升高幅度最大，北部和南部升高幅度接近。

圖7 2006-2016年伊利諾伊州月平均氣溫變化趨勢(shì)

從圖8可以看出，月累計(jì)降水變化趨勢(shì)不明晰，即使升高或者降低，幅度也非常小?？紤]到氣溫和降水在分析時(shí)按照緯度劃分，橫跨多個(gè)經(jīng)度，未考慮不同區(qū)域的地物覆蓋，尺度較為粗糙，但是從圖7、8可以看出不同緯度，該地區(qū)在溫度上的升高趨勢(shì)是一致的，降水情況變化較為復(fù)雜，沒有一致的變化趨勢(shì)。

圖8 2006-2016年伊利諾伊州月累計(jì)降水變化趨勢(shì)

對(duì)比分析該地區(qū)APAR的季節(jié)均值和水熱變化趨勢(shì)，夏季時(shí)，南部氣溫在較高溫度的基礎(chǔ)上繼續(xù)升高，高溫條件下植被的光合作用受到抑制，導(dǎo)致植被吸收的光合有效輻射減少；相應(yīng)的北部、中部地區(qū)氣溫略有上升，更適宜植被生長分布，吸收的光合有效輻射增多；秋季南部地區(qū)平均氣溫有所升高，一定程度上延長了植被的生長季，因此吸收了更多的光合有效輻射。

3 討論與結(jié)論

本文利用多年觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了基于輻射傳播模型和遙感數(shù)據(jù)的PAR估算模型，結(jié)合植被對(duì)光合有效輻射的吸收系數(shù)，建立了APAR估算模型，并獲得伊利諾伊州的APAR季節(jié)性和空間分布。該地區(qū)APAR年均值為35.10～39.58 W·m-2·a-1，平均值為37.65 W·m-2·a-1，平均增加值為0.07 W·m-2·a-1。APAR受植被生長規(guī)律和水熱條件影響季節(jié)變化明顯，夏季的APAR值最高，其次是春秋兩季，春季略高于秋季。APAR的空間分布特征總體隨緯度變化，但在內(nèi)部區(qū)域受水熱和土地覆蓋類型等條件的影響體現(xiàn)出不同的分布。

研究中利用2006-2016年不同季節(jié)的APAR估算數(shù)據(jù)，基于Mann-Kendall 非參數(shù)估計(jì)方法，模擬了該地區(qū)2006-2016年4個(gè)季節(jié)的APAR變化趨勢(shì)。該地區(qū)中部、北部的夏季APAR均值升高幅度最大，為0.6～1 W·m-2·a-1，而南部的夏季APAR均值呈下降趨勢(shì)；春季該地區(qū)中部范圍APAR均值升高，南部呈下降趨勢(shì)；秋季南部的APAR均值升高幅度較大，而中部和北部變化幅度較小。該地區(qū)植被分布比較穩(wěn)定，而氣溫變化較大，存在明顯的升高趨勢(shì)，導(dǎo)致夏季南部氣溫更高，高溫條件下地表水分蒸發(fā)，高溫也抑制了植被的光合作用，導(dǎo)致植被吸收的光合有效輻射降低；相應(yīng)的北部、中部地區(qū)氣溫略有上升，更適宜植被生長分布，吸收的光合有效輻射增多；秋季南部地區(qū)平均氣溫有所升高，一定程度上延長了植被的生長季，因此吸收了更多的光合有效輻射。

本文較精確地反映了美國伊利諾伊州APAR的時(shí)空分布和時(shí)序變化，有助于進(jìn)一步利用APAR研究葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)，分析北半球中高緯度地區(qū)植被受溫度影響生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)，深入分析氣候變化對(duì)植被的影響，開展當(dāng)前氣候變化下的碳循環(huán)研究。