基于MODIS-LAI、Sentinel-3-LAI和ERA5-Land数据的陆地碳通量塔基到全球尺度升尺度研究

本研究针对全球气候变化背景下陆地碳通量(TCFs)精确量化需求，创新性地采用高斯过程回归(GPR)模型，结合FLUXNET站点数据与多源卫星观测(LAI)和气候数据(ERA5-Land)，实现了从站点到全球(300m-5km)的碳通量(GPP/RECO/NEE)升尺度估算。验证显示模型R2达0.6-0.8，为碳循环监测提供了高分辨率、可解释的新方法。

　　

随着全球气温突破《巴黎协定》1.5°C阈值，精确量化陆地碳通量(TCFs)成为气候治理的迫切需求。TCFs包含光合作用(GPP)与呼吸作用(RECO)的动态平衡，其差值构成净生态系统交换(NEE)，直接反映陆地碳汇强度。然而现有TCFs估算方法存在显著局限：基于光能利用率(LUE)的MODIS产品(MOD17A2H)依赖固定参数，过程模型(LPJ-GUESS)计算复杂，而数据驱动模型(如FLUXCOM)受限于站点代表性和变量选择。如何整合多源观测数据，建立兼顾精度与效率的TCFs升尺度方法，成为当前碳循环研究的核心挑战。

针对这一科学问题，瓦伦西亚大学等机构的研究团队在《Ecological Indicators》发表创新成果。研究团队开发了基于高斯过程回归(GPR)的EC-GPR-TCFs模型体系，通过融合FLUXNET站点观测、Sentinel-3/MODIS的叶面积指数(LAI)产品和ERA5-Land气候数据，首次实现300m分辨率全球TCFs动态制图。结果显示模型在验证中R²达0.6-0.8，与FLUXCOM等基准产品相关性达0.7-0.85，证实该方法在碳通量升尺度中的优越性能。

研究采用三大关键技术：1) 基于FLUXNET-ICOS联盟1369个站点数据构建训练集，涵盖9种植被类型；2) 采用自动相关性确定(ARD)的径向基函数核GPR算法，量化LAI、短波辐射(SW)、潜热通量(LE)等12个预测因子的贡献度；3) 在Google Earth Engine平台实现MCD15A3H-LAI(500m)和S3-TOA-GPR-LAI(300m)与ERA5-Land(0.1°)数据的协同处理，支持2010-2020年全球5km分辨率TCFs制图。

模型验证与性能
通过10折交叉验证显示，EC-GPR-TCFs对GPP、RECO和NEE的预测R²分别为0.78/0.64/0.63。2019-2023年站点验证表明，温带森林(ENF)和农作物(CRO)的GPP估算R²中位数达0.6，优于热带森林(EBF)的0.8但样本量有限。Sentinel-3 LAI(300m)的采用使GPP预测精度普遍提升10%，凸显高分辨率数据优势。

关键驱动因子解析
GPR-Rank和20年时序相关性分析共同揭示：LAI、SW和LE是跨生物群落的三大核心驱动因子。在温带落叶林(DBF)，SW与GPP的Pearson相关系数达0.95；而在热带雨林(EBF)，LE成为主导因子(r=0.91)。值得注意的是，土壤含水量(SWC)在干旱区(OSH)呈现负相关，反映植被对浅层水分胁迫的适应性。

全球格局与不确定性
2004-2023年全球制图显示：热带地区年GPP达2800 gC m^-2，显著高于北方森林(1200 gC m^-2)。 epistemic不确定性(σ)分析表明，高纬度地区σ/GPP比值达40%，主要源于MODIS-LAI在冰雪覆盖区的检索误差。与SCOPE-GPR-TCFs产品的对比验证显示，两者在全球中纬度地区R>0.8，但在南半球灌丛地带差异显著。

方法论创新与局限
该研究开创性地证明：1) 轻量级GPR模型仅需千余样本即可实现全球尺度TCFs建模；2) LAI可替代传统FAPAR成为核心结构变量；3) GEE云平台实现20年全球数据处理仅需35小时。但存在热带站点数据不足、PAI/LAI概念混用导致的系统性偏差等问题，未来需整合FLEX卫星的太阳诱导荧光(SIF)观测加以改进。

这项研究为《巴黎协定》全球碳盘点提供了方法论突破，其构建的"塔基-卫星"协同框架，不仅解决了传统LUE模型参数固化的缺陷，更通过GPR的不确定性量化功能，为碳汇监测提供了可信度指标。随着FLUXNET站点在热带地区的扩展和S3/FLEX新一代卫星数据的应用，该方法有望成为全球碳循环监测的新标准。