Szén-dioxid fluxusok és vegetáció modellezése az ImagineS projekt keretében Országos Meteorológiai Szolgálat Tóth Helga, Szintai Balázs és Kullmann László Email: toth.h@met.hu
Tartalom ImagineS projekt alapja: Surfex talajmodell ISBA-A-gs séma a SURFEX-ben Adat asszimiláció: Extended Kalman Filter Eredmények, felhasználhatóság 1D (összevetés a hegyhátsáli adatokkal) 2D (összevetés a műholdas adatokkal) Mezőgazdasági felhasználhatóság Szárazság-indukátorok Honlapon elérhető információk ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 2
OMSz feladata a projektben OMSz talajmodellt futtat => kvázi valós idejű becslés biomassza növekedésére, légkör-talaj (vegetáció) közötti áramok (hő, vízgőz és CO2) Aszályindexek Termésbecslés (a modell képes bizonyos mezőgazdasági növényeket külön kezelni, pl. C3, C4 veg.) ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 3
Surfex modell SURFEX (SURface EXternalisée) 7.3: externalizált felszíni séma Surfex részei: - TALAJ-VEGETÁCIÓ (ISBA) - VÁROS - TAVAK, TENGER, tengeri jég - FELSZÍNI HATÁRRÉTEG Légköri kényszer (u,v,t,q,p, rad) város tavak tenger légkör talaj Természet (szárazföld) Csak természet tile-on történik futtatás Természeti tile 12 patch-re van felosztva (fűfelszín, C3, C4 növények, lombhullató fák. stb) Talajban lejátszódó folyamatok ún. ISBA sémával + fotoszintézis model - > ISBA-A-gs (3 rétegű Force- Restore séma) ISBA 3 rétegű talajmodell T, w (talajnedvesség) leírása prognosztikai egyenletekkel Növényzet fejlődését explicit módon írja le (fotoszintézis növényzet elhalása) ISBA Force (kényszer) Restore (egyensúlyba viszaállás) séma: Hőmérséklet változás=felszíni nettó sugárzás-látens és szenzibilis hő rétegek közötti hőmérséklet kül. Talajnedvesség változás=csapadékpárolgás-rétegek közötti diffúzióelfolyás felszín: T s, w s gyökérzóna: T 2, w 2 E r W r E tr E g D 2 K 2 D 1 ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 mély talaj zóna: w 3 K ECOCLIMAP II E s d 2 4 d 3
A Surfex modellt magyarországi tartományra 8x8 km-es felbontáson futtattuk 24 órára előre, 6 órás output frekvenciával Asszimiláció: napi ciklussal A légköri bemenő adatokat az ALADIN NWP modell szolgáltatta (léghőmérséklet, légnedvesség, szélsebesség, csapadék) + LandSAF hosszú- és rövidhullámú sugárzás ún. offline módban futtattuk a modellt -> nincs hatás a légkörre OUTPUT-ok: LAI (Növény felületi index) WG2 (gyökérzóna talajnedvessége) Szén-dioxid fluxusok: GPP (Gross Primary Product: fotoszintézis során elnyelt CO2), NEE (Net Ecosystem Exchange: kilélegzett - fotoszintézis) Vízgőz fluxus: ETR (Evapotranspiráció: növényzet és a talaj párolgása), LE (Latens Hő Fluxus) VALIDÁCIÓ: 1D (Hegyhátsáli mérésekkel) 2D (műhold adatokkal) Mezőgazdasági felhasználás: szimm. biomassza vs. KSH adatokkal, illetve WOFOST crop modell eredményeivel ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 5
Műhold adatok asszimilációja a SURFEX-ben Cél a modell kezdeti feltételeinek pontosítása: LAI és Felszíni talajnedvesség műholdas adatok asszimilációja (az adatokat a http://land.copernicus.eu/ honlapról töltöttük le) Eredeti terv: Sentinel-2 és 3 adatok, de ezek fellövése jelentősen késett LAI: SPOT-VEG (214 májusáig) and PROBA-V (214 májusától) 1km felb. 1 napos átlag. Jelenleg letölthető adatok V1: Neurális hálót futtatnak Top-Of-Canopy (TOC) input adatokra a vörös, közeliinfravörös, és rövid hullámú infravörös