東北地理所在基于數(shù)據(jù)同化和當(dāng)?shù)赜衩滋匦愿倪M(jìn)WRF-Crop模型對玉米生長模擬方面取得新進(jìn)展
糧食安全是國家安全的重要基石，也是人類生存發(fā)展的根本保障。作為非傳統(tǒng)安全領(lǐng)域的核心議題，它既關(guān)乎億萬民眾的"米袋子"和"菜籃子"，也影響著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的穩(wěn)定。當(dāng)前氣候變化加劇、耕地資源縮減、國際供應(yīng)鏈波動等挑戰(zhàn)疊加，如何利用現(xiàn)有作物模型和遙感手段提高對糧食產(chǎn)量的估算和預(yù)測，成為當(dāng)前作物估產(chǎn)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
為了解決這些難題，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所土地系統(tǒng)遙感學(xué)科組研究人員，利用吉林省地面玉米物候監(jiān)測站數(shù)據(jù)以及MODIS遙感影像，成功構(gòu)建出一套適用于吉林省玉米生長和產(chǎn)量估算的參數(shù)化方案，將天氣研究和預(yù)測模型（WRF）與動態(tài)作物模型（Noah-MP-Crop）耦合的作物模型（WRF-Crop）進(jìn)行本土化。此外，為控制模擬誤差，利用基于時間分段插值的同化方法，將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)同化到模型中，成功模擬了當(dāng)季玉米的生長趨勢和產(chǎn)量估算。
研究結(jié)果顯示，通過優(yōu)化模型的玉米生長積溫閾值（GDDs）并結(jié)合數(shù)據(jù)同化，能顯著提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度。與模型默認(rèn)參數(shù)方案相比，改進(jìn)后模型在葉面積指數(shù)（LAI）、蒸散量（ET）和總初級生產(chǎn)力（GPP）上的平均絕對誤差分別降低了41.2%、14.1%和27.5%。地面渦度協(xié)方差觀測數(shù)據(jù)也支撐了結(jié)果的可靠性，土壤水分（0-10 cm）和GPP的MAE（R2）分別為0.027 m3/m3（0.82），1.75 g C/m2/d（0.67）。最后，利用改進(jìn)方案對吉林省2023年玉米產(chǎn)量進(jìn)行了估算，平均產(chǎn)量為10140 kg/ha，與改進(jìn)前模型結(jié)果相比精度提高約9.26%，整體估算精度超過95%。該研究不僅為作物模型本土化提供了新技術(shù)手段，還為大尺度作物產(chǎn)量估算和預(yù)測提供了科學(xué)支撐。
該成果發(fā)表在國際期刊Agricultural and Forest Meteorology（影響因子5.6，中科院一區(qū)top），由東北地理所2021級碩士研究生包倫（第一作者，已畢業(yè)）、于靈雪副研究員（通訊作者）等人共同完成。研究得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA28080503）、吉林省科學(xué)技術(shù)發(fā)展項目（20220101154JC）等項目共同資助。
圖1.物候監(jiān)測站玉米生長積溫閾值
圖2. 玉米采樣值與模型模擬結(jié)果對比
論文信息：Bao L,Yu L,Yu E,et al.,(2025). Improving the simulation of maize growth using WRF-Crop model based on data assimilation and local maize characteristics. Agricultural and Forest Meteorology,365: 110478.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2025.110478
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