Carnegie-Ames-Stanford approach (CASA)

CASA Biosphere model is the model for studying the terrestrial carbon cycle. Our overall objective was to characterize fixation and release of CO2 using spatially (1° latitude-longitude) and temporally( monthly) resolved predictions of steady state net ecosystem production(NEP), the difference between NPP and Rs.

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Initial contribute: 2019-04-26

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Classification(s)

Application-focused categoriesNatural-perspectiveLand regions
Method-focused categoriesProcess-perspectiveBiological process calculation

Model Description

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   CASA模型中NPP的估算可以由植物的光合有效辐射(APAR)和实际光能利用率(ε)两个因子来表示,其估算公式如下:

 

式中,APAR(x,t)表示像元x在t月吸收的光合有效辐射 (g C·m-2·month-1),ε(x,t)表示像元x在t月的实际光能利用率(g C·MJ-1) 

APAR的估算

    APAR的值由植被所能吸收的太阳有效辐射和植被对入射光合有效辐射的吸收比例来确定。 

式中,SOL(x,t)表示t月在像元x处的太阳总辐射量( g C·m-2·month-1),FPAR(x,t)植被层对入射光合有效辐射的吸收比例,常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射(波长为0.4-0.7μm)占太阳总辐射的比例。

FPAR的估算

    在一定范围内,FPAR与NDVI之间存在着线性关系(Ruimy & Saugier,1994),这一关系可以根据某一直被类型NDVI的最大值和最小值以及所对 应的FPAR最大值和最小值来确定。  

式中,NDVIi,max和NDVIi,min分别对应第i种植被类型的NDVI最大和最小值。 

     FPAR与比值植被指数(SR)也存在着较好的线性关系(Field et al.,1995;Los et al.,1994),可由以下公式表示:  

式中,FPARmin和FPARmax的取值与植被类型无关,分别为0.001和0.95; SRi,max和SRi,min分别对应第i种植被类型NDVI的95%和5%下侧百分位数, SR(x,t)由以下公式表示:  

    通过对FPAR-NDVI和FPAR-SR所估算结果的比较发现,由NDVI所估算的FPAR比实测值高,而由SR所估算的FPAR则低于实测值,但其误差小于直接由NDVI所估算的结果[1],因此我们可以讲二者结合起来,取其加权平均或平均值作为估算FPAR的估算值:  

光能利用率的估算

    光能利用率是在一定时期单位面积上生产的干物质中所包含的化学潜能与同一时间投射到该面积上的光合有效辐射能之比。环境因子如气温、土壤水分状况以及大气水汽压差等会通过影响植物的光合能力而调节植被的NPP。 

式中,Tε1(x, t)和 Tε2(x, t)表示低温和高温对光能利用率的胁迫作用; Wε(x,t)为水分胁迫影响系数,反映水分条件的影响; εmax是理想条件下的最大光能利用率(g C/MJ)。 

温度胁迫因子的估算

    Tε1(x, t)的估算:其反映在低温和高温时植物内在的生化作用对光合的限制而降低第一性生产力。  

式中,Topt(x)为植物生长的最适温度,定义为某一区域一年内NDVI值达到最高时的当月平均气温(℃);当某一月平均温度小于或等于-10℃ 时,其值取0。 

    Tε2(x, t)的估算:表示环境温度从最适温度Topt(x)向高温或低温变化时植物光能利用率逐渐变小的趋势,这是因为低温和高温时高的呼吸消耗必将会降低光能利用率,生长在偏离最适温度的条件下,其光能利用率也一定会降低。 

当某一月平均温度T(x, t)比最适温度Topt(x)高10℃或低13℃时,该月的Tε2(x, t)值等于月平均温度T(x, t)为最适温度Topt(x)时Tε2(x, t)值的一半。 

水分胁迫因子的估算

    水分胁迫影响系数Wε(x,t)反映了植物所能利用的有效水分条件对光能利用率的影响,随着环境中有效水分的增加,Wε(x,t)逐渐增大,它的取值范围为0.5(在极端干旱条件下)到1(非常湿润条件下)。 

式中: EET为区域实际蒸散量(mm); EPT为区域潜在蒸散量(mm) 

 

最大光能利用率的确定

    月最大光能利用率εmax的取值因不同的植被类型而有所不同,在CASA模型中全球植被的最大光能利用率为0.389 g C·MJ-1

 

How to Cite

Zhiyi Zhu (2019). Carnegie-Ames-Stanford approach (CASA), Model Item, OpenGMS, https://geomodeling.njnu.edu.cn/modelItem/6bc7f7ba-d2fb-4c5b-a128-0e12406cb634
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