干旱区稀疏树木冠层降雨截留蒸发的研究进展与展望

冠层截留蒸发作为冠层降水再分配和地表蒸散发的重要组分,对以稀疏植被为典型覆盖特征的干旱区生态系统的局地水文循环和水量平衡产生不可忽略的影响,并对该区域生态植被保护、植被与降水关系、生态水文过程等研究具有重要科学意义.较为系统地总结了干旱区稀疏树木冠层截留蒸发的主要观测试验方法和关键模型,具体分析了稀疏树木冠层结构(空间分布、叶片倾角和叶面积指数等)、降雨特征(降雨量、降雨强度和降雨历时)以及大气环境条件(风速、气温和饱和差等)等对冠层截留蒸发的影响机理,并对改进和完善目前稀疏树木冠层截留蒸发的观测试验和估算模型方面提出了建议.     

BATS-SAST模式对积雪深度的模拟试验与改进

利用BATS-SAST模式对加拿大Sk-OJP森林站2001/2002,2002/2003,2003/2004年度及Sk_HarvestJP空旷站2003/2004年度4个积雪季节进行模拟.针对Sk-OJP森林站积雪深度模拟偏小的不足,在长波辐射及降水量的计算方案中考虑透过冠层的部分;考虑由雨、雪密度不同引起冠层上单位面积截留量的变化以及风速和冠层温度对冠层积雪卸载过程的影响,对冠层截留模型进行了改进.针对Sk_HarvestJP空旷站积雪深度模拟偏大的不足,对地表积雪覆盖率的计算方案进行了调整.结果表明:模式能够对2种不同下垫面积雪变化过程做出合理描述;调整后的模式对Sk_OJP森林站积雪深度模拟增加;新冠层截留模型通过改变冠层截留量来影响冠层下积雪深度的变化,积雪深度的模拟在融化阶段改进最为显著;调整后的模式对Sk_HarvestJP空旷站积雪覆盖率模拟变小,由于积雪覆盖率与地表反照率之间存在着正反馈关系,地面接收的太阳辐射增大,积雪深度的模拟变小.     

森林水文生态效应若干争论问题讨论

对国内外若干森林水文生态效应的部分争论焦点问题进行了阐述,指出容量饱和与平衡变化是导致不同森林水文生态效应存在的根本原因.截留量可以用林冠截留率或林冠饱和度计算.对森林水文生态效应的研究方法进行了探讨,指出某些研究结论相反的原因可能是由于实验方法的问题.必须结合水文循环过程的机理,加强森林生水文生态效应机制的研究,要建立不同空间尺度的分布式水文模型,从而准确的回答流域或区域的森林生态水文效应.     

基于不同郁闭度的青海云杉冠层截留特征研究

祁连山区为石羊河、黑河和疏勒河等内陆河流域的主要水源涵养区域,青海云杉作为祁连山区水源涵养林的主要建群种,对流域尺度的水文过程起到了重要的作用。很多学者对该地区的青海云杉冠层截留特征进行了研究,但是在进行集雨器布设的时候多采用随机或者规则采样方法,两种方法由于没有考虑到冠层结构的影响,所以不易具有很好的代表性。试图采用一种新的布设雨量筒的方法:即根据雨量筒上方冠层的郁闭度来确定雨量筒的布设位置,使其大致能够在郁闭度区间内均匀分布。同时在实验样地内还采用了规则采样方法布设了集雨槽,用来做对比分析。为了得到冠层郁闭度,实验采用遥感图像处理软件ENVI来对普通数码相机采集的冠层图像进行处理。利用数理统计原理和数学模型,对观测期间的34组降雨数据进行了综合分析,并且和规则格网采样的结果进行了对比。结果表明:林内的穿透降雨和郁闭度之间呈现非线性关系;平均林内穿透降雨量随降雨量的增加而增加,二者之间呈现良好的线性关系;在一定的降雨量范围内林冠截留量随降雨量的增加而增加,反之,林冠截留量减少;青海云杉林冠层的总截留降水率为22.2%;根据郁闭度来确定雨量筒的布设位置是可行的。     

