區(qū)域冬小麥生長(zhǎng)模擬遙感數(shù)據(jù)同化的不確定性研究.pdf

1、及時(shí)、準(zhǔn)確、大范圍地進(jìn)行區(qū)域作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和產(chǎn)量預(yù)測(cè)對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、保障糧食安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。作物生長(zhǎng)模型遙感數(shù)據(jù)同化方法是解決區(qū)域作物生長(zhǎng)模擬的有效途徑。但作物生長(zhǎng)模擬遙感數(shù)據(jù)同化模擬過(guò)程復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中還存在很多不確定因素。深入研究和分析這些不確定性問(wèn)題對(duì)作物模型區(qū)域化、提高區(qū)域同化模擬的精度具有重要理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用需求，有助于提高區(qū)域農(nóng)情遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)能力。
　　本研究以作物模型遙感數(shù)據(jù)同化的不確

2、定性為研究核心，從同化系統(tǒng)模型初始條件和模擬過(guò)程、同化算法、關(guān)鍵參數(shù)葉面積指數(shù)（LAI）遙感反演、氣象驅(qū)動(dòng)及遙感觀測(cè)誤差、時(shí)空尺度等方面出發(fā)，首先在作物模型本地化基礎(chǔ)上，分別考慮模型模擬過(guò)程和初始條件擾動(dòng)的不同模擬效果；然后，對(duì)比粒子濾波（PF）和本特征正交分解的四維變分（POD4DVAR）同化模擬結(jié)果，分析粒子/集合維數(shù)和擾動(dòng)方差影響；接著，利用GF-1 WFV、HJ-1 CCD和Landsat-8 OLI影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用PROSAIL

3、模型進(jìn)行時(shí)序LAI遙感反演；最后進(jìn)行區(qū)域同化模擬，并分析氣象驅(qū)動(dòng)、觀測(cè)誤差、時(shí)空尺度等方面的不確定性影響。主要研究結(jié)論如下：
　　（1）通過(guò)對(duì)比初始條件優(yōu)化、PF同化和初始條件擾動(dòng)同步 PF同化三種同化方案，得出第一種方案未考慮同化模擬過(guò)程不確定性，無(wú)法提高同化估產(chǎn)精度，其余方案估產(chǎn)精度較高，其中第三種同化方案最優(yōu)，相對(duì)誤差（RE）和均方根誤差（RMSE）分別為6.00％和544kg/ha。研究發(fā)現(xiàn)觀測(cè)誤差的增加會(huì)使同化模擬精度降

4、低；還發(fā)現(xiàn)同化時(shí)間點(diǎn)的選擇對(duì)同化模擬的精度具有影響，在冬小麥孕穗期、抽穗期和拔節(jié)期同化觀測(cè)數(shù)據(jù)可明顯提高同化模擬精度。
　　（2）PF和POD4DVAR兩種同化方案均可以提高模擬精度。其中以POD4DVAR同化精度最高，RE為5.65%，RMSE為523kg/ha。研究發(fā)現(xiàn)粒子/集合維數(shù)從50增加到200時(shí)，同化模擬精度提高較小，但計(jì)算代價(jià)增加超過(guò)8倍；隨著擾動(dòng)方差降低，同化模擬精度增大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中選擇合適同化算法、粒子/

5、集合數(shù)和擾動(dòng)方差，對(duì)于減少冬小麥生長(zhǎng)同化模擬至關(guān)重要作用。
　?。?）研究利用同步的GF-1 WFV、HJ-1 CCD和Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)，在分析反射率和植被指數(shù)一致性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用PROSAIL模型反演得到衡水冬小麥時(shí)序LAI結(jié)果，經(jīng)人工和儀器測(cè)量?jī)煞N實(shí)測(cè)LAI驗(yàn)證，總體RE分別為5.72%和9.44%，RMSE為0.26和0.39，表明時(shí)序LAI反演結(jié)果滿足區(qū)域同化研究需求。
　?。?）研究基于最優(yōu)POD4D

6、VAR同化方案進(jìn)行區(qū)域同化估產(chǎn)，利用官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，估產(chǎn)精度較高，RE為8.32%，RMSE為452kg/ha。分析氣象驅(qū)動(dòng)不確定性影響，發(fā)現(xiàn)單氣象站數(shù)據(jù)同化結(jié)果，無(wú)法反映各區(qū)域?qū)嶋H產(chǎn)量變化特性。研究還發(fā)現(xiàn)隨著遙感LAI誤差增大，估產(chǎn)精度降低，但減少趨勢(shì)較小，同化在一定程度上消減了部分觀測(cè)誤差影響造成的同化模擬不確定性。時(shí)空尺度方面，同化觀測(cè)頻率增大，模擬精度提高；同化孕穗、抽穗和拔節(jié)三個(gè)生育期觀測(cè)均可明顯提高模擬精度；同化前、中