基于遥感数据的植被吸收光合有效辐射估算研究

张 璟，谢亚楠，汪鸣泉，王茂华*

(1.上海大学，上海先进通信与数据科学研究院，特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200000；2.中国科学院上海高等研究院碳数据与碳评估中心，上海 200000)

植被吸收的光合有效辐射(APAR，Absorbed Photosynthetically Active Radiation)是指植被参与生物量积累的过程中吸收的光合有效辐射部分，即植被实际所吸收的光合有效辐射[1]。它是评价植被光合潜力和潜在产量等研究的重要参考指标，也是估算陆地生态系统植被生产力的光能利用率模型的重要组成部分。

在当前气候变化影响下，近年多个研究指出北半球中高纬度地区植被净生产力存在增加的趋势[2-3]。随着美国OCO-2卫星和中国碳卫星的发射，获得了准确反映植被生产力和碳汇能力动态变化的高精度叶绿素荧光数据，而叶绿素荧光数据被证明和APAR存在强相关性[4-5]。因此作为植被净生产力的重要组成部分和连接叶绿素荧光数据与植被生产力的桥梁[6]，对APAR的全球/区域尺度下的分布、变化等研究需要进一步深入。

国际上广泛应用的光能利用率模型(CASA)中[7]，APAR由光合有效辐射(PAR，Photosynthe-tically Active Radiation)和植被对到达冠层顶的全部光合有效辐射的吸收比例(FPAR)共同决定。目前基于遥感数据，已有多种广泛应用的成熟FPAR产品，如MODIS FPAR[8]、CYCLOPES FPAR[9]和MERIS FPAR[10]等，具有较好的时空分辨率，在区域乃至全球尺度上均能较好地反演植被FPAR的分布和变化。但光合有效辐射不是气象站的常规观测项目，与地理纬度、大气透明度以及天文辐射强度等多个因素相关，影响机制复杂。全球PAR网格化产品空间分辨率都比较大，如TOMS卫星的PAR产品[11]、CERES和ISCCP_L的PAR产品[12-13]等，空间分辨率都超过100 km，而MODIS只有海洋PAR产品。小区域PAR尚可借助于气象站的太阳辐射数据和经验模型加以估算后研究APAR，研究区域扩大后目前现有的网格化PAR产品和稀疏的气象站分布无法满足较高的空间分辨率，导致在大区域甚至全球尺度上估算APAR时存在一定局限性。

近两年以辐射传输模型为理论基础，陆续有各种适应特定传感器的PAR估算方法提出，在空间分辨率的提升上取得了较大的进展[14-16]，展现出良好的大规模应用的潜质，使基于遥感数据的区域/全球APAR估算成为可能。本文借助MODIS卫星数据，采用辐射传播模型[16]和光能利用率模型[17-18]等，在0.01°×0.01°空间分辨率尺度上，以位于北半球中高纬度的美国伊利诺伊州为研究区域，从时间尺度和空间覆盖范围上，完全基于遥感卫星数据探究2006-2016年该区域APAR的时空分布和变化趋势。

1 研究数据和方法

1.1 研究数据来源

对APAR的估算数据来源于MODIS多个产品，详细的数据信息见表1。

表1 MODIS 产品信息

植被光合有效辐射吸收系数来源于MODIS FPAR产品。对地观测领域中，MODIS数据以其全球覆盖，较高的时间分辨率、多空间分辨率、多光谱分辨率以及免费的信息接受和产品服务政策，在目前研究全球尺度下大气、海洋和陆地生化过程应用非常广泛[7]。

1.2 研究区域介绍

伊利诺伊州(lllinois)位于美国中西部，地理坐标为87.4952°～91.5131°W、36.9703°～42.5085°N，面积14.6万km2。地势平坦，平均海拔182 m，自北向南倾斜，西北部较高，有起伏平缓的丘陵。伊利诺伊州属温带气候，冬季寒冷多雪，夏季炎热。年均降水量，北部800～1 200 mm，南部1 200～1 600 mm。该州是美国主要的农业州之一，全州80%的土地为农业用地。

1.3 研究方法

本文估算的APAR基于经典的光能利用率模型——CASA模型[17]和VPRM模型[18]。估算PAR瞬时值的辐射传播模型[16]及日均值方法[19]计算公式如下：

APAR=PAR×FPAR

(1)

(2)

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

(3)