大气数值模式中城市效应参数化方案研究进展

介绍了对城市效应影响大气运动的物理过程,以及在不同尺度大气模式中如何合理考虑这些物理过程,对进一步发展完善城市效应参数化方案中亟待解决的问题及困难作了论述,并着重强调了不同城市冠层参数化方案的优缺点。结论认为,随着城市的扩张,城市效应对大气运动的影响是数值模拟研究中一个不可或缺的物理过程,城市冠层模式的引入可以有效地提高数值模拟效果。对于不同尺度的数值模拟研究工作,应该采取不同的城市效应影响方案。目前,由于冠层模式中涉及的物理过程十分复杂,冠层模式还有待进一步完善,此外冠层方案的验证工作,尤其是应用城市地表能量平衡观测资料进行的验证工作还应该进一步深入开展。     

荒漠地区主要固沙灌木的降水截留特征

在草原化荒漠带沙坡头地区,利用草方格沙障并栽植灌木柠条和半灌木油蒿对流动沙丘进行固定,经过40a的演变,逐渐形成由矮灌木与草本植物覆盖的固定沙丘景观.降水是该地区唯一的补给水源,对维持荒漠生态系统的稳定持续发展具有极其重要的作用.试验对两种主要固沙(半)灌木单株植物冠层在自然降水条件下的截留损失水量、冠层截留容量以及截留率与降水属性参数的关系进行了分析,并利用固沙植物群落内植被盖度等指标将所测得单株植物冠层截留转换为一定群落水平上冠层对降水的分割效应.结果表明,不同灌木类型的群落之间对降水截留的影响存在显著差别,对盖度达34%的油蒿群落而言,当单株植物投影面积平均为3900cm²时,其冠层截留容量约为0.7mm,群落截留损失水量平均占年降水量的26 8%;而盖度达30%的柠条群落,当单株植物投影面积平均为4070cm²时,其冠层截留容量约为0.3mm,群落截留损失水量平均占年降水量的17%.当降水强度<0.5mm·h^-1时,两种植物冠层截留水分与总降水量的比率随着降水强度的增加均呈明显的下降趋势;当降水强度>1mm·h^-1时,油蒿冠层截留与总降水量的比率基本稳定在0.3～0.4,柠条冠层截留与总降水量的比率基本稳定在0.2～0.3之间,比油蒿群落冠层截留率低10%左右.     

热带人工林SAR散射组成及对遥感估测叶面积指数的影响

基于RADARSAT SAR数据,利用MIMICS(Michigan Microwave Canopy Stattering)模型模拟森林组分(冠层、树干层、地表)雷达后向散射,模拟研究表明在稀疏的人工林地区,地表层与森林冠层的直接散射是影响森林总的后向散射中最重要的两个因素.在同样的地表条件与森林环境假设下,阔叶林的模拟结果与影像的一致性要优于针叶林,针叶林由于受到地形起伏的影响,难以利用模型模拟森林的散射情况.同时,研究发现,利用森林郁闭度可以定量的表示森林冠层直接散射与总散射的相关关系,因而在一定的条件下得到冠层直接散射.最后,对该方法进行了简单的验证.     

热带人工林SAR散射组成及对遥感估测叶面积指数的影响

基于RADARSAT SAR数据,利用MIMICS（ Michigan Microwave Canopy Scattering）模型模拟森林组分（冠层、树干层、地表）雷达后向散射,模拟研究表明在稀疏的人工林地区,地表层与森林冠层的直接散射是影响森林总的后向散射中最重要的两个因素。在同样的地表条件与森林环境假设下,阔叶林的模拟结果与影像的一致性要优于针叶林,针叶林由于受到地形起伏的影响,难以利用模型模拟森林的散射情况。同时,研究发现,利用森林郁闭度可以定量的表示森林冠层直接散射与总散射的相关关系,因而在一定的条件下得到冠层直接散射。最后,对该方法进行了简单的验证。、     

多尺度岩石力学层对断层和裂缝发育的控制作用

岩石力学层是控制断层裂缝系统的重要因素,岩石力学层级次和分布特征影响油气富集和高产.岩石力学层界面类型、特征及其对裂缝限制能力的差异决定了界面之间的岩石力学层存在多尺度特征,并影响不同尺度裂缝的垂向延伸.多尺度岩石力学层划分方法包括裂缝层和构造层等构造变形方法、岩石学方法、层序地层学方法、测井数据反演力学参数法、实测岩石力学参数法、叠前地震数据反演等.岩性是岩石力学性质演化和裂缝发育的物质基础,岩性组合控制了多尺度岩石力学层的纵向分布规律.岩石力学层界面对裂缝的限制能力决定了对应岩石力学层的尺度.岩石力学层厚控制了层内裂缝密度,主要有裂缝间距指数线性模型和幂函数模型两种定量关系.大尺度岩石力学层控制了大尺度断层裂缝的倾角、密度及构造样式等特征,进一步控制了流体运移、富集和成藏,决定了含油层系的垂向分布以及有利储层的发育.中小尺度力学层及微尺度力学层控制了断溶体储层垂向非均质性.研究深化了对多尺度断层裂缝主控因素的理解,为油气渗流富集研究以及裂缝性储层建模提供了依据.     

