半干旱区典型下垫面反照率特征的初步分析

利用2008-2009年7-9月中国半干旱区9个通量观测站的通量和常规气象数据结合同期MODIS的EVI植被覆盖数据,分析了不同下垫面反照率的月、季特征及其与降水之间的关系,系统地探讨了特殊天气条件下各类下垫面的反照率日变化特征。结果表明:(1)按照季平均反照率的大小,各类下垫面排序依次为荒漠草地高寒草甸退化草地农田;(2)除退化草地外,其余各类下垫面反照率的拟合结果均通过0.05显著性水平检验,高寒草甸的拟合好于荒漠草地、农林混交农田和东北农田,而荒漠草地和农林混交农田拟合效果相当;(3)在荒漠草地下垫面,夜雨不会对次日反照率的"U"型分布产生影响,存在潜热维持土壤湿度和感热加强蒸腾作用两种机制;(4)无雪盖高寒草甸的反照率主要受植被覆盖度和高原植被叶面特性的影响;退化草地下垫面在强降水日白天出现反照率"√"型分布,由于09:00(北京时,下同)-11:00云量偏多、反照率偏高,15:00-17:00太阳高度角对反照率增大作用强于土壤湿度的减小作用,反照率缓慢回升造成的。低矮作物农田在雨日15:00-17:00反照率的骤升是植被覆盖度和太阳高度角相互作用所致,受浅层土壤含水量的影响不大。     

半干旱区不同类型土地利用的蒸散量及水分收支差异分析——以通榆为例

利用吉林通榆半干旱区农田站和退化草地站2008年的外场试验观测资料,对比分析了不同土地利用方式对蒸散和地表水分收支的影响。结果表明：从全年来看,尽管两个站点相距仅5 km,但农田站的全年总蒸散量比代表自然土地覆盖状况的退化草地站高28.2 mm;且生长季两种下垫面的蒸散量较为接近,差异主要发生在非生长季。同时,农田站的年水分收支总量为51.1 mm,比退化草地站低35.6％。具体来说,生长季,两个站点的水分收支均有盈余;但在非生长季,退化草地站的水分收支仍有盈余,而农田站则处于水分亏损状态。这说明在半干旱区,代表人为土地利用状况的农田站面临着更大的水分供给压力,人类活动导致的土地利用会加剧该地区的干旱化趋势。
　　进一步的分析表明,水分盈余并不代表地表的水分状况良好。从 Priestley-Taylor 系数来看,两个站点的Priestley-Taylor系数均远小于1.0,说明在半干旱区,由于表层土壤水分条件的限制,实际蒸散量远未达到平衡蒸散量,土壤面临着水分供给的压力。其可能的原因是,对半干旱区而言,尽管水分收支有盈余,但是由于土壤沙化严重,土壤孔隙度大,大气降水很容易下渗,并以地下水的形式存储起来,使得表层土壤水分供应反而不足。     

黄土高原半干旱区雨养农田地表辐射和能量通量的季节变化

黄土高原陇东地区有着特殊的气候背景和下垫面,对这一地区陆气相互作用特征和影响因素的观测分析对改进和发展陆面过程模式以及气候变化研究有重要意义。利用陇东平凉陆面过程与灾害天气观测研究站连续一年的陆面过程观测资料,分析了雨养农田降水量、土壤含水量、辐射、反照率和能量通量的季节变化,以及降水、土壤含水量和农业生产活动对能量分配的影响。结果表明,陇东地区降水量季节分布不均,土壤含水量有明显季节差异,随降水有明显波动;辐射通量的季节变化较为规律,短波辐射的日均值受天气状况影响,波动较大;地表反照率呈明显的季节变化,全年正午反照率最大值为0.83,出现在降雪后,生长季随着作物的生长,反照率下降至0.2以下,农作物收割以后的裸土反照率随降水变化明显,反照率与土壤体积含水量呈明显的线性相关关系;湍流能量通量日循环和季节变化明显,地表能量分配在很大程度上受降水影响,同时农业生产活动也对其有较大影响,主导能量通量有较大的月际波动,潜热通量月平均日变化峰值最大为240.8 W·m~(-2),出现在5月,感热通量为192.5 W·m~(-2),出现在4月;在年尺度上,正午净辐射多被感热通量消耗,感热通量约占35%,潜热通量约占32%,低于灌溉农田;在冬小麦快速生长季(3-5月),潜热通量约占34%,远低于灌溉的冬小麦田,研究站点的蒸散发过程受到水分限制。     

