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python与蒸散发与植被总初级生产力估算

已有 700 次阅读 2023-7-10 17:05 |个人分类:生态|系统分类:科研笔记

植被总初级生产力(GPP)是指植物通过光合作用吸收的碳,是陆地生物圈和大气之间最大的碳通量,GPP的准确量化对于理解气候变化中生态系统功能、农业生产和碳循环的动态以及对气候的反馈具有重要意义

蒸散发(Evapotranspiration,ET)广义来说包括土壤及水面水分蒸发、植被蒸腾、植被冠层截留降水蒸发、冰雪升华等,是水圈、大气圈、土壤圈和生物圈中水分和能量交换的主要过程,也是生态过程和水文过程的重要纽带

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熟悉蒸散发ET及其组分(植被蒸腾Ec、土壤蒸发Es、冠层截留Ei)、植被总初级生产力GPP的概念和碳水耦合的基本原理;掌握利用Python与ArcGIS工具进行相关的操作;熟练掌握国际上流行的Penman-Monteith模型,并能够应用该模型在各种植被类型上进行冠层导度、蒸散发组分的计算;掌握单站和区域结果的可视化方法、制图方法等

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适用范围

生态水文相关行业、双碳相关行业

蒸散发与光合作用阻抗&Python实践

. 蒸散发与光合作用阻抗

蒸散发和光合作用阻抗是植物生理学中的重要概念。蒸散发与植物水分平衡、生长和代谢密切相关;而光合作用阻抗则反映了植物在限制水分蒸散的情况下,为维持光合作用而形成的扩散阻力。研究蒸散发与光合作用阻抗的原理有助于了解植物的光合作用效率、生长速度和生态适应性等方面信息,为农业生产、林业经营和环境保护等领域提供科学依据和决策支持。

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Python使用说明

2.1. Jupyter Notebook编辑器+Anaconda管理器的安装

Python是一种简单易学、功能强大的编程语言,具有丰富的标准库和广泛的第三方库支持,适用于大数据处理、人工智能、Web开发等多个领域。

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虚拟环境的安装与配置

虚拟环境允许同一台机器上创建多个独立的Python环境,每个环境都可以有自己的Python版本和安装的第三方库。不同的项目可以使用不同的Python版本和依赖库,避免了版本冲突和依赖冲突的问题。

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常用库

本节包含Python基本语法及常用的科学计算(Numpy)、数据处理(Pandas)和数据可视化(Matplotlib)库函数的使用。

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数据处理

Python中常见的数据问题有数据重复、数据异常、文本类型、数据缺失、数据无效等,对应异常值处理、文本转换和空缺值填补等操作。

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ArcGIS实践

3.1 基本操作

ArcGIS的基本操作包括创建与打开地图文档、加载数据、保存文档、图层操作、数据框坐标系统定义、要素属性查询等。

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数据格式转换

在ArcGIS中可以实现不同数据格式的相互转换,如EXCEL数据与Shapefile数据、TXT 数据与 Shapefile 数据的相互转换等。

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提取栅格值

在ArcGIS中可以实现值提取至点或利用ArcPy实现批量处理栅格数据集。

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数据裁剪

ArcGIS中的裁剪功能用于根据指定的边界范围,对图层或栅格数据集进行裁剪。通过裁剪操作,可以删除不感兴趣的数据或者将数据限制在特定区域内,以便更好地分析和可视化数据。

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地图制图

地图制图主要包括地图版面设计的主要要素、地图渲染方式等内容

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数据下载与处理

4.1 站点数据下载与处理

FLUXNET2015是一个全球尺度的碳、水和能量通量观测数据集,汇集了来自200多个观测站点的数据。该数据集提供了关于碳、水和能量通量等多个观测变量的实地观测数据,并按照标准化格式存储和共享。

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数据下载

打开网址fluxnet.org/data/fluxne,点击Download FLUXNET2015 Dataset,进行用户名和账号密码登录后,可以根据需求选择站点,填写申请需求即可完成下载。

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数据处理

根据研究需求,对下载后的数据进行处理,包括变量选择、异常值的处理、空缺值填补。

4.2 区域数据下载与处理

GLASS是一个全球陆地表面遥感数据集,提供了高分辨率的植被叶面积指数(LAI)数据,空间分辨率为250m/500m/0.05°,时间分辨率为8天。

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数据下载

打开网址glass.umd.edu/index.htm,根据研究需求选择对应分辨率的LAI数据集,并利用DownThemAll!批量下载数据。

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数据处理

下载后的数据为hdf格式,根据研究需求,对下载后的数据进行处理,包括数据格式转换、定义投影、对应栅格值提取、数据汇总等。

冠层导度与水、碳通量空间模拟案例分析实践

n 案例一:蒸散发、土壤蒸发、植被蒸腾在站点尺度的计算

在站点尺度上,利用叶面积指数、净辐射等计算出冠层有效能量和土壤有效能量,并根据一定时间的累积降水和土壤表面平衡蒸发速率得到土壤蒸发,进而计算出植被蒸腾与冠层导度。具体操作如下:

1、叶面积指数的站点值提取与插补

Ÿ 数据格式转换

Ÿ 定义投影

Ÿ 站点值提取

Ÿ 数据插补

2、土壤蒸发计算

Ÿ 冠层有效能量和土壤有效能量计算

Ÿ 土壤蒸发分数计算

Ÿ 土壤平衡蒸发计算

植被蒸腾计算

Ÿ 干湿表常数计算

Ÿ 饱和水汽压和温度关系曲线斜率计算

Ÿ 空气动力学导度计算

4、冠层导度计算

Ÿ 数值计算

Ÿ 结果可视化

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案例二:蒸散发与植被总初级生产力的区域数据下载、处理与显示

区域地表蒸散发及其组分(土壤蒸发、植被蒸腾、冠层截留蒸发)、植被总初级生产力数据的下载、处理、显示与统计。

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1 郑永军

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