《自然基金》2005国家自然科学基金申报书：中国西北植被覆盖动态监测和模拟研究.pdf_大学文库

国家自然科学基金申请书第 2 页版本 1.008.499 基本信息 0Mgxo5no 姓名马明国性别男出生年月 1976 年 1 月民族汉族学位博士职称副研究员主要研究领域植被覆盖动态模拟与土壤水分反演电话 0931-4967250 电子邮件 mmg@ns.lzb.ac.cn 传真 0931-4967235 个人网页工作单位中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 /遥感与地理信息系统实验室申请者信息在研项目批准号名称中国科学院寒区旱区环境与工程研究所代码 73000040 联系人杨萍电子邮件 kych@ns.lzb.ac.cn 依托单位信息电话 0931-8275120 网站地址 http:/www.casnw.net 单位名称代码 [在此录入修改] 合作单位信息 [在此录入修改] 项目名称中国西北植被覆盖动态监测和模拟研究资助类别面上项目亚类说明青年科学基金项目附注说明申请代码 D0125:环境演变与对策 D0109:区域地理基地类别预计研究年限 2005 年 1 月 — 2007 年 12 月研究属性基础研究项目基本信息申请经费 28.0000 万元摘要项目研究内容和意义简介（限 400 字）：利用 1981 年至 2004 年长时间系列的 AVHRR 和 SPOT VEGETATION 遥感数据监测中国西北植被覆盖动态变化，利用小波变换方法分析其周期变化规律，利用多元线性回归和地统计方法分析气象、地形和社会经济等驱动力因素与植被覆盖变化之间的关系。基于 LPJ-DGVM 模型建立研究区动态植被覆盖模拟模型，应用 AVHRR 资料反演的 LAI 和生物量结果进行模型验证和优化，并利用模型分析中国西北地区植被覆盖对全球气候变暖的响应。促进干旱区植被覆盖监测、模拟和预测的基础研究，为全球变暖背景下中国西北大气、生态、水文等过程响应研究提供基础数据，为该区域社会、经济的可持续发展提供科学依据。关键词(用分号分开，最多 5 个) 植被覆盖;动态监测;模拟;遥感;中国西北

国家自然科学基金申请书报告正文 (一)立项依据与研究内容(4000-8000字):(研究意义、国内外研究现状及分析,附主要参考文献目录。) 项目的立项依据(研究意义、国内外研究现状及分析,附主要参考文献目录。全球气候呈现变暖的趋势,20世纪比19世纪平均升温0.4-0.8℃。近20年尤为明显,20世纪最暖的9年都发生在1980年以后,90年代是近2000年以来最暖的10年。科学家预测,如果不限制CO2的排放,到2080年空气中CO浓度很可能达到前工业时代的两倍,全球将升温3℃。据气候模型预测,陆地表面温度比海洋表面高1倍,特别是高海拔地区冬天升温很快。由人类活动引起的气候异常和环境恶化引起各国政府、科学家和公众的关心。1997年在京都召开的联合国气候大会( UNFCCO) 上160个会员国通过了京都议定书,旨在限制各国温室气体的排放量。陆地生态系统是人类赖于生存与可持续发展地生命支持系统,全球变化研究最实质地过程与目标研究是研究人类活动引起地全球变化对陆地生态系统与人类生存环境地作用及其响应。正因如此,国际生物圈计划的核心研究项目 “全球变化与陆地生态系统(GCTE)”成为当前国际全球变化研究中最为活跃和不断扩展的项目在国内,张新时和彭少麟构建了覆盖中国关键生态区的两条陆地生态样带(东北样带和东部南北样带),目前这两条样带已成为国际全球变化研究的核心样带,获得了一系列重大科研成果,推动了国际全球变化与陆地生态系统(CTE)和陆地样带(NECT研究。西北干旱、半干旱地区,是我国全球变化一、二级敏感带所在地,近50年实测记录表明中国西北地区以02℃·(10年}-1的趋势升温,特别是20世纪80~90年代升温迅速。近50年新疆北部升温更高达1.4℃,远高于近百年全球平均升温水平。气候变暖,势将导致海洋与陆地水体蒸发和大部分海洋和陆地降水增加,1987年起新疆以天山西部为主地区降水量、冰川消融量和径流量连续多年增加,导致湖泊水位显著上升、洪水灾害增加、植被改善、沙尘暴减少.新疆其他地区以及祁连山中西段的降水和径流也有增加趋势。针对这种变化,施雅风、张国威和胡汝骥等提出中国西北特别是新疆地区气候有由暖干向暖湿转变的趋势"8。所以,研究西北地区区域尺度上陆地生态系统对气候变暖的响应具有重要的科学意义由于植被具有明显的年际变化和季节变化的特点,并且是联结土壤、大气和水分的自然“纽带”, 在一定的程度上能代表土地覆盖的变化,在全球变化研究中充当“指示器”的作用,所以对植被的动态监测可以从一定程度上反映气候变化的趋势。植被与气候之间的相互作用主要表现在两个方面: 植被对气候的适应性与植被对气候的反馈作用。升温、降水量增加和CO2浓度增高等变化会引起植被生态系统功能的变化,包括光合作用、呼吸改变和生长季节与物候等,最终影响全球碳平衡格局。所以我们需要模拟植物碳平衡、径流量、生物量和叶面积指数① Leaf Area Idenx, LAD的格局和动态对气候变化的响应。气候-植被关系的硏究是全球变化与陆地生态系统硏究的基础和核心问题,不仅有助于从机理上理解CO浓度倍増及气候变化(温度与降水等)对植物的影响,解释植被变化的原因而且可以为建立机理模型提供各种参数与气候-植被关系的研究在国内外广泛地开展。例如,张新时和周广胜等在气候-植被分类方面做了大量研究工作:;刘纪远等基于GIS的中国植被综合分类研究,选择气温、降水和高程作为3个影像植被的主要指标倪键等利用BOME3模拟中国潜在植被和年净初级生产力( net primary production,NPp)2;高琼等利用系统空间仿真的方法模拟了NECT内植被生产力生物量对CO2浓度加倍及其导致气候变化的响应1 反映瞬时的陆地生态系统对快速气候变化的响应,需要更多的包含了植被动态和生物地球化学过程的综合模型。动态全球植被模型( Dynamic Global Vegetation Model,DGM)应运而生l+1n 如Ⅴ ECODE( Vegetation Continuous Description model)、LPJ(Lund- Potsdam- Jena model)、 ETEMA 第5页版本1.0084