沙漠人工植被降水截留特征研究

2004年4~10月,选择两种主要固沙(半)灌木为研究对象,观测了植物冠层在自然降水条件下的截留量和穿透冠层的降水量,并模拟了它们与降水参数间的关系.结果表明:试验期间共降水110.9 mm,50%的降水量<2 mm,80%的降水量<6 mm,以短暂而零星的小降水为主,降水次数呈偏态分布.由于植物冠层的截留而使柠条和油蒿冠层下的降水量极显著地小于降水量(P≤0.01).与油蒿相比,具有高大冠层结构的柠条冠层下的降水量在大多数情况下显著高于油蒿的(P≤0.05);两种植物冠层下方不同部位对降水穿透量的影响结果差异不显著(P>0.05)、显著(P≤0.05)和极显著(P≤0.01)约各占1/3;试验期间柠条和油蒿的冠层截留总量分别为10.7 mm和3.7 mm.两种植物冠层下穿透降水量与降水量和降水历时的多元回归方程达到极显著水平(P<0.0001),但逐步回归分析表明穿透降水量与降水历时的关系不明显(P>0.05),因而提出了穿透降水量与降水量间的线性公式(P<0.0001)能更好的表达这种关系;两种植物冠层截留量与降水量呈指数关系(P<0.05),理论上当降水量无穷大时截留量接近于常数项,即柠条冠层的最大截留量为3.5 mm,油蒿冠层的最大截留量为1.0mm.     

中国高寒区水文学中的一些认识和参数

针对中国高寒区水文数据和参数缺乏、机理不清的现状,应用祁连山葫芦沟寒区水文小流域观测数据及相关研究成果,率定并获取了高寒区水文模拟中的几个关键参数:① 降水观测误差校正系数及公式;② 固液态降水分离的临界气温;③ 高寒灌丛降水截留参数;④ 土壤完全冻结温度;⑤ 积雪消融的临界气温。认识到若全球变暖引起植被带上移,则山区流域蒸散/降水比例增大、径流系数必然减小;现有降水数据难以满足高寒区水文模拟的需要,降水截留模拟有待改进,冰川、积雪消融缺乏高精度简单估算方法;长时间水文模拟中必须考虑风吹雪、冻土类型演替及冻结深度变化,以及冰川运动和体积变化;需加强冻结层下水、积雪升华和冰川汇流观测试验研究。     

A comparison of winter mercury accumulation at forested and no-canopy sites measured with different snow sampling techniques

Atmospheric mercury (Hg) is delivered to ecosystems via rain, snow, cloud/fog, and dry deposition. The importance of snow, especially snow that has passed through the forest canopy (throughfall), in delivering Hg to terrestrial ecosystems has received little attention in the literature. The snowpack is a dynamic system that links atmospheric deposition and ecosystem cycling through deposition and emission of deposited Hg. To examine the magnitude of Hg delivery via snowfall, and to illuminate processes affecting Hg flux to catchments during winter (cold season), Hg in snow in no-canopy areas and under forest canopies measured with four collection methods were compared: (1) Hg in wet precipitation as measured by the Mercury Deposition Network (MDN) for the site in Acadia National Park, Maine, USA, (2) event throughfall (collected after snowfall cessation for accumulations of >8 cm), (3) season-long throughfall collected using the same apparatus for event sampling but deployed for the entire cold season, and (4) snowpack sampling. Estimates (mean ± SE) of Hg deposition using these methods during the 91-day cold season in 2004–2005 at conifer sites showed that season-long throughfall Hg flux (1.80 μg/m²) < snowpack Hg (2.38 ± 0.68 μg/m²) < event throughfall flux (5.63 ± 0.38 μg/m²). Mercury deposition at the MDN site (0.91 μg/m²) was similar to that measured at other no-canopy sites in the area using the other methods, but was 3.4 times less than was measured under conifer canopies using the event sampling regime. This indicates that snow accumulated under the forest canopy received Hg from the overstory or exhibited less re-emission of Hg deposited in snow relative to open areas. The soil surface of field-scale plots were sprayed with a natural rain water sample that contained an Hg tracer (²⁰²Hg) just prior to the first snowfall to explore whether some snowpack Hg might be explained from soil emissions. The appearance of the ²⁰²Hg tracer in the snowpack (0–64% of the total Hg mass in the snowpack) suggests that movement of Hg from the soil into the snowpack is possible. However, as with any tracer study the ²⁰²Hg tracer may not precisely represent the reactivity and mobility of natural Hg in soils.     