式中：FPAR为植被对光合有效辐射的吸收系数；Cw为水云份数；Ci为冰云份数；Rclr为晴天的光合有效辐射；Rwc和Ric分别为水云和冰云天气下的光合有效辐射；ρa，all为大气球面反照率；ρg为地表反照率；PARdaily、PARmorning、PARafternoon分别为PAR日均值、上午瞬时值和下午瞬时值；SSRtheory为大气上界太阳辐射值；A0～A4为系数。

利用Mann-kendall非参数估计模型[20]来模拟APAR的变化趋势，Mann-kendall时间序列非参数估计模型计算变量斜率的公式如下：

(4)

式中：slope为斜率；xi和xj分别为第i年和第j年(i

2 结果与分析

2.1 APAR时空分布

本文以辐射传输模型和算法为基础，应用遥感数据估算APAR。为了验证模型及所用算法，本文利用该地区的PAR观测站Bondville 2006-2016年观测数据[21]，对PAR估算值与观测值进行了误差分析，估算值与观测值的RMSE为20 W·m-2左右，MBE为-2.84 W·m-2左右，决定系数R2为0.832 7(图1)。

结合MODIS FPAR产品估算该地区APAR值，结果见图2。

APAR年均值为35.10～39.58 W·m-2·a-1，平均值37.65 W·m-2·a-1。2006-2011年单位面积的年平均APAR波动较大，最低为2009年，最高为2010年，2011-2016年较为平稳，在37.73 W·m-2·a-1上下波动，总体来看2006-2016年11 a内呈增加趋势，平均增加值0.07 W·m-2·a-1。

图1 2006-2016年Bondville观测站与卫星数据估算值误差分析

图2 2006-2016年伊利诺伊州APAR年均值

因为与植被的生长周期相关，APAR季节变化较大，因此估算以季节为划分，在像元值的分布上进行统计。2006-2016年不同季节的分布格局较为接近，为节约篇幅，再次以2016年为例进行说明。APAR不同季节均值分布如图3所示，空间分辨率为0.01°×0.01°，单位是W·m-2。

由图3可以看出，植被吸收的光合有效辐射具有明显的季节性和空间差异。夏季的APAR均值最高，集中在80～120 W·m-2；其次是春秋两季，春季集中在20～60 W·m-2，略高于秋季；冬季因为温度的原因，植被的光合作用受限，APAR很低。该季节性变化满足植被的生长规律，夏季吸收的光合有效辐射最多，其次是春季和秋季。空间分布上，除芝加哥城市群区域外，在非夏季均是低纬度地区的APAR值高于该地区的较高纬度地区，有较明显的纬度分层。而夏季，该区域最南部APAR日均值最高，其余南部偏北大部分地区的日均值低于中部和北部地区。

APAR的分布格局与光合有效辐射和植被对辐射的吸收能力相关。该地区大部分都是农业用地，植被覆盖较好；降雨充沛，夏季光合有效辐射最强，是植被的生长旺季，因此夏季是植被吸收光合有效辐射最多的季节。在春季和秋季，该区域总体呈现纬度越低APAR越高的分布，而夏季则稍有不同，南部偏北的区域APAR反而低于中部区域。

2.2 APAR时间序列趋势分析

因为与植被生长周期相关，全年积累的APAR中，夏季积累的APAR最多，其次是春季、秋季。虽然APAR的年均值均出现了增加的趋势，但在该地区内部，APAR在不同区域和不同季节的变化趋势又是不同的。2006-2016年伊利诺伊州夏季累积APAR值见图4。从图4可以看出，只有南部夏季的累积APAR整体上呈减少趋势，而中部和北部的夏季累积APAR展现出上升的趋势。

春季累积吸收的APAR往往高于秋季，但是春秋季节之间累积吸收的APAR差值在不断缩小，其中依然是南部的春秋季节累计的APAR差值变化最为明显，结果见图5。

图5 2006-2016年伊利诺伊州春秋季累积APAR差值

这种区域和季节的变化，反映了该地区的植被在2006-2016年光合潜力和潜在产量发生了变化。从像元上对APAR的空间分布进行更细致的趋势变化分析，仍然按季度划分，均值变化斜率如图6所示，单位是W·m-2·a-1，空间分辨率为0.01°×0.01°。

