Accurately upscaling terrestrial carbon fluxes is central to estimating the global carbon budget, yet remains challenging due to the sparse and regionally biased distribution of ground measurements. Existing data-driven upscaling products often fail to generalize beyond observed domains, leading to systematic regional biases and high predictive uncertainty. We introduce Task-Aware Modulation with Representation Learning (TAM-RL), a framework that couples spatio-temporal representation learning with knowledge-guided encoder-decoder architecture and loss function derived from the carbon balance equation. Across 150+ flux tower sites representing diverse biomes and climate regimes, TAM-RL improves predictive performance relative to existing state-of-the-art datasets, reducing RMSE by 8-9.6% and increasing explained variance ($R^2$) from 19.4% to 43.8%, depending on the target flux. These results demonstrate that integrating physically grounded constraints with adaptive representation learning can substantially enhance the robustness and transferability of global carbon flux estimates.


翻译:准确估算陆地碳通量的升尺度值是评估全球碳收支的核心环节,但由于地面观测数据稀疏且存在区域偏差,该任务仍具挑战性。现有的数据驱动升尺度产品往往难以泛化至观测域之外,导致系统性的区域偏差和较高的预测不确定性。我们提出了基于表征学习的任务感知调制框架,该框架将时空表征学习与知识引导的编码器-解码器架构相结合,并采用源自碳平衡方程的损失函数。在代表不同生物群落和气候区的150多个通量塔站点上,TAM-RL相较于现有最先进数据集提升了预测性能,将均方根误差降低了8-9.6%,并将解释方差从19.4%提升至43.8%(具体提升幅度因目标通量而异)。这些结果表明,将基于物理的约束条件与自适应表征学习相结合,能够显著提升全球碳通量估算的鲁棒性和可迁移性。

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在机器学习中,表征学习或表示学习是允许系统从原始数据中自动发现特征检测或分类所需的表示的一组技术。这取代了手动特征工程,并允许机器学习特征并使用它们执行特定任务。在有监督的表征学习中,使用标记的输入数据来学习特征,包括监督神经网络,多层感知器和(监督)字典学习。在无监督表征学习中,特征是与未标记的输入数据一起学习的,包括字典学习,独立成分分析,自动编码器,矩阵分解和各种形式的聚类。
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