青藏高原边缘积雪辐射特征

利用中国陆地生态系统通量观测研究网络的玛曲站观测的一次降雪过程的资料,对青藏高原东部边缘冬季的降雪、积雪过程的辐射特征进行了分析.研究结果表明;积雪期晴天和降雪过程的向上短波辐射的峰值分别约为降雪前晴天的3和2倍.无积雪晴天地表反射率主要分布在0.175～0.36,新雪地表反射率主要分布在0.8～0.9.大气逆辐射变化较小,降雪过程的最大,积雪时的最小.地表长波辐射则为降雪前最大,降雪时最小.积雪覆盖的晴天比无积雪时的净辐射变化幅度减小,且早上由负转正的时间推迟.     

辽宁省不同等级降雪变化特征

利用辽宁省52个站逐日降水量及降雪天气现象资料提取出逐日降雪数据,采用多种统计方法分析了近53 a(1961-2013年)不同等级降雪的时空变化特征,研究表明:降雪量和降雪日数空间分布上山地要大于平原地区,由东部山区向沿海地区减少;降雪强度中心位于辽宁中部城市群所在的平原地区。降雪量、降雪日数年内分配分别呈双峰型和单峰型分布,中雪等级以上的降雪多发生在冬末春初。年降雪量增加,年降雪日数(降雪强度)显著减少(减小);降雪日数的显著减少主要表现为微量降雪日数和小雪日数的减少,尤其是微量降雪日数,降雪强度的显著增大主要是暴雪强度的增大。1960s和1970s为降雪偏多时段,1990s以来降雪量增加,降雪日数减少。不同区域各级降雪占总降雪的比例,辽东地区以微量降雪日数最大,其他区域均以小雪日数和暴雪降雪量最大。全省降雪量有65.4%站点呈增加趋势,降雪日数96.2%的站点呈减少趋势,降雪强度90.4%站点呈增大趋势,辽西地区降雪变率要大于辽东山区。小雪降雪量和微量降雪日数贡献率均呈下降趋势,其他不同等级降雪贡献率均呈上升趋势。随着纬度升高(海拔增高),总降雪量(降雪日数)和各等级降雪量(降雪日数)均增加,总降雪强度和小雪强度减小。     

额尔齐斯河源区森林对春季融雪过程的影响评估

春季积雪融水是额尔齐斯河河源区最重要的水资源. 为探索森林对春季融雪过程的影响, 于2014年融雪期在额尔齐斯河河源区的卡依尔特斯河流域, 选择草地、林中空地和林下三种不同地貌条件, 分别观测积雪消融过程. 结果显示: 积雪消融过程中, 积雪深度和雪水当量的变化并不是同步的; 积雪深度的减小是持续发生的, 是新雪密实化作用的结果; 而雪水当量仅在日均空气温度高于 0 ℃ 时才出现快速的下降. 森林具有显著调节空气温度的功能, 三种类型观测点1.5 m处的日平均空气温度表现为草地>林下>林中空地, 其中, 消融期内草地的平均空气温度(-2.5 ℃)远高于林下(-5.4 ℃)和林中空地(-6.1 ℃); 森林的存在显著减小了空气温度的日较差. 草地、林中空地和林下积雪消融持续期分别为20 d、43 d和35 d, 消融期平均积雪消融速率分别为2.1 mm·d^-1、1.5 mm·d^-1和 1.2 mm·d^-1, 即: 草地>林中空地>林下. 另外, 单棵树对积雪的消融速率有极其重要的影响: 树冠外一定距离内积雪的消融速率约为树冠下积雪消融速率的2倍以上; 但由于树冠超过70%的降雪截留效应, 树冠正下方的积雪消融结束时间仍提前树冠外侧约10 d. 积雪的消融由空气温度和辐射强度共同决定: 当日平均空气温度<0 ℃时, 辐射强度对积雪消融影响较大, 消融过程可由空气温度和辐射强度共同描述; 当温度>0 ℃时, 单独的空气温度可直接反映消融速率的变化. 研究还发现, 该流域内积雪的消融主要发生在每天的14:00-19:00, 该时段内积雪消融量约占全天消融总量的50%以上, 这对流域内积雪洪水预报和水资源利用及管理具有重要的指导意义.     

