CASA模型全部流程.docx

CASA模型估算NPP的全部流程CASA模型中NPP的估算可以由植物的光合有效辐射（APAR）和实际光能利用率（ε）两个因子来表示，其估算公式如下：式中，APAR(x,t)表示像元x在t月吸收的光合有效辐射（g C·m-2·month-1），ε(x,t)表示像元x在t月的实际光能利用率（g C·MJ-1）APAR的估算APAR的值由植被所能吸收的太阳有效辐射和植被对入射光合有效辐射的吸收比例来确定。式中，SOL(x,t)表示t月在像元x处的太阳总辐射量（ g C·m-2·month-1），FPAR(x,t)植被层对入射光合有效辐射的吸收比例，常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射（波长为0.4-0.7μm）占太阳总辐射的比例。FPAR的估算在一定范围内，FPAR与NDVI之间存在着线性关系（Ruimy Saugier，1994），这一关系可以根据某一直被类型NDVI的最大值和最小值以及所对应的FPAR最大值和最小值来确定。式中，NDVIi,max和NDVIi,min分别对应第i种植被类型的NDVI最大和最小值。FPAR与比值植被指数（SR）也存在着较好的线性关系（Field et al.，1995;Los et al.，1994），可由以下公式表示：式中，FPARmin和FPARmax的取值与植被类型无关，分别为0.001和0.95； SRi,max和SRi,min分别对应第i种植被类型NDVI的95%和5%下侧百分位数， SR(x,t)由以下公式表示：通过对FPAR-NDVI和FPAR-SR所估算结果的比较发现，由NDVI所估算的FPAR比实测值高，而由SR所估算的FPAR则低于实测值，但其误差小于直接由NDVI所估算的结果[1]，因此我们可以讲二者结合起来，取其加权平均或平均值作为估算FPAR的估算值：[1] 朱文泉, 潘耀忠, 张锦水. 中国陆地植被净初级生产力遥感估算, 植物生态学报 , 2007, 31(3), 413-424.光能利用率的估算光能利用率是在一定时期单位面积上生产的干物质中所包含的化学潜能与同一时间投射到该面积上的光合有效辐射能之比。环境因子如气温、土壤水分状况以及大气水汽压差等会通过影响植物的光合能力而调节植被的NPP。式中，Tε1(x, t)和Tε2(x, t)表示低温和高温对光能利用率的胁迫作用； Wε(x,t)为水分胁迫影响系数，反映水分条件的影响； εmax是理想条件下的最大光能利用率（g C/MJ）。温度胁迫因子的估算Tε1(x, t)的估算：其反映在低温和高温时植物内在的生化作用对光合的限制而降低第一性生产力。式中，Topt(x)为植物生长的最适温度，定义为某一区域一年内NDVI值达到最高时的当月平均气温(℃)；当某一月平均温度小于或等于-10℃时，其值取0。Tε2(x, t)的估算：表示环境温度从最适温度Topt(x)向高温或低温变化时植物光能利用率逐渐变小的趋势，这是因为低温和高温时高的呼吸消耗必将会降低光能利用率，生长在偏离最适温度的条件下，其光能利用率也一定会降低。当某一月平均温度T(x, t)比最适温度Topt(x)高10℃或低13℃时，该月的Tε2(x, t)值等于月平均温度T(x, t)为最适温度Topt(x)时Tε2(x, t)值的一半。水分胁迫因子的估算：水分胁迫影响系数Wε(x,t)反映了植物所能利用的有效水分条件对光能利用率的影响,随着环境中有效水分的增加,Wε(x,t)逐渐增大,它的取值范围为0.5(在极端干旱条件下)到1(非常湿润条件下)。式中：EET为区域实际蒸散量（mm）； EPT为区域潜在蒸散量（mm）最大光能利用率的确定月最大光能利用率εmax的取值因不同的植被类型而有所不同，在CASA模型中全球植被的最大光能利用率为0.389 g C·MJ-1CASA模型具有以下优点:这是基于植被的生理过程而建立的植被NPP机理模型,并在大尺度植被NPP研究和全球碳循环研究中被广泛应用，是目前国际上最通用的NPP模型之一；考虑了NPP计算的两个主要驱动变量,即植被所吸收的光合有效辐射(APAR)与光能利用效率(ε) ，而这两个变量又分别通过太阳辐射、NDVI、土壤水分、降水量、平均温度等指标来体现；CASA模型相对于其他模型所需要的输入参数较少,就避免了由于参数缺乏而人为简化或者估计而产生的误差; 模型采用的遥感数据覆盖范围广,时间分辨率高,能够实现对区域和全球NPP的动态监测。CASA模型的不足: 该模型是针对北美地区所有植被而建立的，世界各地差异较大，模型参数的修改比较困难；模型仅仅是在FPAR 的估算过程中，比值植被指数最大值SRmax 的确定时考虑了不同植被类型，但不能很好的从本质上揭示植被类型与NPP 的关系；光能利用率的准确估算是利用CAS