国家自然科学基金申请书第 5 页版本 1.008.499 报告正文（一）立项依据与研究内容（4000-8000 字）：（研究意义、国内外研究现状及分析，附主要参考文献目录。） 1. 项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及分析，附主要参考文献目录。）全球气候呈现变暖的趋势，20世纪比19世纪平均升温0.4-0.8℃。近20年尤为明显，20世纪最暖的9年都发生在1980年以后，90年代是近2000年以来最暖的10年。科学家预测，如果不限制CO2的排放，到2080年空气中CO2浓度很可能达到前工业时代的两倍，全球将升温3℃。据气候模型预测，陆地表面温度比海洋表面高1倍，特别是高海拔地区冬天升温很快[1-4]。由人类活动引起的气候异常和环境恶化引起各国政府、科学家和公众的关心。1997年在京都召开的联合国气候大会（UNFCCC）上160个会员国通过了京都议定书，旨在限制各国温室气体的排放量。陆地生态系统是人类赖于生存与可持续发展地生命支持系统，全球变化研究最实质地过程与目标研究是研究人类活动引起地全球变化对陆地生态系统与人类生存环境地作用及其响应。正因如此，国际生物圈计划的核心研究项目 “全球变化与陆地生态系统（GCTE）”成为当前国际全球变化研究中最为活跃和不断扩展的项目[5]。在国内，张新时和彭少麟构建了覆盖中国关键生态区的两条陆地生态样带（东北样带和东部南北样带），目前这两条样带已成为国际全球变化研究的核心样带，获得了一系列重大科研成果，推动了国际全球变化与陆地生态系统(GCTE)和陆地样带(NECT)研究。西北干旱、半干旱地区，是我国全球变化一、二级敏感带所在地，近 50 年实测记录表明中国西北地区以 0 2℃·(10 年)-1 的趋势升温，特别是 20 世纪 80～90 年代升温迅速。近 50 年新疆北部升温更高达 1.4℃，远高于近百年全球平均升温水平。气候变暖,势将导致海洋与陆地水体蒸发和大部分海洋和陆地降水增加，1987 年起新疆以天山西部为主地区降水量、冰川消融量和径流量连续多年增加,导致湖泊水位显著上升、洪水灾害增加、植被改善、沙尘暴减少.新疆其他地区以及祁连山中西段的降水和径流也有增加趋势。针对这种变化，施雅风、张国威和胡汝骥等提出中国西北特别是新疆地区气候有由暖干向暖湿转变的趋势[6-8]。所以，研究西北地区区域尺度上陆地生态系统对气候变暖的响应具有重要的科学意义。由于植被具有明显的年际变化和季节变化的特点，并且是联结土壤、大气和水分的自然“纽带”，在一定的程度上能代表土地覆盖的变化，在全球变化研究中充当“指示器”的作用，所以对植被的动态监测可以从一定程度上反映气候变化的趋势。植被与气候之间的相互作用主要表现在两个方面：植被对气候的适应性与植被对气候的反馈作用。升温、降水量增加和CO2浓度增高等变化会引起植被生态系统功能的变化，包括光合作用、呼吸改变和生长季节与物候等，最终影响全球碳平衡格局。所以我们需要模拟植物碳平衡、径流量、生物量和叶面积指数(Leaf Area Idenx, LAI)的格局和动态对气候变化的响应。气候-植被关系的研究是全球变化与陆地生态系统研究的基础和核心问题，不仅有助于从机理上理解 CO2浓度倍增及气候变化（温度与降水等）对植物的影响，解释植被变化的原因，而且可以为建立机理模型提供各种参数[5]。气候-植被关系的研究在国内外广泛地开展。例如，张新时和周广胜等在气候-植被分类方面做了大量研究工作[5,9,10]；刘纪远等基于GIS的中国植被综合分类研究，选择气温、降水和高程作为3个影像植被的主要指标[11]；倪键等利用BIOME3模拟中国潜在植被和年净初级生产力（net primary production, NPP）[12]；高琼等利用系统空间仿真的方法模拟了NECT内植被生产力生物量对CO2浓度加倍及其导致气候变化的响应[13]。反映瞬时的陆地生态系统对快速气候变化的响应，需要更多的包含了植被动态和生物地球化学过程的综合模型。动态全球植被模型（Dynamic Global Vegetation Model，DGVM）应运而生[14-17]。如VECODE (Vegetation Continuous Description model)、LPJ（Lund-Potsdam-Jena Model）、ETEMA

国家自然科学基金申请书 ( Uropean Terrestrial Ecosystem Modelling Activity)。这些模型都模拟了生态系统功能(水、能和碳交换)和植被结构(分布、物候)对假定CO2浓度和气候变化的响应。例如 ETEMA的目的就是发展普适性的DGVM用于分析欧洲区域尺度上的自然半自然植被生态系统对环境变化的响应。 DGVM的开发与应用在国外已经广泛地开展,中国西北反映全球变暖的趋势更为明显,需要将国际上成熟的DGⅧM在该区域尺度上进行应用,这是本研究所期望达到的目的。我们选择LPJ模型作为本研究的DGwM,主要在于该模型具有几大优势:(1)LPJ源代码完全开放,便于对模型重写和改进;(2) 由于源代码完全开放,该模型已经被许多研究人员广泛应用和改进得以不断完善;(3)LPJ有许多全球尺度和区域尺度上成功应用的案例,发表了近40篇研究成果,许多成果还发表在 cience Journal of Geophysical Research和 Geophysical Research Letters等高水平期刊上;(4)LPJ的输出包括植被碳、土壤碳、NP、径流、LAⅠ、生物量等, Lucht等对卫星观测和模型模拟的LA进行比较,得出很高的精度评价,利用该模型可以模拟表征植被覆盖的关键变量LAⅠ和生物量。遥感技术在植被覆盖动态监测和模拟硏究中被广泛使用,主要提供长时间系列的植被覆盖观测和生物物理参数反演资料,用于分析植被年际和年内变化趋势,验证全球动态植被模型的模拟结果综上所述,本课题拟利用长时间系列的遥感资料和DGVM模型研究中国西北气候-植被关系,动态监测和模拟西北地区表征植被覆盖的归一化植被指数( Normalize Difference Vegetative Index, NDⅥ)、LAI和生物量等指标及其对全球变化的响应。