1961-2015年我国鲁东南地区降雪的气候特征分析

利用鲁东南地区18个代表站1961-2015年的逐日降水量、逐日天气现象、积雪深度资料,对近55 a来降雪的气候特征进行了统计分析。结果表明：鲁东南地区年均降雪日数、强降雪日数、降雪量、强降雪量及年均雪深、年最大积雪深度的空间分布总体上山区多于平原和沿海,区域差异明显。21世纪00年代以前为多雪时期,以后为少雪时期。近55 a的年均降雪日数、强降雪日数、降雪量、强降雪量及年均雪深、年最大积雪深度皆呈减少趋势,降雪由多转少的转折年份均在1993年,年均雪深、年最大积雪深度的减少分别出现在1987年、1986年。鲁东南地区降雪主要集中在1-2月份,3月份强降雪量最大,平均雪深、最大积雪深度的最大月份分别出现在11月份、3月份。降雪时段为10月23日-次年4月28日,降雪的初终日西北部山区皆为最早。降雪日数、强降雪日数、降雪量、强降雪量、雪深均存在3 a的周期,最大积雪深度存在4～5 a的周期。     

1961 - 2017年中国东北地区降雪时空演变特征分析

利用东北地区162个气象台站逐日降水量和天气现象数据, 采用统计分析方法, 对近57年（1961 - 2017年）降雪的气候特征和时空演变规律进行了分析。结果表明： 降雪量和降雪日数最多出现在12月, 小雪和中雪最多出现在11月或12月, 大雪和暴雪在冬末春初出现概率最高。降雪分布为山地大于平原, 平原地区自北向南、 自东向西减少, 降雪高值区主要位于大兴安岭北部、 小兴安岭和长白山区, 降雪强度中心位于长白山区和辽宁中部平原地区。年、 秋季、 冬季、 春季降雪量占同期降水量比例分别为4.7%、 7.0%、 84.4%和7.6%; 辽宁省西部山区和南部大连地区日最大降雪量占年总降雪量比例最高, 最长连续降雪日数在2 d以下, 降雪较高纬度地区更为集中。近57年降雪量和降雪强度分别以1.93 mm?（10a）^-1和0.11 mm?d^-1?（10a）^-1的速率显著增加, 降雪日数以2.08 d?（10a）^-1速率显著减少; 降雪量增加主要表现为各等级降雪量的增加, 降雪日数减少主要是微量和小雪日数的减少, 降雪强度增加主要为大雪和暴雪降雪强度的增加。年、 秋季和冬季降雪量占同期降水量比例平均每10年增加0.36%、 0.48%和0.45%, 春季以0.11%?（10a）^-1的速率减少。中雪、 大雪和暴雪对降雪贡献率均呈增加趋势, 小雪降雪量和微量降雪日数贡献率减少; 1987年降雪量和降雪日数突变后, 微量降雪日数和暴雪日数、 小雪降雪量贡献率改变显著。就区域平均而言, 2001 - 2017年的降雪量较1961 - 1980年增加了27.8%, 降雪日数减少了22.4%。     

Estimation of snow cover distribution in Beas basin,Indian Himalaya using satellite data and ground measurements

In the present paper, a methodology has been developed for the mapping of snow cover in Beas basin, Indian Himalaya using AWiFS (IRS-P6) satellite data. The complexities in the mapping of snow cover in the study area are snow under vegetation, contaminated snow and patchy snow. To overcome these problems, field measurements using spectroradiometer were carried out and reflectance/snow indices trend were studied. By evaluation and validation of different topographic correction models, it was observed that, the normalized difference snow index (NDSI) values remain constant with the variations in slope and aspect and thus NDSI can take care of topography effects. Different snow cover mapping methods using snow indices are compared to find the suitable mapping technique. The proposed methodology for snow cover mapping uses the NDSI (estimated using planetary reflectance), NIR band reflectance and forest/vegetation cover information. The satellite estimated snow or non-snow pixel information using proposed methodology was validated with the snow cover information collected at three observatory locations and it was found that the algorithm classify all the sample points correctly, once that pixel is cloud free. The snow cover distribution was estimated using one year (2004–05) cloud free satellite data and good correlation was observed between increase/decrease areal extent of seasonal snow cover and ground observed fresh snowfall and standing snow data.