陇中黄土高原半干旱草地地表反照率的变化特征

利用2010年兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)全年的观测数据,对陇中黄土高原半干旱草地的地表反照率年变化及其在典型天气条件下的变化特征进行研究。结果表明,该地区半干旱草地的地表反照率呈冬半年高、夏半年低的特点,年平均地表反照率为0.21,高于绿洲地区,低于半干旱农田区;地表反照率的日变化明显受天气条件的影响:晴天时呈早晚高、中午低的特征,阴天时日变化很小;降雨后地表反照率先降后升,而降雪后则先升后降;沙尘天气过程中,地表反照率比晴天有所增加。晴天时地表反照率还存在明显的不对称现象,即相同太阳高度角时,上午地表反照率大于下午,这种差异与浅层土壤湿度的变化具有较好的一致性。     

科尔沁沙地自然恢复沙质草地生态系统碳通量特征

以科尔沁沙地围封后自然恢复的沙质草地生态系统为研究对象,基于全年运行的涡动相关系统,观测分析了2017年该生态系统净CO2通量(NEE)在不同时间尺度的变化特征。结果表明:(1)日尺度上,NEE呈“单峰型”,其中生长季(5-9月)出现明显的吸收峰,而非生长季(10月至次年4月)出现明显的排放峰;季节尺度上,NEE表现为吸收峰值和释放峰值交替出现,生长季为碳汇(净吸收202.11 g·m^-2),非生长季为碳源(净释放298.13 g·m^-2);全年尺度上,NEE表现为碳源(净释放96.02 g·m^-2·a^-1)。(2)NEE在生长季与温度(空气温度和土壤温度)呈显著(P<0.01)线性负相关关系,而在非生长季反之;NEE与土壤含水量在生长季和非生长季均呈显著(P<0.01)线性正相关关系;温度和土壤含水量的协同作用对NEE亦有重要影响。     

地表反照率动态参数化对陆-气通量模拟的影响：以东北玉米农田为例

利用考虑了生物因子(叶面积指数)和环境因子(太阳高度角、表层土壤湿度)影响的地表反照率α动态参数化方案对BATS1e模型进行改进,基于2008年玉米农田生态系统的通量、气象及生物因子的连续观测资料,研究α动态参数化对玉米农田生态系统与大气间通量交换的影响.结果表明,引入α动态参数化方案后,模型实现了地表反照率α的日、季动态模拟,模型效率系数提高0.65,误差明显减小,使陆气通量交换热力作用的模拟准确性有所提高,其中,净入射短波辐射模拟改进最为明显,全年改进量为81772 kJ/m2,占年总辐射的1.7％;表层土壤温度的年均改进量为0.62 K,多数月份的改进量在1 K以上.另外,模型改进实现了叶面积指数和植被覆盖度等决定下垫面性质各参数的动态变化,使各种通量交换过程更接近于实际,感热和潜热模拟的模型效率系数分别提高0.516和0.1,模拟值对实测值的解释能力在生长季分别提高6％和9％,大于非生长季.     

青藏高原不同地区辐射特征对比分析

利用"全球协调加强观测计划(CEOP)之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)在藏北高原的BJ站、NPAM站及中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站、纳木错多圈层相互作用综合观测研究站和藏东南高山环境综合观测研究站2007年的辐射观测资料,分析了这些地区不同下垫面地表辐射各分量及地表反照率的日变化和月际变化特征。结果表明,向下短波辐射受太阳高度角的影响存在明显的日变化和月际变化;向上短波辐射的月际变化基本与总辐射一致,在个别月份由于高原积雪造成地表反照率较高,从而使晴天向上短波辐射全年较高;向下长波辐射存在基本的季节变化,最大值出现在天空总云量较多的夏季(6～8月),最小值出现在冬季(12月和1月);向上长波辐射基本上都是夏季为全年最大,冬季为全年最小。这与地表温度的年变化情况相一致。高原不同地区各季节晴天地表净辐射存在差异,NPAM站和藏东南站由于下垫面植被覆盖较好,净辐射值各季节均高于其它各站;NPAM站、纳木错站和珠峰站地表反照率日变化曲线呈"U"型,BJ站和藏东南站日变化相对复杂,藏东南站全年月平均地表反照率较小且变化不大,其他各站存在基本的年变化趋势。     