该研究定位于全球变化下区域陆地生态系统响应的热点问题,瞄准国际陆地生态系统对气候变化响应研究的前沿,期望促进干旱区植被覆盖监测、模拟和预测的基础研究,在应用上可以为全球变暖背景下中国西北大气、生态、水文等过程响应研究提供长时间系列过去、现在和未来的植被动态基础数据,该数据同样可以为该区域社会、经济的可持续发展提供科学依据参考文献: 1. Konstantin Y. Vinnikov and Norman C. Grody. Global Warming Trend of Mean Tropospheric Temperature Observed by Satellites. Science, 2003, 302: 269-272 2. Climate Change. Population and Atmosperic, 99-102 3. Hansen, J, et al. 1997. Forcings and chaos in interannual to decadal climate change. J Geophys. Res 102.25679-25720 4. Hansen, J, I. Fung, A. Lacis, D. Rind, S. Lebedeff, R. Ruedy, G. Russell, and P. Stone 1988. Global climate changes as forecast by Goddard Institute for Space Studies three-dimensional model. J. Geophy Re.93,9341-9364 5.周广胜张新时高素华等中国植被对全球变化反应的研究植物学报,1997,39(9):879-888 6.施雅风,沈永平,胡汝骥西北气候由暖干向暖湿转型的信号、影响和前景初步探讨.冰川冻土,2002,24(3)219-226 7.张国威,吴素芬,王志杰西北气候环境转型信号在新疆河川径流变化中的反映.冰∥冻土,2003,25(2)183-187 8.胡汝骥,姜逢清,王亚俊等新疆气候由暖干向暖湿转变的信号及影响.干早区地理,2002,25(3) 194-199 9.张新时.研究全球变化的植被-气候分类系统.第四纪研究,1993,2:157-169 0.周广胜,王玉辉.全球变化与气候-植被分类研究和展望科学通报,199944(24)2587-2593 11.刘纪远,庄大方,凌扬荣等基于GIS的中国植被综合分类研究遥感学报1998,2(4)285-91 12. JIAN NI. MARTIN T SYKES. I. COLIN PRENTICE and WOLFGANG CRAMER. Modelling the vegetation of China using the process-based equilibrium terrestrial biosphere model BlomE3 Global Ecology& Biogeography. 2000, 9: 463-479 13.高琼喻梅,张新时等中国东北样带对全球变化响应的动态模型-一个遥感信息驱动地区域植被模第6页版本10084

国家自然科学基金申请书第 6 页版本 1.008.499 （Uropean Terrestrial Ecosystem Modelling Activity）。这些模型都模拟了生态系统功能（水、能和碳交换）和植被结构（分布、物候）对假定CO2浓度和气候变化的响应。例如ETEMA的目的就是发展普适性的DGVM用于分析欧洲区域尺度上的自然半自然植被生态系统对环境变化的响应。 DGVM的开发与应用在国外已经广泛地开展，中国西北反映全球变暖的趋势更为明显，需要将国际上成熟的DGVM在该区域尺度上进行应用，这是本研究所期望达到的目的。我们选择LPJ模型作为本研究的DGVM，主要在于该模型具有几大优势：（1）LPJ源代码完全开放，便于对模型重写和改进；（2）由于源代码完全开放，该模型已经被许多研究人员广泛应用和改进得以不断完善；（3）LPJ有许多全球尺度和区域尺度[18]上成功应用的案例，发表了近40篇研究成果，许多成果还发表在Science[13]、 Journal of Geophysical Research和Geophysical Research Letters等高水平期刊上；（4）LPJ的输出包括植被碳、土壤碳、NPP、径流、LAI、生物量等，Lucht等对卫星观测和模型模拟的LAI进行比较，得出很高的精度评价，利用该模型可以模拟表征植被覆盖的关键变量LAI和生物量。遥感技术在植被覆盖动态监测和模拟研究中被广泛使用，主要提供长时间系列的植被覆盖观测和生物物理参数反演资料，用于分析植被年际和年内变化趋势，验证全球动态植被模型的模拟结果。综上所述，本课题拟利用长时间系列的遥感资料和DGVM模型研究中国西北气候-植被关系，动态监测和模拟西北地区表征植被覆盖的归一化植被指数（Normalize Difference Vegetative Index, NDVI）、LAI和生物量等指标及其对全球变化的响应。该研究定位于全球变化下区域陆地生态系统响应的热点问题，瞄准国际陆地生态系统对气候变化响应研究的前沿，期望促进干旱区植被覆盖监测、模拟和预测的基础研究，在应用上可以为全球变暖背景下中国西北大气、生态、水文等过程响应研究提供长时间系列过去、现在和未来的植被动态基础数据，该数据同样可以为该区域社会、经济的可持续发展提供科学依据。参考文献： 1. Konstantin Y. Vinnikov and Norman C. Grody. Global Warming Trend of Mean Tropospheric Temperature Observed by Satellites. Science, 2003, 302: 269-272. 2. Climate Change. Population and Atmosperic, 99-102. 3. Hansen, J., et al. 1997. Forcings and chaos in interannual to decadal climate change. J. Geophys. Res. 102, 25679-25720. 4. Hansen, J., I. Fung, A. Lacis, D. Rind, S. Lebedeff, R. Ruedy, G. Russell, and P. Stone 1988. Global climate changes as forecast by Goddard Institute for Space Studies three-dimensional model. J. Geophys. Res. 93, 9341-9364. 