tartományokban, normalizálják 3 napos időtartamra A normalizáció során súlyfüggvényt alkalmaznak a legfrissebb napi megfigyelések felhasználásával SWI (Soil Water Index) [,1]: MetOp. ASCAT (Advanced SCATterometer) 1 km felb. 1 napos átlag. Jelenleg letölthető adatok V3, mi még a V2-t töltöttük le: SWI számítás a MetOp/ASCAT senzorok által mért (radar visszavert, hosszú hullámú, C-band) felszíni talajnedvességből a 2-rétegű water-balance modell felhasználásával Talajtexturával nem számolnak 8 SWI értéket számolnak ki különböző talajmélységek alapján Rekurzív összefüggést alkalmaznak a számítások során. Felszíni állapot Flaget használnak (SSF) (fagyott, nem fagyott, olvadt) SSF alapján történik SSM kiszámítása nem-fagyott talaj esetén ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 6
ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 7
A Surfex számára nem SWI, hanem tényleges talajnedvesség szükséges Talajnedvesség számolása SWI-ből: SSM=SWI*(w max -w min )+w min W max és W min modellből számolt, több évre vonatkozó értékek ASCAT SSM és modellből előálló SSM BIAS-a és évszakos változékonysága különbözik => ASCAT SSM adatokat CDF matching technikával újra számítjuk (így távolítjuk el a műhold adatok és a modell adatai közötti különbséget => biztosítva van a modell és műhold közötti konzisztencia) Linear matching: SSM ' sat p1 p2 SSM sat ahol p stdev( SSM mod 1 SSM mod p2 SSM p2 sat stdev( SSM sat ) P 1 és p 2 együtthatókat évszakos bontásban adjuk => évszakos lineáris matching ) Felszíni talajnedvesség (SSM) Hegyhatsal (28) SAT* OL SAT,5,45,4,35,3,25,2,15,1,5 jan. febr. márc. ápr. máj. jún. júl. aug. szept. okt. nov. dec. ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 8
EKF asszimiláció Cél: kezdeti értékek minél pontosabb előállítása => Adatasszimiláció Modell számára rácsponti kezdeti mező előállítása a cél, az adatasszimiláció során figyelembe vesszük a méréseket (LAI, SSM) + háttér (korábbi előrejelzés) + légkör dinamikájának ismerete Analizált mezők (LAI, WG1, WG2) megadása a kezdeti időpillanatban, úgy, hogy az minél közelebb legyen a valósághoz Asszimilációs technika: Extended Kalman Filter (EKF) ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 9
Modell futtatások Surfex futtatás: 28-215 között (Openloop) légköri kényszerek Surfex ISBA-A-gs Aktív biomassza fejlődés, fluxusok, prognosztikai változók Adatasszimilációs Surfex futtatás: 28-215 között SWI, LAI műholdas megfigyelések légköri kényszerek Surfex ISBA-A-gs Aktív biomassza fejlődés, fluxusok, prognosztikai változók ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 1
Asszimiláció hatása (214, LAI m 2 /m 2 ) OP SAT ASS Márc. Ápr. Máj. Júni. Júli. Júli. 1-1 nap 1-2 nap 2-3 nap 1-1 nap 1-2 nap 2-3 nap 1-1 nap 1-2 nap 2-3 nap ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 11
Asszimiláció hatása (214, SSM (m 3 /m 3 )) OP SAT ASS Márc. Ápr. Máj. Júni. Júli. Júli. 1-1 nap 1-2 nap 2-3 nap 1-1 nap 1-2 nap 2-3 nap 1-1 nap 1-2 nap 2-3 nap ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 12
