科研進(jìn)展
日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒夤浪汴懙卣羯l(fā)研究獲新進(jìn)展
日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF)作為直接的光合活性指標(biāo)，對(duì)陸地蒸散量(ET)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、模型優(yōu)化及區(qū)域碳-水耦合研究具有重要價(jià)值，并對(duì)氣候變化評(píng)估、水資源管理指導(dǎo)和田間灌溉決策產(chǎn)生重大影響。然而，由于模型存在的結(jié)構(gòu)誤差和參數(shù)誤差，利用遙感SIF估算ET仍具有較大的挑戰(zhàn)。
近日，中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院祁連山冰凍圈與生態(tài)環(huán)境綜合觀測(cè)研究站研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了兩種融合物理約束與機(jī)器學(xué)習(xí)方法的SIF驅(qū)動(dòng)耦合ET模型，即物理引導(dǎo)混合ET模型（ETPHEM）和物理引導(dǎo)純機(jī)器學(xué)習(xí)ET模型（ETPMEM）。
ETPHEM模型利用機(jī)器學(xué)習(xí)框架改進(jìn)冠層氣孔導(dǎo)度-SIF物理模型（gc -SIF模型），再將改進(jìn)的機(jī)制模型鑲嵌至Penman-Monteith模型框架，構(gòu)建ET模型。ETPMEM模型則將gc?-SIF模型物理模型嵌入Penman-Monteith模型框架，再利用機(jī)器學(xué)習(xí)框架改進(jìn)鑲嵌gc?-SIF物理模型后的Penman-Monteith模型，最終形成ET模型。
此外，研究人員利用全球包含8種植物功能類型的52個(gè)站點(diǎn)評(píng)估了2種耦合ET模型的性能，并與SIF驅(qū)動(dòng)的半機(jī)理ET模型進(jìn)行了比較，分析了兩種耦合ET模型的泛化性能和建模ET的優(yōu)勢(shì)。
研究表明，結(jié)合物理約束和機(jī)器學(xué)習(xí)模型的2種SIF驅(qū)動(dòng)的耦合ET模型，表現(xiàn)出比SIF驅(qū)動(dòng)的半機(jī)理ET模型更好的模型性能，與地面的觀測(cè)結(jié)果最為接近。2種SIF驅(qū)動(dòng)的耦合ET模型中，ETPMEM模型得到了最為準(zhǔn)確的ET估算，能較準(zhǔn)確地捕捉ET的季節(jié)動(dòng)態(tài)，其整體決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）、平均絕對(duì)誤差（MAE）和克林-古普塔效率系數(shù)（KGE）分別為0.84、0.58mm/day、0.39mm/day和0.88，且ETPMEM模型計(jì)算的所有站點(diǎn)ET多年總均值為1.79mm/day，基本接近站點(diǎn)觀測(cè)的ET多年總均值1.80 mm/day。2種SIF驅(qū)動(dòng)的耦合ET模型在多種極端環(huán)境條件中和數(shù)據(jù)稀疏區(qū)域具有較強(qiáng)的泛化性能。該研究為利用遙感技術(shù)開展全球尺度蒸散發(fā)估算提供了重要的理論支持與方法參考。
該研究成果以Improving terrestrial evapotranspiration estimation using physics-guided machine learning model driven by solar-induced chlorophyll fluorescence為題發(fā)表于國(guó)際期刊Journal of hydrology。西北研究院博士研究生王仁軍為論文第一作者，秦翔研究員為論文共同第一作者和通訊作者。該研究得到甘肅省生態(tài)文明重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、甘肅省重大科技專項(xiàng)、冰凍圈科學(xué)與凍土工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主部署項(xiàng)目和甘肅省教育廳高校教師創(chuàng)新基金項(xiàng)目等聯(lián)合資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2025.133468
SIF驅(qū)動(dòng)的ET模型開發(fā)框架