5. 周广胜,张新时,高素华等.中国植被对全球变化反应的研究.植物学报,1997,39(9):879-888. 6. 施雅风,沈永平,胡汝骥.西北气候由暖干向暖湿转型的信号、影响和前景初步探讨.冰川冻土,2002,24(3):219-226. 7. 张国威,吴素芬,王志杰.西北气候环境转型信号在新疆河川径流变化中的反映.冰川冻土,2003,25(2):183-187. 8. 胡汝骥,姜逢清,王亚俊等.新疆气候由暖干向暖湿转变的信号及影响.干旱区地理,2002,25(3): 194-199. 9. 张新时. 研究全球变化的植被-气候分类系统. 第四纪研究,1993, 2:157-169. 10. 周广胜,王玉辉. 全球变化与气候-植被分类研究和展望.科学通报,1999,44(24):2587-2593. 11. 刘纪远,庄大方,凌扬荣等.基于 GIS 的中国植被综合分类研究.遥感学报.1998,2(4):285-291. 12. JIAN NI, MARTIN T. SYKES, I. COLIN PRENTICE and WOLFGANG CRAMER. Modelling the vegetation of China using the process-based equilibrium terrestrial biosphere model BIOME3. Global Ecology & Biogeography. 2000, 9: 463–479. 13. 高琼,喻梅,张新时等.中国东北样带对全球变化响应的动态模型-一个遥感信息驱动地区域植被模

国家自然科学基金申请书型植物学报,1997,39(9)800-810 14. Wolfgang Lucht, I. Colin Prentice, Ranga B. Myneni, et. al. Climatic Control of the High-Latitude Vegetation Greening Trend and Pinatubo Effect. Science. 2002. 296: 1687-1689 15. Mark Rees, Rick Condit, Mick Crawley, Steve Pacala, and Dave Tilman. Long-Term Studies of Vegetation Dynamics. Science. 2001, 293: 650-655 6. Martin T Sykes, I. Colin Prentice, Benjamin Smith, et al. An introduction to the Uropean Terrestria Ecosystem Modelling Activity. Global Ecology Biogeography 2001, 10: 581-593 17. Wolfgang Cramer, Alberte bondeau, F lan Woward, et al. Global response of terrestrial ecosystem structure and function to CO2 and climate change: results from six dynamic global vegetation models Global Change Biology. 2001, 7: 357-373 18. Bachelet, D, Neilson, R. P, Hickler, T, et. al. Simulating past and future dynamics of natural ecosystems in the United States. Global Biogeochemical Cycles, 2003, 17(2), 1045 2、项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。(此部分为重点阐述内容) 研究内容: 本项目拟在以下几个方面展开研究 (一)研究近20多年中国西北植被覆盖动态变化拟利用长时间系列的遥感数据动态监测中国西北植被动态变化趋势,并分析其中所包含的周期变化规律。 (二)驱动力分析分析西北地区植被变化的驱动力,植被覆盖变化的驱动力主要包括自然因素(以气温和降水为主)和人为因素两大方面,分别分析它们对不同海拔和土地利用状况的植被覆盖动态的影响状况。三)西北地区植被LAI和覆盖度的反演和验证本硏究需要植被的LAⅠ和覆盖度数据来验证和优化中国西北动态植被覆盖模型的模拟精度,拟从遥感数据中反演西北地区植被LAⅠ和覆盖度,并通过大量的野外观测资料来验证反演精度。 (四)基于LPJ-DGⅥM模型建立中国西北动态植被覆盖模型 (1)模型驱动数据的准备模型的驱动数据包括气温、降水、CO2浓度、云和土壤结构,分别输出空间分布的格网数据 (2)重写模型源代码 LPJ模型的源代码用 FORTRAN语言编写,拟重写模型源代码,便于程序的修改和优化 (3)模型验证与调整验证LPJ模型模拟西北地区植被动态的结果,优化模型,建立中国西北动态植被覆盖模型。 (五)西北地区植被覆盖动态对气候变暖的响应分析利用模型进行西北地区植被覆盖动态对气候变暖的响应分析研究目标: 从长时间系列的遥感资料获得中国西北地区植被覆盖动态信息,通过驱动力分析获得植被影响变化的主导因素基于LPJ建立硏究区动态植被覆盖模型,获得研究区高空间分辨率的植被LAⅠ和生物量模拟结果,并利用AVHR遥感资料反演LAI和生物量资料进行精度验证的模型调整。利用模型预测中国西北植被覆盖动态变化趋势,获得西北地区植被覆盖动态对气候变暖的响应分析第7页版本10084