利用MODIS卫星资料反演中国地区晴空地表短波反照率及其特征分析

利用MODIS地表双向反照率产品(MOD43B1),结合地表海拔高度和地表覆盖类型资料,计算并分析了中国地区晴空反照率的时空分布,以及地表反照率与地形和地表覆盖的关系.首先,利用改则自动气象站的地基观测对MODIS地表反照率进行了对比验证.验证结果表明卫星观测可以较好地反映反照率随时间的变化,MODIS地表反照率与地表实测反照率符合较好.年平均地表反照率与海拔高度有很好的相关,反照率的高值出现在高海拔山区.冬春季节,我国高海拔山区因积雪覆盖成为反照率的高值区;夏秋季节,地表反照率主要受地表土壤湿度和植被盖度的影响,沙地和沙漠地带反照率最高.最后,计算了中国典型地表类型的反照率随时间的变化,结果表明大部分地表类型的反照率具有较大的时间变化,地表反照率在春秋季节较大,夏季反照率较小.     

半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量的日变化及季节变化

采用涡动相关方法连续观测2002年10月到2003年12月半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量变化,分析水汽和二氧化碳通量的季节和日变化规律,同时比较农田和退化草地两种不同下垫面物质和能量通量交换过程的差异,得到如下一些主要结果:(1)半干旱地区湿季,相距5 km的两种不同下垫面,即使在同一天气过程控制下,不同植被下垫面的降雨分布仍不尽相同,甚至相差很大.这表明降雨空间的分布是很不均匀的,具有很强的局地特征.(2)在干季近地面层能量收支中,两种不同下垫面上的有效能量(净辐射与地表热流量之差)主要分配为感热通量,潜热通量在非生长季(干季)通常很小.在湿季(生长季),潜热通量与感热通量相当,但农田下垫面的潜热通量大于退化草原下垫面.(3)土壤的温度和湿度日变化主要集中在0～20 cm土壤层内,在湿季农田下垫面土壤的湿度有明显的跳跃,这与降雨过程有很好的相关.(4)在非生长季,两种不同下垫面地气间二氧化碳通量差别不大,都很小.白天由于光合作用,在生长季农田下垫面吸收CO2通量较退化草原大,但比湿润地区稻田下垫面小一个量级,远小于森林生态系统.     

半干旱地区吉林通榆"干旱化和有序人类活动"长期观测实验

简单介绍了吉林通榆"干旱化和有序人类活动"长期观测实验,该实验站同时也是国际协同加强观测计划(CEOP)的地面观测站.分析了2002年10月～2003年3月(CEOP-EOP3)非生长季观测到的近地面层微气象及能量通量资料.结果表明,在非生长季,半干旱地区农田和退化草地下垫面近地面层能量收支基本一致;感热通量占主要地位,占净辐射通量的70%左右;潜热通量及地热流都很小,通常小于30 W m-2.土壤温度日变化主要集中在地表以下20 cm土壤层,20 cm以下土壤温度日变化很小,但存在明显的季节变化.在非生长季,土壤表层10 cm厚度内,草地下垫面土壤体积含水量比农田大;20 cm以下深度土壤体积含水量的日变化很小,同样存在季节变化.     

Three-year Variations of Water, Energy and CO$_2$ Fluxes of Cropland and Degraded Grassland Surfaces in a Semi-arid Area of Northeastern China

Based on 3 years （2003-05） of the eddy covariance （EC） observations on degraded grassland and cropland surfaces in a semi-arid area of Tongyu （44°25′N, 122°52′E, 184 m a.s.1.）, Northeast China, seasonal and annual variations of water, energy and CO2 fluxes have been investigated. The soil moisture in the thin soil layer （at 0.05, 0.10 and 0.20 m） clearly indicates the pronounced annual wet-dry cycle; the annual cycle is divided into the wet （growing season） and dry seasons （non-growing season）. During the growing season （from May to September）, the sensible and latent heat fluxes showed a linear dependence on the global solar radiation. However, in the non-growing season, the latent heat flux was always less than 50 W m^-2, while the available energy was dissipated as sensible, rather than latent heat flux. During the growing season in 2003-05, the daily average sensible and latent heat fluxes were larger on the cropland surface than on the degraded grassland surface. The cropland ecosystem absorbed more CO2 than the degraded grassland ecosystem in the growing season in 2003-05. The total evapotranspiration on the cropland was more than the total precipitation, while the total evapotranspiration on the degraded grassland was almost the same as the total annual precipitation in the growing season. The soil moisture had a good correlation with the rainfall in the growing season. Precipitation in the growing season is an important factor on the water and carbon budget in the semi-arid area.     

