基于通量足迹模型与遥感融合的非均质站点空间偏差削减：一种新型涡动协方差滤波方法

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Reducing Spatial Bias at Heterogeneous Sites: A Novel Eddy Covariance Filtering Approach Integrating Footprint Modeling and Remote Sensing

　　

在覆盖多种土地覆被类型的站点中，净生态系统交换(NEE)的涡动协方差(EC)观测可能因生物源汇分布不均及通量足迹变化而产生显著不确定性，掩盖目标系统的“真实”信号。研究人员提出了一种基于非目标区域对30分钟通量观测的足迹加权贡献的滤波方法，该贡献定义为非目标足迹占比(non?target footprint fraction, NTFF)，并结合10?m分辨率遥感(RS)土地覆被分类数据进行计算。基于三个非均质站点3–4个月的数据分析表明，与未滤波数据相比，该方法显著降低了与源汇分布相关的偏差。在高大森林站点，观测期表观总NEE略有增加，部分原因可能是NTFF充当了弱平流指示因子；受夜间人为排放影响的山地葡萄园站点总NEE最大负向变化达189.32?g?C?m?2；而在高山泥炭地站点，由于卫星信息难以区分非目标植被，结果受影响较小。所有站点的能量平衡闭合(EBC)均得到改善。该方法可利用现有观测数据与开放获取遥感信息实施，为提高非均质站点碳收支的代表性与跨站点可比性提供了潜在工具，并可集成至现有数据处理流程中，作为标准质量控制方法的补充。未来研究可进一步建立客观的NTFF阈值，并在其他站点利用独立方法验证结果。

研究背景与意义

涡动协方差(EC)技术是目前大气–生态系统界面碳、水、能量通量观测的核心手段，广泛应用于FLUXNET、ICOS等全球通量网络，为碳中和评估提供基础数据。然而EC方法隐含均质平坦下垫面假设，在真实地形中常因土地覆被异质性、通量足迹动态变化导致观测偏差，尤其在山区及多土地利用类型并存区域更为突出。现有研究多关注异质性校正或代表性评估，但缺乏可直接嵌入常规处理流程、基于高分辨率遥感的逐时段滤波方法。为此，研究人员提出结合足迹模型与10?m分辨率遥感数据的非目标足迹占比(NTFF)滤波方法，旨在削减非目标地表对通量观测的影响，提升碳收支估算的准确性与可比性。该研究发表于《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》。

主要技术方法

研究选取三个地形与生态系统差异显著的山区站点：意大利南蒂罗尔亚高山森林站(IT?Ren)、澳大利亚阿尔卑斯泥炭地站(AU?APL)及意大利南蒂罗尔山地葡萄园站(IT?Pla)，各站观测时长分别为115天、91天与92天。采用Copernicus全球10?m土地覆被产品(LCM?10)与Sentinel?2归一化植被指数(NDVI)融合生成目标/非目标二元分类图。利用Kljun等(2015)二维交叉风积分足迹模型计算每30分钟通量的NTFF值，并按百分位数设置不同滤波阈值。滤波后与常规摩擦速度(u^*)滤波及垂直风速标准差(σ_w)滤波进行比较，最后采用边际分布抽样(MDS)算法填补缺失数据，并以能量平衡闭合(EBC)斜率评估滤波效果。

研究结果

非目标区域识别

LCM?10能有效区分森林、草地及水体，但对结构相近的植被（如泥炭地与周边草地）分辨力有限；NDVI阈值法可细化目标区边界，两者结合可在三站有效排除道路、居民区、牧场等非目标地表。

站点代表性与NTFF分布

IT?Ren平均NTFF为0.24，夜间因北风携带牧场景观贡献显著升高；AU?APL平均NTFF仅0.02，绝大多数通量源自目标泥炭地；IT?Pla平均NTFF为0.26，夜间西北风将城镇纳入足迹导致NTFF显著上升。

NTFF与NEE关系

白天NEE峰值集中在NTFF≤0.10区间，随NTFF增加光合作用减弱；夜间呼吸通量与NTFF相关性因站而异，IT?Ren呈轻微负相关，IT?Pla在早晚过渡时段呈强正相关，反映城镇CO₂排放影响。

NTFF阈值选择

能量平衡闭合(EBC)随滤波严格度增加而提升，IT?Ren提升8.75%，AU?APL提升4.08%，IT?Pla提升2.93%。综合考虑数据保留率与补缺质量，研究演示采用45百分位阈值(NTFF_T45)。

滤波效果比较

NTFF滤波与u^*滤波联合应用可减少夜间异常低值，提高时间序列合理性。IT?Ren总NEE略微降低，AU?APL变化微小，IT?Pla由弱碳源转为强碳汇，最大变化189.32?g?C?m^?2。

讨论与结论

讨论指出，10?m分辨率遥感足以识别地块尺度异质性，但需结合光谱指数与机器学习以提升复杂景观分类精度。足迹模型在稳定层结及地形突变区存在不确定性，NTFF应视为代表性指标而非精确测量值。该方法通过排除非目标地表贡献，改善了通量与目标生态系统功能的对应关系，并在三站均提升了EBC。局限在于尚未建立普适NTFF阈值，建议结合站点特征与独立通量验证确定最佳滤波强度。未来可将该方法推广至甲烷(CH₄)、动量等其他EC通量滤波。

研究结论

本研究验证了融合高分辨率遥感与足迹加权的NTFF滤波方法在非均质EC站点的可行性。NTFF可作为通量代表性的有效指标，滤波后能量平衡闭合改善，两个站点NEE变化显著且更符合生态学机制。该方法无需额外观测设备，易于集成至现有处理流程，为提升碳收支估算准确性与跨站点可比性提供了实用工具。