国家自然科学基金申请书第 7 页版本 1.008.499 型.植物学报,1997,39(9):800-810. 14. Wolfgang Lucht, I. Colin Prentice, Ranga B. Myneni, et. al. Climatic Control of the High-Latitude Vegetation Greening Trend and Pinatubo Effect. Science. 2002, 296: 1687-1689. 15. Mark Rees, Rick Condit, Mick Crawley, Steve Pacala, and Dave Tilman. Long-Term Studies of Vegetation Dynamics. Science. 2001,293: 650-655. 16. Martin T. Sykes, I. Colin Prentice, Benjamin Smith, et al. An introduction to the Uropean Terrestrial Ecosystem Modelling Activity. Global Ecology & Biogeography. 2001, 10: 581–593. 17. Wolfgang Cramer, Alberte Bondeau, F. Ian Woward, et. al. Global response of terrestrial ecosystem structure and function to CO2 and climate change: results from six dynamic global vegetation models. Global Change Biology. 2001, 7: 357-373. 18. Bachelet, D., Neilson, R. P., Hickler, T., et. al. Simulating past and future dynamics of natural ecosystems in the United States. Global Biogeochemical Cycles, 2003, 17(2), 1045。 2、项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。（此部分为重点阐述内容）研究内容：本项目拟在以下几个方面展开研究：（一）研究近 20 多年中国西北植被覆盖动态变化拟利用长时间系列的遥感数据动态监测中国西北植被动态变化趋势，并分析其中所包含的周期变化规律。（二）驱动力分析分析西北地区植被变化的驱动力，植被覆盖变化的驱动力主要包括自然因素（以气温和降水为主）和人为因素两大方面，分别分析它们对不同海拔和土地利用状况的植被覆盖动态的影响状况。（三）西北地区植被 LAI 和覆盖度的反演和验证本研究需要植被的 LAI 和覆盖度数据来验证和优化中国西北动态植被覆盖模型的模拟精度，拟从遥感数据中反演西北地区植被 LAI 和覆盖度，并通过大量的野外观测资料来验证反演精度。（四）基于 LPJ-DGVM 模型建立中国西北动态植被覆盖模型（1）模型驱动数据的准备模型的驱动数据包括气温、降水、CO2浓度、云和土壤结构，分别输出空间分布的格网数据。（2）重写模型源代码 LPJ 模型的源代码用 FORTRAN 语言编写，拟重写模型源代码，便于程序的修改和优化。（3）模型验证与调整验证 LPJ 模型模拟西北地区植被动态的结果，优化模型，建立中国西北动态植被覆盖模型。（五）西北地区植被覆盖动态对气候变暖的响应分析利用模型进行西北地区植被覆盖动态对气候变暖的响应分析。研究目标：从长时间系列的遥感资料获得中国西北地区植被覆盖动态信息，通过驱动力分析获得植被影响变化的主导因素。基于 LPJ 建立研究区动态植被覆盖模型，获得研究区高空间分辨率的植被 LAI 和生物量模拟结果，并利用 AVHRR 遥感资料反演 LAI 和生物量资料进行精度验证的模型调整。利用模型预测中国西北植被覆盖动态变化趋势，获得西北地区植被覆盖动态对气候变暖的响应分析

国家自然科学基金申请书通过本研究,最终期望促进干旱区植被覆盖监测、模拟和预测的基础硏究。拟解决的关键问题: 中国西北地区对全球变暖的大趋势体现的更为强烈,模拟这种气候升温和C增加的情形下西北地区区域尺度的植被覆盖动态响应是本研究拟解决的关键问题。我们尝试使用LPJ-DGM模型来模拟植被动态变化。但LPJ-DGwM模型是为解决全球问题而开发的,主要被运用在全球的大区域尺度上的气候变化和植被动态研究,虽然也有成功地应用在区域尺度上的个别案例,但针对中国西北高程变化大,植被覆盖高度空间异质性和干旱半干旱为主的气候条件,其适用性需要长时间的观测数据来验证,并有必要做相应的改进以实现髙空间分辨率格网(1-8km)上的模拟和获得高精度的模拟结果 3、拟采取的研究方案及可行性分析。(包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明) 研究方案 (一)中国西北植被覆盖动态监测整理1981年至2001年8 km AVHRR资料和2002年1 KIm avhrr资料。购买2003年至2004年 AVHRR 资料,进行大气纠正、辐射纠正、地形纠正、几何配准和最大化合成等预处理工作。利用SP0T VEGETATION遥感数据补充1999年以后缺省的AVHR资料。对最大化NDⅥI进行年际年内特征进行分析,监测其动态变化,通过线性回归趋势线模拟植被覆盖的动态变化趋势和幅度,并给出面积统计结果。对黑河流域(上游和中游位于西北地区青海和甘肃省境内)利用小波变换方法分析21年最大化NVI,发现有6-7年中短周期和3年短周期变化规律,所以拟将该方法应用在西北地区24年的植被覆盖周期变化规律分析上 (二)驱动力分析我们拟在西北地区选择100到200个的观测站点的最大化NⅥI和气温(最高、最低)、降水地形之间进行多元线性回归和地统计分析,并期望得到不同植被覆盖类型的回归关系式。而在人为活动比较密集的区域,进行人口、GDP、产业结构、灌溉水平等社会经济统计资料与最大化NVI之间典型相关分析 (三)中国西北植被LAI的反演和验证利用一个植被冠层辐射传输模型( A Vegetation Canopy Radiative Transfer Model,CRTF) 从AVHR和 SPOT VEGETATIO0N资料估算西北地LAI和生物量。对研究区不同地表覆被类型进行多时段LAI和生物量的野外观测,使用LⅠ-2000和 TRACK两套LAI观测仪器同步测量研究区不同植被覆盖类型不同生长季节的LAⅠ数据,采用齐地刈草法测量植物地上部分生物量(湿重和干重)。利用 VERTE模型从 AVHRR资料估算西北地区1981年至2004年LAI和生物理数据集,应用LAI和生物量观测数据进行反演结果验证,并依据验证的结果进行模型参数的调整,获得硏究区1981年至2004 年高精度的LAI和生物量数据集。 (四)基于LPJ-DGⅧM模型建立中国西北动态植被覆盖模型建立台站的气温、降水资料与台站的经纬度和髙程之间回归方程,计算所有格点上的气温、降水值,并结合 Cokriging(共协 kriging,海拔高度是附加的重要变量)内插结果,获得气温和降水的空间化数据:从CCMP( Coupled Carbon Model Linkage Pro ject)获得C02浓度数据:从AVHR资料中可以直接获得云的数据;收集研究区1:400万的土壤图和1991年的土壤详査资料进行转换获得研究区土壤结构数据。 LPJ模型的源代码用 FORTRAN语言编写,利用面相对象的C++重写模型代码利用AHR遥感资料反演的LAI和生物量数据验证LPJ模型输出的LAI和生物量数据,进行模型精度评价,根据验证和评价结果调整模型算法,并増加周期变化规律、地形、土地利用和社会经第8页版本10084