科尔沁草甸草地生长季能量平衡特征

草地生态系统具有植被多样性和较大的气候变异性,研究草地的能量平衡特征对认识草地的生态效应具有重要意义。利用开路涡度相关系统和常规气象观测系统的观测结果,运用最小二乘法、线性回归等方法对科尔沁草甸草地2010年生长季能量平衡特征进行了分析。结果表明：科尔沁草甸草地生长季能量闭合比率为80.4%,说明该地存在不闭合现象,且闭合度居于同类观测的中上水平,涡度相关观测数据较为可靠。反射率日变化呈先降后升趋势,中午达到最低值,生长季（5-9月）内在0.040-0.120之间波动,整体也呈先降后升趋势,平均值为0.061。净辐射与太阳辐射的比值为0.386,二者呈线性正相关关系。潜热通量是科尔沁草甸草地最主要的能量支出项,其次是感热通量。各分量日变化与净辐射基本相同,呈单峰型变化,日出后开始增加,中午达到最大值,之后开始减小,峰值及其出现的时间稍有不同。两种典型天气下,各分量占净辐射比例次序与生长季平均情况相同。晴天时各分量与净辐射相同,呈单峰型,而阴天时变化规律均不明显。     

玛曲高寒草甸地表辐射与能量收支的季节变化

利用中国科学院黄河源区气候与环境综合观测研究站2010年观测资料,分析了玛曲高寒草甸地表辐射与能量收支的季节特征。结果表明:玛曲高寒草甸入射太阳辐射与净辐射年累积量分别为6482.2和2577.2MJ.m-2.a-1;年平均地表反照率为0.25,生长期平均地表反照率为0.22;全年入射太阳辐射的38%转换为地表长波辐射,明显高于低海拔地区的草地;净辐射占入射太阳辐射的38%,低于全球以及低海拔地区的草地;在冻结期,感热通量占净辐射的93%,在生长期,潜热通量占净辐射的62%。     

Simulation of canopy radiation transfer and surface albedo in the EALCO model

A new canopy radiation transfer and surface albedo scheme is developed as part of the land surface model EALCO (Ecological Assimilation of Land and Climate Observations). The model uses a gap probability-based successive orders of scattering approach that explicitly includes the heterogeneities of stands and crown elements and the radiation multiple scattering. The model uses the optical parameters of ecosystem elements and physically represents ecosystem processes in surface albedo dynamics. Model tests using measurements from a boreal deciduous forest ecosystem show that the model well reproduced the observed diurnal and seasonal albedo dynamics under different weather and ecosystem conditions. The annual mean absolute errors between modeled and measured daily albedo and reflected radiation are 0.01 and 1.33 W m⁻², respectively. The model results provide a quantitative assessment of the impacts of plant shading and sky conditions on surface albedo observed in high-latitude ecosystems. The contribution of ground snow to surface albedo in winter was found to be less than 0.1 even though the canopy is leafless during this time. The interception of snow by the leafless canopy can increase the surface albedo by 0.1–0.15. The model results show that the spectral properties of albedo have large seasonal variations. In summer, the near infrared component is substantially larger than visible, and surface albedo is less sensitive to sky conditions. In winter, the visible band component is markedly increased and can exceed the near infrared proportion under cloudy conditions or when snow exists on the canopy. The spectral properties of albedo are also found to have large diurnal variations under the clear-sky conditions in winter.     

Assessment of GCM simulated snow albedo using direct observations

 Annual cycles of monthly albedos simulated with a general circulation model (GCM) are compared with surface observations. The data observed at 35 stations are retrieved from the Global Energy Balance Archive (GEBA) and drawn from the soil moisture and meteorological observations in the former Soviet Union. The model data are obtained with the ECHAM4 GCM in a ten-year simulation of the present-day climate at T106 resolution. The model calculated albedo values are modified before they are compared with the surface observations: They are interpolated to the stations and adjusted to account for altitude differences and fractional forest area. During the snow-free period, the model underestimates the albedo by up to 0.05 at the stations (with values between 0.2 and 0.25 measured over short grass) because the albedo for grassland is too low in the model. During the period with seasonal snow cover, the model underestimates the albedo by up to 0.2 at stations in Russia, Scandinavia and Canada, which experience severe winters. This underestimation is due to an oversimplified parameterization of the snow covered grid fraction and an inadequate linear relation between snow albedo and temperature. The derivative of albedo with respect to the forest fraction implemented in ECHAM is in line with the observations, although a small overestimation of the model’s gradient has been detected. Received: 3 July 1998 / Accepted: 24 December 1998     