Statisztikák (LAI) m2/m2 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 2,5 1,5 2,5 1 LAI területi átlagok(28-215) LAI BIAS és RMSE BIAS-OL BIAS-ASS* RMSE-OL RMSE-ASS* -,5-1,5-1 28. 28. 29. 29. 21. 21. 211. 211. 212. 212. 213. 213. 214. 214. 215. 215. jan. july jan. july jan. july jan. july jan. july jan. july jan. july jan. july SAT OP ASS* 28.1.1 29.1.1 21.1.1 211.1.1 212.1.1 213.1.1 214.1.1 215.1.1 1,8,6,4,2 -,2 -,4 28. jan. LAI havonkénti korrelációk 28. july 29. jan. 29. july 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 21. jan. 21. july 211. jan. LAI területi átlag (28-215) jan. febr. márc. ápr. máj. jún. júl. aug. szept. okt. nov. dec. 211. july 212. jan. 212. july 213. jan. 213. july 214. jan. 214. july OL OL ASS* SAT ASS* 215. 215. jan. july ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 13
Statisztikák (Felszíni Talajnedvesség Surface Soil Moisture) Talajnedvesség, területi átlag (SSM) (28-215) OL SAT-WG1*,35,3 SAT-WG1 ASS*,25,2,15,1,5 jan. febr. márc. ápr. máj. jún. júl. aug. szept. okt. nov. dec.,9,8,7,6,5,4,3,2,1 28. jan. SSM Monthly Area-mean correlation 28. july 29. jan. 29. july 21. jan. 21. july 211. jan. 211. july 212. jan. 212. july ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 OL-SAT* ASS*-SAT* 213. jan. 213. july 14
Hegyhátsáli mérések: az adatok 2 magasságból származnak: LAI (heti), fűfelszín fölött (tenyészidőszakban) Talajnedvesség (napi) (1-3 cm mélységből) 3 m-ről füves terület fölött (a modellből csak a fűfelszínre vonatkozó eredményekkel hasonlítjuk össze): -Szén-fluxusok: GPP, Reco and NEE (napi) -Víz-flux: Latens hő (LE) (napi) 82 m-es magasságból (teljes rácspontra vonatkoztatjuk): -Szén-fluxusok: GPP and NEE (napi) -Víz-fluxus: LE (napi),5, -,5-1, -1,5-2, AnoTalajnedvesség / AnoWG2, Hegyhatsal, 212 Eredmények (1D) OBS ASS OL Átlagos GPP 3m Hegyhatsal (28-215) OL ASS*,5 OBS(In-situ),45,4,35,3,25,2,15,1,5 jan. febr. márc. ápr. máj. jún. júl. aug. szept. okt. nov. dec. Átlagos GPP 82m Hegyhatsal (28-215) OL ASS*,45 OBS(In-situ),4,35,3,25,2,15,1,5 jan. febr. márc. ápr. máj. jún. júl. aug. szept. okt. nov. dec. -2,5 jan. febr. march apr. may june july aug. sept. oct. nov. dec. ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 15
4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 LAI mean Hegyhatsal (28-215) OL SAT ASS* jan. febr. márc. ápr. máj. jún. júl. aug. szept. okt. nov. dec. LAI-InSitu-Hegyhatsal m2/m LAI, Hegyhatsal, 21 7 OP-1p 2 6 5 SAT ASS*-1p 4 3 2 1 21.1.1 21.3.1 21.5.1 21.7.1 21.9.1 21.11.1 Átlagos LE 3m Hegyhatsal (28-215) OL ASS* 12 OBS(In-situ) 1 8 6 4 2 jan. febr. márc. ápr. máj. jún. júl. aug. szept. okt. nov. dec. 8 7 6 5 4 3 2 1 Átlagos LE 82m Hegyhatsal (28-215) OL ASS* OBS(In-situ) jan. febr. márc. ápr. máj. jún. júl. aug. szept. okt. nov. dec. ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 16
212 aszály monitorozása, anomália térképek (AnoLAI) 212. csap. Máj. Júni. Júli. Aug. Szept. SAT ASS OP ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 17
Gyökér-zóna talajnedvesség évszakos változékonysága 212-ben (AnoWG2 (modellekből) és AnoSWI1 (műhold)) Máj. Júni. Júli. Aug. Szept. SAT ASS OP ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 18
SAT LAI és Talajnedvesség évszakos változékonysága 214-ben (extrém csapadékos nyár) Máj. Júni. Júli. Aug. Szept. ASS AnoLAI OP SAT AnoSWI1 / AnoWG2 ASS 15 214. csapadék OP 1 5 ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 J F M A M J J A Sz O N D modell mérés 19
Hegyhátsál Átlagos WG2 ill SWI1 aug. AnoWG2/ AnoSWI1 214 aug. WG2 / SWI1 (214. aug.) ASS.34 -.5,32,3,28,26,24 ASS* WG2 SWI-1 műhold.43 1.3,7,6,5,4,3,2,1 SWI1 ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 2