国家自然科学基金申请书第 8 页版本 1.008.499 通过本研究，最终期望促进干旱区植被覆盖监测、模拟和预测的基础研究。拟解决的关键问题：中国西北地区对全球变暖的大趋势体现的更为强烈，模拟这种气候升温和CO2增加的情形下西北地区区域尺度的植被覆盖动态响应是本研究拟解决的关键问题。我们尝试使用LPJ-DGVM模型来模拟植被动态变化。但LPJ-DGVM模型是为解决全球问题而开发的，主要被运用在全球的大区域尺度上的气候变化和植被动态研究，虽然也有成功地应用在区域尺度上的个别案例，但针对中国西北高程变化大，植被覆盖高度空间异质性和干旱半干旱为主的气候条件，其适用性需要长时间的观测数据来验证，并有必要做相应的改进以实现高空间分辨率格网(1-8km)上的模拟和获得高精度的模拟结果。 3、拟采取的研究方案及可行性分析。（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）研究方案：（一）中国西北植被覆盖动态监测整理 1981 年至 2001 年 8km AVHRR 资料和 2002 年 1km AVHRR 资料。购买 2003 年至 2004 年 AVHRR 资料，进行大气纠正、辐射纠正、地形纠正、几何配准和最大化合成等预处理工作。利用 SPOT VEGETATION 遥感数据补充 1999 年以后缺省的 AVHRR 资料。对最大化 NDVI 进行年际年内特征进行分析，监测其动态变化，通过线性回归趋势线模拟植被覆盖的动态变化趋势和幅度，并给出面积统计结果。对黑河流域（上游和中游位于西北地区青海和甘肃省境内）利用小波变换方法分析 21 年最大化 NDVI，发现有 6－7 年中短周期和 3 年短周期变化规律，所以拟将该方法应用在西北地区 24 年的植被覆盖周期变化规律分析上。（二）驱动力分析我们拟在西北地区选择 100 到 200 个的观测站点的最大化 NDVI 和气温（最高、最低）、降水、地形之间进行多元线性回归和地统计分析，并期望得到不同植被覆盖类型的回归关系式。而在人为活动比较密集的区域，进行人口、GDP、产业结构、灌溉水平等社会经济统计资料与最大化 NDVI 之间典型相关分析。（三）中国西北植被 LAI 的反演和验证利用一个植被冠层辐射传输模型（A Vegetation Canopy Radiative Transfer Model, VCRTF）从 AVHRR 和 SPOT VEGETATION 资料估算西北地 LAI 和生物量。对研究区不同地表覆被类型进行多时段 LAI 和生物量的野外观测，使用 LI-2000 和 TRACK 两套 LAI 观测仪器同步测量研究区不同植被覆盖类型不同生长季节的 LAI 数据，采用齐地刈草法测量植物地上部分生物量（湿重和干重）。利用 VCRTF 模型从 AVHRR 资料估算西北地区 1981 年至 2004 年 LAI 和生物理数据集，应用 LAI 和生物量观测数据进行反演结果验证，并依据验证的结果进行模型参数的调整，获得研究区 1981 年至 2004 年高精度的 LAI 和生物量数据集。（四）基于 LPJ-DGVM 模型建立中国西北动态植被覆盖模型建立台站的气温、降水资料与台站的经纬度和高程之间回归方程，计算所有格点上的气温、降水值，并结合Cokriging（共协kriging，海拔高度是附加的重要变量）内插结果，获得气温和降水的空间化数据；从CCMLP (Coupled Carbon Model Linkage Project)获得CO2浓度数据；从AVHRR资料中可以直接获得云的数据；收集研究区1:400万的土壤图和1991年的土壤详查资料进行转换获得研究区土壤结构数据。 LPJ 模型的源代码用 FORTRAN 语言编写，利用面相对象的 C++重写模型代码。利用 AVHRR 遥感资料反演的 LAI 和生物量数据验证 LPJ 模型输出的 LAI 和生物量数据，进行模型精度评价，根据验证和评价结果调整模型算法，并增加周期变化规律、地形、土地利用和社会经

国家自然科学基金申请书济空间化资料的控制,使模型的空间分辨率模拟能力提高到1至&k皿的水平,并提高模型模拟地表覆被LAI和生物量的精度 (五)西北地区植被覆盖动态对气候变暖的响应分析根据文献提供的C浓度动态变化趋势和西北地区气温、降水资料动态分析结果,假设模型驱动数据〔例如αO浓度增加一倍,气温増加3℃),运中国西北植被覆盖动态模型,根据模型输岀结果预测21世纪中国西北地区植被覆盖动态变化趋势可行性分析: 在模型选择上充分考虑模型源代码的可获得性、模型的应用案例及能否满足我们的研究目的等多方面情况,认为利用LPJ-DGwM来模拟中国西北地区的植被动态是可行的。已经开展了NOA- CHAIN、LAI和生物量等生物物理参数的反演,研究区内流域尺度的植被覆盖动态监测和驱动力分析等多项研究工作。能为本研究提供必须的数据预处理系统,长时间系列的遥感、气象和社会经济数据集,关键生物物理参数反演方案等条件。项目组成员具有遥感与地理信息系统( Geographic Information System,GIS)、大气科学、生态学等多种学科背景,以年青的研究人员为主体,都有从事生态监测的工作经历、具有模型开发的能力通过以上分析可以看出,在3年里完成1981年至2004年中国西北地区植被覆盖的动态监测和模拟研究是可行的 4,本项目的特色与创新之处。