草原生态系统模式中参数不确定性导致的模拟结果不确定性研究

基于五变量草原生态系统理论模式,应用与参数有关的条件非线性最优扰动(CNOP-P)方法,探讨了由参数不确定性导致的草原生态系统模式模拟结果的不确定性问题。参数的不确定性可能来源于观测和（或）对物理过程描述等的不确定性。选取了五变量草原生态系统模式中具有物理意义的32个模式参数进行数值试验。试验结果表明,对所考察的32个模式参数,在一定的不确定性和给定的优化时刻范围内,单独优化每个参数所得CNOP-Ps的联合模态与同时优化32个参数所得CNOP-P的模态并不相同。比较了上述两类参数误差以及随机参数误差对草原生态系统模拟的差异。随机参数误差与上述优化方法所得参数误差的不确定性范围大小相同。数值结果表明,同时优化32个参数所得 CNOP-P 类型参数误差使得草原生态系统模拟的不确定性程度最大。这种影响表现在使得草原生态系统转变为沙漠生态系统,或者使得草原生态系统转变为具有更多生草量的草原生态系统。上述数值结果不依赖于优化时间和参数不确定性程度的大小。这些数值结果建议我们应当考虑多参数的非线性相互作用来研究草原生态系统模式模拟的不确定性问题,并且揭示出CNOP-P方法是讨论上述问题的一个有用的工具。     

Significant Variations of Surface Albedo during a Snowy Period at Xianghe Observatory, China

Surface albedo over typical types of surfaces in the North China Plain was observed using a Multi-field Albedo Observation System before and after several snowfalls from 13 to 27 February 2005.Dramatic variations of the surface albedos of bare land,a frozen pond,and withered grassland during that period were analyzed.Under cloudy sky,the mean surface albedo of bare land was about 0.23,but it immediately rose to 0.85 when the surface was covered by fresh snow.The albedo decreased gradually to normal levels a...     

Climate change alters growing season flux dynamics in mesic grasslands

Changing climate could affect the functioning of grassland ecosystems through variation in climate forcings and by altering the interactions of forcings with ecological processes. Both the short and long-term effects of changing forcings and ecosystem interactions are a critical part of future impacts to ecosystem ecology and hydrology. To explore these interactions and identify possible characteristics of climate change impacts to mesic grasslands, we employ a low-dimensional modeling framework to assess the IPCC A1B scenario projections for the Central Plains of the United States; forcings include increased precipitation variability, increased potential evaporation, and earlier growing season onset. These forcings are also evaluated by simulations of vegetation photosynthetic capacity to explore the seasonal characteristics of the vegetation carbon assimilation response for species at the Konza Prairie in North Central Kansas, USA. The climate change simulations show decreases in mean annual soil moisture and and carbon assimilation and increased variation in water and carbon fluxes during the growing season. Simulations of the vegetation response show increased variation at the species-level instead of at a larger class scale, with important heterogeneity in how individual species respond to climate forcings. Understanding the drivers and relationships behind these ecosystem responses is important for understanding the likely scale of climate change impacts and for exploring the mechanisms shaping growing season dynamics in grassland ecosystems.     

2000—2020年呼伦贝尔地区归一化植被指数时空变化及其对气候的响应

利用2000—2020年MOD13Q1和气象观测数据, 结合Sen趋势分析、M-K显著性检验、变异系数、Hurst指数、相关系数等对呼伦贝尔地区归一化植被指数(NDVI)时空变化及气候响应进行分析。结果表明: 呼伦贝尔地区多年生长季平均NDVI为0.63, 平均年变化倾向率为0.028/10 a, 大部分地区呈增加趋势, 其中大兴安岭森林大部及岭西耕地增加显著。呼伦贝尔地区生长季NDVI的平均变异系数为0.08, 其中呼伦贝尔草原西部的波动较大。Hurst指数表明, 呼伦贝尔地区生长季NDVI整体变化呈反持续性趋势, 结合现有NDVI变化趋势, 未来将呈下降趋势, 对生态环境的保护工作较为不利。大兴安岭森林生长季NDVI与气温呈正相关, 耕地与草原区呈负相关, 而呼伦贝尔大部分地区的生长季NDVI与降水普遍呈正相关, 其中呼伦贝尔草原和大兴安岭两麓耕地的生长季NDVI与降水相关显著, 说明气温是制约北部大兴安岭森林生长的主要因素, 而降水是制约呼伦贝尔草原生态平衡和农牧业发展的主要因素。