Termésbecslés Modellezett C3 BIOMASS ZA vs. Mért hozam és vs. WOFOST eredményekkel 28-213-as időszakra 25 Fejér megye, 46.9, 18.7 Wheat-OBS OP-C3 WOFOST kg/ha 14 12 1 8 6 4 2 Csongrád megye, 46.4, 2.5 28 29 21 211 212 213 Wheat-OBS OP-C3 WOFOST ASS*-C3 2 ASS*-C3 15 1 Sz-Sz-B megye, 47.94, 21.5 Wheat-OBS OP-C3 5 25 WOFOST 28 29 21 211 212 213 2 15 ASS*-C3 1 Nagyon jó egyezés az LDAS BIOMASSZA és a mért hozam között, kivéve 21- re (extrém nedves év) 5 28 29 21 211 212 213 ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 21
Termésátlag relatív anomália térképek ((simobs)/obs) ASS OP 21 (csapadékos) 212 (aszály) Felülbecslés! ASS pontosabb ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 22
sim. C3 biomass (kg/ha) Scatter-plott a 28-213-as időszakra 2 15 1 5 OP_C3 WOFOST ASS*-C3 Korrelációk: OP: -.13 (21-es adat nélkül:.28) ASS*:.25 (21 nélkül:.56) WO:.15 (21 nélkül:.32) 5 1 15 2 in-situ yield (kg/ha) ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 23
Hasonló vizsgálatok kukoricára Durvább felülbecslés! kg/ha 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Csongrád megye, 46.4, 2.5 Corn-OBS OP-C4 ASS-C4 28 29 21 211 212 213 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Corn-OBS Fejér megye OP-C4 ASS*-C4 28 29 21 211 212 213 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Corn-OBS Sz-Sz-B megye OP-C4 ASS*-C4 28 29 21 211 212 213 ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 24
sim. C3 biomass (kg/ha) Scatter-plott a 28-213-as időszakra 2 15 OP_C4 ASS*-C4 Korrelációk: OP:.17 ASS:.32 1 5 5 1 15 2 in-situ yield (kg/ha) ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 25
http://fp7-imagines.eu ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 26
Milyen adatok tölthetők le a honlapról? 1. Talaj-felszín (kampány) mérések: 15 helyről szerte a világból Pl. AHSPECT kampány, 215. júni. 22-25 DNY Franciaország (Toulousetól NY-ra az Atlanti-óceán irányába) 75x16 km-es terület. Mért elemek: LAI FCOVER (zöld növényzet aránya) FAPAR (elnyelt fotoszintetikusan aktív sugárzás aránya) ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 27
2. Landsat-8 biofizikai prodoktumok: 3 m-es felbontásban LAI, FAPAR és FCOVER idősorok 8 demonstrációs területen 213-214 időszakra vonatkozóan. Az eredményeket a demonstrációs területeken mért értékekkel vetették össze ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 28
3. Termésbecslésel kapcsolatos térképek, Tula (Oroszország területére, 213-as időszakra). Felhasznált műhold adatok: Sentinel-1 és 2 valamint proxy 3 adatok Térképek: Tenyészidőszak elején cropland layer (PCL) térképek (25m-es felb.) crop group layer (CGL) térképek a téli időszak végén (25-1 m) Nagy felbontású Crop Type Layer (CTL) térképek a tenyészidőszakban (1 m, 15 napos időbeli felb.) CTL 213. június, Tula ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 29
LAI(m 2 m -2 ) LAI scaled anomaly 4. LDAS adatok Meteo France (Franciaországi területre: 45 gabonával és 48 fűvel borított rácspont OMSZ Magyarországra: 9 gabonával borított magyarországi pont ECMWF teljes Földre: 85 pont Szabadon letölthető adatok.csv formátumban 28-213-ra: Napi adatok: GPP, LAI, Párolgás, NEE, SWI, felszín feletti növényzet anomália (AGB) 1 napra vonatkozó szárazság indikátorok: AnoLAI, AnoSWI and AnoAGB 5 LAI*-crops 4 3 2 1 28 29 21 211 212 213 LAI*-sc-crops 2,5 2 1,5 1,5 -,5-1 -1,5-2 28 29 21 211 212 213 ImagineS projekt záró Workshop, 216. 5. 4 3