本项目的特色和创新之处在于将LPJ-DGWM模型应用在中国西北区域尺度植被覆盖动态模拟及对气候变化的响应分析上,耦合大气变化和植被动态及生物地球化学过程,并使用长时间系列的遥感观测资料进行验证和精度评价,在气象、地形和社会经济驱动力分析和小波变换趋势分析基础上, 对模型进行优化以实现高空间分辨率(1-8km)格网的模拟和提高模拟精度。 5、年度研究计划及预期研究结果。(包括拟组织的重要学术交流活动、国际合作与交流计划等) 年度研究计划 2005年1月至6月,预订和购买遥感影像数据:选定植被动态监测的野外调查和精度验证典型试验样区:收集研究区气象和社会经济资料;整理相关文献:野外调查。 2005年7月至12月,遥感影像数据预处理:阅读LPJ模型源代码:野外调查。 2006年1月至6月,模型驱动数据准备;LAI反演与验证;重写LPJ模型源代码。 2006年7月12月,中国西北植被覆盖动态监测和模拟以及驱动力分析:中国西北动态植被覆盖模型测试、验证与调整 2007年1月至9月,优化中国西北动态植被覆盖模型;分析中国西北植被覆盖动态对气候变化的响应 2007年10月至12月,项目总结,编写报告预期研究成果 1981年-2004年中国西北植被覆盖动态监测和驱动力分析中国西北动态植被覆盖模拟模型今后10-20年中国西北植被覆盖动态对气候变化的响应在SCI收录的杂志上发表论文2-3篇,EI收录的杂志或会议论文集上发表论文2-3篇,核心期刊上发表论文6篇以上第9页版本10084

国家自然科学基金申请书第 9 页版本 1.008.499 济空间化资料的控制，使模型的空间分辨率模拟能力提高到 1 至 8km 的水平，并提高模型模拟地表覆被 LAI 和生物量的精度。（五）西北地区植被覆盖动态对气候变暖的响应分析根据文献提供的 CO2浓度动态变化趋势和西北地区气温、降水资料动态分析结果，假设模型驱动数据（例如 CO2浓度增加一倍，气温增加 3℃），运中国西北植被覆盖动态模型，根据模型输出结果预测 21 世纪中国西北地区植被覆盖动态变化趋势。可行性分析: 在模型选择上充分考虑模型源代码的可获得性、模型的应用案例及能否满足我们的研究目的等多方面情况，认为利用 LPJ-DGVM 来模拟中国西北地区的植被动态是可行的。已经开展了 NOAA-CHAIN、LAI 和生物量等生物物理参数的反演，研究区内流域尺度的植被覆盖动态监测和驱动力分析等多项研究工作。能为本研究提供必须的数据预处理系统，长时间系列的遥感、气象和社会经济数据集，关键生物物理参数反演方案等条件。项目组成员具有遥感与地理信息系统 (Geographic Information System, GIS)、大气科学、生态学等多种学科背景，以年青的研究人员为主体，都有从事生态监测的工作经历、具有模型开发的能力。通过以上分析可以看出，在 3 年里完成 1981 年至 2004 年中国西北地区植被覆盖的动态监测和模拟研究是可行的。 4、本项目的特色与创新之处。本项目的特色和创新之处在于将 LPJ-DGVM 模型应用在中国西北区域尺度植被覆盖动态模拟及对气候变化的响应分析上，耦合大气变化和植被动态及生物地球化学过程，并使用长时间系列的遥感观测资料进行验证和精度评价，在气象、地形和社会经济驱动力分析和小波变换趋势分析基础上，对模型进行优化以实现高空间分辨率(1-8km)格网的模拟和提高模拟精度。 5、年度研究计划及预期研究结果。（包括拟组织的重要学术交流活动、国际合作与交流计划等）年度研究计划 2005 年 1 月至 6 月，预订和购买遥感影像数据；选定植被动态监测的野外调查和精度验证典型试验样区；收集研究区气象和社会经济资料；整理相关文献；野外调查。 2005 年 7 月至 12 月，遥感影像数据预处理；阅读 LPJ 模型源代码；野外调查。 2006 年 1 月至 6 月，模型驱动数据准备；LAI 反演与验证；重写 LPJ 模型源代码。 2006 年 7 月 12 月，中国西北植被覆盖动态监测和模拟以及驱动力分析；中国西北动态植被覆盖模型测试、验证与调整。 2007 年 1 月至 9 月，优化中国西北动态植被覆盖模型；分析中国西北植被覆盖动态对气候变化的响应。 2007 年 10 月至 12 月，项目总结，编写报告。预期研究成果 z 1981 年-2004 年中国西北植被覆盖动态监测和驱动力分析 z 中国西北动态植被覆盖模拟模型 z 今后 10-20 年中国西北植被覆盖动态对气候变化的响应 z 在 SCI 收录的杂志上发表论文 2-3 篇, EI 收录的杂志或会议论文集上发表论文 2-3 篇，核心期刊上发表论文 6 篇以上

国家自然科学基金申请书国际合作与交流计划邀请1-2名ⅥIT0研究所的遥感监测专家到所里讲座,并对监测、模拟和预测结果进行探讨安排一名博士生前往ⅥIT0研究所3-6个月优化模型 (二)研究基础与工作条件 1、工作基础(与本项目相关的研究工作积累和己取得的研究工作成绩) 申请人所在单位寒旱所具有中国西部地学研究的长期积累和特殊的地域优势,主要研究寒旱区陆地表层系统的格局过程与关系,以西部干旱、高寒的特殊环境为背景,开展以冰川、冻土、沙漠、高原大气、寒旱区水土资源、脆弱生态与农业为主要领域的科学研究。所在实验室遥感与地理信息系统实验室在成立近30年的历程中,承担和参加了多项国家级科研项目(863、973、国家重大基金国家重点项目等),并多次获得国家科技进步奖。项目申请人马明国参加了两项中国科技部与比利时弗拉芒大区科技合作项目,两项863课题, 两项中科院寒旱所创新课题,研究区域均为中国西北或局部区域,硏究的内容包括生态环境监测、生态资产评估和关键生物物理参数的反演等,特别是依托ⅥIT0研究所遥感与大气研究室( Remote sensing and atmospheric processes research,TAP)开发的中国西北AVR数据预处理系统NOAA- CHAIN 为本项目数据预处理提供了必要条件。项目申请人还参加了施雅风院士主编的《中国西北气候由暖干向暖湿转型问题评估》一书的编写,在中国西北植被覆盖的动态变化监测与模拟方面做了初步研究。以上工作都与本项目研究内容密切相关,并发表了许多研究成果,为本项目提供了必须的预研究及大量基础数据和方法的积累。