从图6可以看出，2006-2016年春、夏和秋季该地区的APAR变化趋势较为明显，冬季几乎无变化。该地区中部、北部的夏季APAR均值升高幅度为0.6～1 W·m-2·a-1，南部夏季APAR均值呈下降趋势，为0.4～1 W·m-2·a-1；春季，该地区中部范围APAR均值升高幅度为0.2～0.6 W·m-2·a-1；秋季南部的APAR均值升高幅度较大，达到0.6～1.0 W·m-2·a-1，而中部和北部变化幅度较小。该地区APAR在2006-2016年以纬度和季节划分出现了较为明显的变化趋势，APAR的分布和变化与该地区的水热、土地覆盖类型、光合有效辐射以及植被对光合有效辐射的吸收能力相关，而植被对辐射的吸收能力同时也受温度和降水的影响。因为PAR季节均值和该地区土地覆盖类型较为稳定，本文仅分析气温和降水对APAR的影响。该地区气温从南到北递减，2016年各地月均气温见表2。年降水量主要集中在春季和夏季，南部年降水量约1 100 mm，北部960 mm，略高于中部880 mm，降雨较为充足。

图6 2006-2016年伊利诺伊州季节APAR变化趋势分布

表2 2016年伊利诺伊州不同地区月平均温度

从图7可以看出，除2月外，其他月份的气温均出现一定幅度的升高，最高增幅达0.5～0.8 ℃·a-1，春季到秋季月平均气温升高幅度高于冬季，中部升高幅度最大，北部和南部升高幅度接近。

图7 2006-2016年伊利诺伊州月平均气温变化趋势

从图8可以看出，月累计降水变化趋势不明晰，即使升高或者降低，幅度也非常小。考虑到气温和降水在分析时按照纬度划分，横跨多个经度，未考虑不同区域的地物覆盖，尺度较为粗糙，但是从图7、8可以看出不同纬度，该地区在温度上的升高趋势是一致的，降水情况变化较为复杂，没有一致的变化趋势。

图8 2006-2016年伊利诺伊州月累计降水变化趋势

对比分析该地区APAR的季节均值和水热变化趋势，夏季时，南部气温在较高温度的基础上继续升高，高温条件下植被的光合作用受到抑制，导致植被吸收的光合有效辐射减少；相应的北部、中部地区气温略有上升，更适宜植被生长分布，吸收的光合有效辐射增多；秋季南部地区平均气温有所升高，一定程度上延长了植被的生长季，因此吸收了更多的光合有效辐射。

3 讨论与结论

本文利用多年观测数据验证了基于辐射传播模型和遥感数据的PAR估算模型，结合植被对光合有效辐射的吸收系数，建立了APAR估算模型，并获得伊利诺伊州的APAR季节性和空间分布。该地区APAR年均值为35.10～39.58 W·m-2·a-1，平均值为37.65 W·m-2·a-1，平均增加值为0.07 W·m-2·a-1。APAR受植被生长规律和水热条件影响季节变化明显，夏季的APAR值最高，其次是春秋两季，春季略高于秋季。APAR的空间分布特征总体随纬度变化，但在内部区域受水热和土地覆盖类型等条件的影响体现出不同的分布。

研究中利用2006-2016年不同季节的APAR估算数据，基于Mann-Kendall 非参数估计方法，模拟了该地区2006-2016年4个季节的APAR变化趋势。该地区中部、北部的夏季APAR均值升高幅度最大，为0.6～1 W·m-2·a-1，而南部的夏季APAR均值呈下降趋势；春季该地区中部范围APAR均值升高，南部呈下降趋势；秋季南部的APAR均值升高幅度较大，而中部和北部变化幅度较小。该地区植被分布比较稳定，而气温变化较大，存在明显的升高趋势，导致夏季南部气温更高，高温条件下地表水分蒸发，高温也抑制了植被的光合作用，导致植被吸收的光合有效辐射降低；相应的北部、中部地区气温略有上升，更适宜植被生长分布，吸收的光合有效辐射增多；秋季南部地区平均气温有所升高，一定程度上延长了植被的生长季，因此吸收了更多的光合有效辐射。

本文较精确地反映了美国伊利诺伊州APAR的时空分布和时序变化，有助于进一步利用APAR研究叶绿素荧光数据，分析北半球中高纬度地区植被受温度影响生产力的变化趋势，深入分析气候变化对植被的影响，开展当前气候变化下的碳循环研究。