基于光能利用率模型的瞬时测量到日总量GPP升尺度方法改进研究

为解决卫星瞬时观测与全天GPP需求间的数据缺口问题，研究人员提出了一种结合光能利用率(LUE)模型的GPP升尺度方法。通过SCOPE模型模拟和塔基观测，发现GPP日轨迹受LAI、纬度和DOY影响，并引入非对称校正因子优化温度与湿度的影响。新方法在模拟(R2=0.993)和实测(平均R2=0.970)中均优于传统方案，显著提升低LAI和低纬度区域的估算精度，为全球碳循环研究提供更可靠数据支撑。

　　

论文解读

卫星遥感技术虽为全球陆地总初级生产力(GPP)估算提供了重要手段，但受限于过境时间，仅能捕捉瞬时光合信号，导致全天GPP数据存在缺口。传统升尺度方法依赖入射光总量变化假设，却忽略了光能利用率(LUE)的日变化影响，尤其在低叶面积指数(LAI)和低纬度区域误差显著。此外，温度、湿度等环境因子的日不对称变化进一步增加了估算不确定性。如何精准量化冠层尺度LUE的动态响应，成为提升GPP升尺度精度的关键挑战。

针对这一问题，中国科学院的研究团队在《Agricultural and Forest Meteorology》发表论文，提出了一种融合冠层尺度LUE动态的非对称校正升尺度方法。研究结合SCOPE模型模拟与FLUXNET 2015的涡度协方差(EC)站点数据，系统分析了LAI、纬度和日序(DOY)对GPP日轨迹的影响。通过引入温度-湿度校正因子，新方法在模拟和实测数据中均展现出更高的精度(R²提升达0.09)和鲁棒性，尤其解决了低LAI(<2)条件下传统方法高估的问题。

关键技术方法

1. SCOPE模型模拟：模拟不同LAI(1-5)、纬度(亚北极至热带)和DOY(10与180天)下的冠层GPP日变化，量化LUE对光强和入射角的响应。
2. 塔基观测验证：使用FLUXNET 2015四个气候带的EC站点数据，对比PAR、SZA和NDVI等传统升尺度方案的性能。
3. 非对称校正：整合半小时温度-湿度数据，构建环境因子对GPP日不对称性的修正模型。

研究结果

1. 不同LAI与站点条件下的GPP日模式及LUE响应
模拟显示，GPP日轨迹呈明显纬度依赖性：高纬度站点因太阳天顶角(SZA)变化幅度大，GPP峰值更陡峭；低LAI冠层(<2)的LUE光响应曲线非线性更强，导致传统余弦函数假设误差增大。

2. 融合LUE的GPP升尺度改进
新方法将冠层LUE动态纳入升尺度因子，在模拟数据中R²达0.993，RMSE仅0.274 gC m^?2 d^?1（较传统方法降低17.5%）。实测数据验证表明，其在低LAI站点误差减少达46%（?RMSE=0.410 gC m^?2 d^?1）。

3. 非对称环境因子的影响
午后温度升高和湿度下降导致GPP日轨迹右偏，新方法的校正因子使升尺度结果更贴合实际观测，尤其在干旱条件下偏差减少12%。

结论与意义
该研究首次系统揭示了冠层结构(LAI)与纬度通过调控LUE日变化影响GPP升尺度的机制，提出的LUE动态模型突破了传统光能总量假设的局限。非对称环境校正进一步提升了方法在复杂气象条件下的适用性，为全球碳循环模型和卫星遥感产品（如NIRvP、SIF）的时空扩展提供了理论工具。未来可结合机器学习优化LAI-LUE参数化方案，推动高分辨率全天候GPP业务化反演。