基于多遥感产品和地面观测的北极苔原春季返青期特征研究

近百年来地球气候系统正在经历以变暖为主要特征的显着变化，高纬度地区变暖程度比中低纬度更大。而气候的显着变化对相对敏感的北极生态系统具有重要的影响，主要原因是北极苔原生态系统的营养结构简单，恢复力和抵抗力的稳定性较弱。物候代表了植被的季节动态，可作为区域气候变化的间接指标，其不仅仅受气候影响，也通过调节叶片的萌芽和休眠、植物冠层的生理活动进而从多种尺度上对气候进行反馈。因此，及时了解气候变化背景下高纬度地区物候的响应，可以帮助我们更好的理解与重视全球变暖带来的影响，进而使用模型进行物候的预测。中国科学院大气物理研究所郑江珊等人基于北极苔原区29个地面台站的长期连续观测数据，对2000~遥感归一化植被指数(NDVI)、归一化水分指数(NDWI)和归一化雪指数(NDSI)采用多种拟合方法进行平滑降噪，并提取返青期日期(SOS)。同时利用多源地面观测资料，包括通量、物候影像和实地物候记录，对遥感返青期进行验证，探究返青期的时空变化规律，及其在不同植物群落的变化特征。该项研究成果近期发表在《中国科学：地球科学》。研究表明，NDVI、NDWI和NDSI提取的SOS都可在一定程度上代表该站点的植被物候，但NDVI提取的SOS与对应年份地面观测的SOS更为接近(R2=0.85)，与近地面通量观测和物候探头观测高度一致，而NDWI和NDSI估算的SOS值偏大。可能原因是NDWI与NDSI作为表征水分的遥感指数，在高纬度地区受初春地表积雪覆盖的影响，对于感应植被季节的动态变化存在一定程度的延迟。

图1地面观测与遥感指数NDVI(a)、NDWI(b)、NDSI(c)提取的SOS的对比

同时，研究发现NDVI、NDWI和NDSI获取的SOS均能表现北半球60°N~80°N间SOS与纬度的关系，纬度越高，SOS越晚。地面观测与遥感指数推算的SOS的纬向梯度基本一致。地面观测的SOS的纬向梯度为3.67天/纬度，三个遥感指数推算的SOS的纬向梯度为3.92天/纬度。

图2遥感指数NDVI、NDWI、NDSI提取的SOS和地面观测数据提取的SOS的纬向梯度文章指出，在2000~间，不同的植物群落，返青期的发生时间和年际变化幅度差异大。尽管2000~间研究站点的时间变化趋势并不显着，但返青期在之后都呈滞后趋势。高北极植被(包括以莎草/禾草、苔藓为主的湿地复合体W1和匍匐、半匍匐矮灌木苔原P2)的大部分返青期随时间增加而延迟，低北极植被(包括以莎草、苔藓、矮灌木为主的湿地复合体W2，以莎草和矮灌木为主的直立灌木苔原G4和包含苔原与泰加林的过渡带NAA)的大部分返青期无明显变化。

图3由NDVI提取的5种苔原植被类型的SOS均值的时间序列该研究对理解北极苔原生态系统在气候变化背景下的适应与改变具有重要的意义，但是由于观测资料的缺乏，可用站点大多分布于北美地区，研究区域还存在一定的限制，未来仍然需要结合更多观测资料与更大范围的卫星数据进行物候变化及其驱动因子研究。该研究得到国家自然科学基金面上项目(批准号：41875107)和中国科学院战略性先导科技专项A类项目“地球大数据科学工程”(编号：XDA19070203)的资助。