基础数据的积累包括已经下载和处理研究区1981年至2001年8km分辨率 AVHRR逐旬数据:购买了2002年研究区1.1km分辨率 AVHRR逐日数据,并完成了数据预处理工作;vito提供了1999年至2002年研究区1km分辨率SPOTⅤ EGETATION逐旬数据:研究区大比例尺数字高程数据和土地利用数据:中国西北五省部分气象站和水文站近20年气象水文资料;1:400万研究区土壤数据项目申请人所在研究室从2000年以来一直和Ⅴito研究所的TAP实验室有着良好的国际合作关系,该研究室为重要植被监测传感器SPOTⅤ EGATATION数据处理和存档中心( VEGTATION Image processing and archiving Centre,cIIV),在欧洲植被覆盖动态监测、生物物理参数反演和碳循环估算等方面进行大量深入研究。该研究室可以为本项目研究提供必须的部分数据资源和相关研究建议。项目组成员陈贤章副研究员主持了863和国家重点科技项目课题,对生态本底调查和气候驱动力有较多的工作积累:祁元参加了多个西北土地利用动态监测与分析项目,其博士论文为宁夏地区土地利用动态变化模型,在西北土地利用动态监测方面有较深入地研究:彭红春参加了多个青海省生态环境监测与治理的项目,博士论文的方向为景观生态模型;李小玉参加中国西部环境和生态科学重大研究计划项目“河西走廊内流区生态安全与景观规划预案研究”,在干旱区景观格局、功能及生态安全评价上作了大量工作;王雪梅硕士论文以社会经济数据空间化为题。所以本项目组是由遥感与GIS、大气和生态等多学科交叉组合而成,具有较强的科研攻关和创新能力 2、工作条件(包括己具备的实验条件,尚缺少的实验条件和拟解决的途径,包括利用国家重点实验室和部门开放实验室的计划与落实情况。) 申请者所在单位中科院寒旱所购置的曙光3000计算机,足以满足本项目数据预处理对高性能计算机的要求。申请者所在的遥感与地理信息系统实验室是中科院寒旱所的重要技术支撑室。本项目研究所需的关键遥感图象处理和GIS软件 ERDAS IMAGINE、 ARCGIS、 Arcview、IDL/ENI和编程所需的 Microsoft visual studio6.0和 Microsoft.NET遥感室都已经购买;并配置了测量LA所需的关键仪器LI-2000和 TRACK:专门为中国西北开发了AVHR资料预处理系统 NOAA CHAIN。拥有各类服务器、第10页版本1.008499

国家自然科学基金申请书第 10 页版本 1.008.499 国际合作与交流计划 z 邀请 1-2 名 VITO 研究所的遥感监测专家到所里讲座，并对监测、模拟和预测结果进行探讨。 z 安排一名博士生前往 VITO 研究所 3-6 个月优化模型。（二）研究基础与工作条件 1、工作基础（与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩）申请人所在单位寒旱所具有中国西部地学研究的长期积累和特殊的地域优势，主要研究寒旱区陆地表层系统的格局过程与关系，以西部干旱、高寒的特殊环境为背景，开展以冰川、冻土、沙漠、高原大气、寒旱区水土资源、脆弱生态与农业为主要领域的科学研究。所在实验室遥感与地理信息系统实验室在成立近 30 年的历程中，承担和参加了多项国家级科研项目（863、973、国家重大基金、国家重点项目等），并多次获得国家科技进步奖。项目申请人马明国参加了两项中国科技部与比利时弗拉芒大区科技合作项目，两项 863 课题，两项中科院寒旱所创新课题，研究区域均为中国西北或局部区域，研究的内容包括生态环境监测、生态资产评估和关键生物物理参数的反演等，特别是依托 VITO 研究所遥感与大气研究室（Remote sensing and atmospheric processes research, TAP）开发的中国西北 AVHRR 数据预处理系统 NOAA-CHAIN 为本项目数据预处理提供了必要条件。项目申请人还参加了施雅风院士主编的《中国西北气候由暖干向暖湿转型问题评估》一书的编写，在中国西北植被覆盖的动态变化监测与模拟方面做了初步研究。以上工作都与本项目研究内容密切相关，并发表了许多研究成果，为本项目提供了必须的预研究及大量基础数据和方法的积累。基础数据的积累包括已经下载和处理研究区 1981 年至 2001 年 8km 分辨率 AVHRR 逐旬数据；购买了 2002 年研究区 1.1km 分辨率 AVHRR 逐日数据，并完成了数据预处理工作；Vito 提供了 1999 年至 2002 年研究区 1km 分辨率 SPOT VEGETATION 逐旬数据；研究区大比例尺数字高程数据和土地利用数据；中国西北五省部分气象站和水文站近 20 年气象水文资料；1:400 万研究区土壤数据。项目申请人所在研究室从 2000 年以来一直和 Vito 研究所的 TAP 实验室有着良好的国际合作关系，该研究室为重要植被监测传感器 SPOT VEGATATION 数据处理和存档中心（VEGTATION image processing and archiving Centre, CITV），在欧洲植被覆盖动态监测、生物物理参数反演和碳循环估算等方面进行大量深入研究。该研究室可以为本项目研究提供必须的部分数据资源和相关研究建议。项目组成员陈贤章副研究员主持了 863 和国家重点科技项目课题，对生态本底调查和气候驱动力有较多的工作积累；祁元参加了多个西北土地利用动态监测与分析项目，其博士论文为宁夏地区土地利用动态变化模型，在西北土地利用动态监测方面有较深入地研究；彭红春参加了多个青海省生态环境监测与治理的项目，博士论文的方向为景观生态模型；李小玉参加中国西部环境和生态科学重大研究计划项目“河西走廊内流区生态安全与景观规划预案研究”，在干旱区景观格局、功能及生态安全评价上作了大量工作；王雪梅硕士论文以社会经济数据空间化为题。所以本项目组是由遥感与 GIS、大气和生态等多学科交叉组合而成，具有较强的科研攻关和创新能力。 2、工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径，包括利用国家重点实验室和部门开放实验室的计划与落实情况。）申请者所在单位中科院寒旱所购置的曙光3000计算机，足以满足本项目数据预处理对高性能计算机的要求。申请者所在的遥感与地理信息系统实验室是中科院寒旱所的重要技术支撑室。本项目研究所需的关键遥感图象处理和GIS软件ERDAS IMAGINE、ARCGIS、ArcView、IDL/ENVI和编程所需的 Microsoft Visual Studio 6.0和Microsoft .NET遥感室都已经购买；并配置了测量LAI所需的关键仪器LI-2000和TRACK；专门为中国西北开发了AVHRR资料预处理系统NOAA_CHAIN。拥有各类服务器