冬小麦生长和产量形成与气象条件关系及其动态模拟的研究——以河南省黄淮平原冬小麦中、低产地区为例

本文以能量转换和物质循环的观点,根据大量的田间试验及气象资料,对河南省黄淮平原中、低产地区冬小麦生长和产量形成与气象条件的定量关系及其时空变化特点作了分析,并指出了小麦群体内部光合有效辐射(PAR)的垂直分布特征;群体中存在着一个对PAR的强烈削弱层,它随着小麦生育期的后延而升高。依该地区小麦干物质积累不同特点,作者提出了早播、适播、迟播和受冻害四种生长型。 在前人研究的基础上,作者提出了“冬小麦农业气象计算机模拟模型”(WWACSM),它由发育期、叶面积系数及光合生产三个一级子模式和若干个二级子模式组成:并结合河南省黄淮平原小麦生产实践,对其中某些子模式作了探索和改进,为进一步发展该地区小麦的商品生产提供了气象依据。     

水稻群体干物质积累动态及其与气象条件的关系

根据柳州地区农业气象试验站近几年的水稻分期播种资料,在分析水稻群体干物质积累动态过程的基础上,归纳出不同季节四种生长类型,较详细地描述了不同生长类型的特征及其气象原因,指出了本地区水稻适期播种的意义及生产上应注意的问题。     

国内外农业气象研究动态及进展

根据出国访问所见所闻和参加三次国际农业（生物）气象学术会议、数次全国性农业气象学术会议所得到的信息以及查阅近10年来在国际学术刊物（AgrlculturaandForestMeteorology）杂志、日本的《农业气象》杂志（季刊）和我国出版的《中国农业气象》杂志（双月刊）以及其它有关刊物上发表的论文,对国内、外农业气象研究概况、动态及进展作了介绍。l国外农业气象研究状况近10年来,国外农业气象研究动态的特点如下：1．l数值方法和系统方法在农业气象研究中应用日益广泛从光合生产入手,应用农业气象数植模拟方法,研究农作物生产系统和农作…     

植物生长发育动态模拟研究评述

自40年代以来，国内外就开始了农业气象模拟研究，即利用数学模式做试验性分析，如光合、呼吸及蒸腾模式等。近20年来，由于计算机的广泛应用及专门模拟语言的诞生，定量研究已逐步从简单地建立某一过程的数学模式发展到根据土壤——植被——大气系统内各生理物理的运动机理，建立植物生长发育的动态（力）模式。据分析「‘］，农业气象模拟研究可分为三方面：1．天气——作物产量模拟模式，如贝尔、康斯坦丁诺夫的模式；2．物质能量交换空气动力学模拟模式，如J．L．Monteith、井上荣一及E．R．Lemon等的模式；3．植物生长发育的动态（…     

气候模式-农业气象模式集成系统的小麦灌溉管理新途径

首次采用区域数值预报模式与农业气象模型结合的技术途径, 构成一个气候模式-土壤水分模式-灌溉模式的系统模型。模型的数值天气预报部分采用大气过程与陆面过程耦合的区域气候模式; 农业气象模型采用适用于冬小麦区的土壤水分和灌溉管理预报模型。研究表明, 本模型较农业气象模型中一般用气候平均作为环境背景场的方法其预测能力有显著提高, 并提供覆盖整个小麦生长期的区域土壤水分定量预报和灌溉管理服务, 具有很好的使用和推广前景。     

小麦作物光合生产模拟研究

以生物学原理为基础，建立了小麦干物质增长的动态模式。该模式考虑了小麦株型、群体光分布、群体光合作用、呼吸作用及同化物分配。输入简单易测的因子，可计算得到光合速率值、群体光分布特征值、群体光合量、呼吸作用速率以及分部位干物重量等，其计算值与这关测值较吻合。     

基于数值模拟和统计分析及智能优化的风速预报系统

风速预报是风力发电研究中的关键问题,也是一个十分困难的问题,其预测、评估技术还有待进一步提高.在预测短期风力(提前48～72 h对每小时的风速进行预测)时,通常采用数值天气预报模型进行预测.然而,初始扰动和模式物理过程的不确定性会影响气象数值预报的精度.将为数值天气预报模式提出一种新的后处理优化方法作为主要的思路,利用数据挖掘得到的关联规则来优化气象数值预报的结果,在中尺度模式WRF对风电场风速进行预报的基础上,将模式预测与统计分析及智能优化算法相结合,针对中国风电场的气候特征,利用一种新的修正模式误差的方法,极大地提高了风电场风速预报精度,提出了适合中国风力发电场的有效风速预报系统方案.     

温度对夏玉米光合生产力影响的数值模拟研究

利用美国Licor-6200便携式光合作用仪测定了夏玉米光合作用速率，给出了叶片光合作用模型，建立了夏玉米冠层光温生产力数值模式，阐明了日平均气温与冠层群体光合作用之间的相对确定性关系，并提出了光合等效温度的概念及计算方法。在此基础上，推导出温度对群体光合作用影响的函数表达式，使温度订正函数f (T)不再是简单的假设，而是建立在较为严格的理论基础之上，从而实现了光合模型的时间尺度转换，为更准确地建立生态动力模型及农业气候资源数值模型提供了前提条件。     

冬小麦群丛反射率农业气象数值模拟研究

运用农业气象学、气象学等理论建立了一个冬小麦群丛反射率农业气象数值模式。模式由辐射日变化反演、土壤反射率日变化反演以及植被反射率模拟等子模式耦合而成,运用该模式可以利用常规气象资料对冬小麦群丛反射率日变化进行较准确的模拟,实测验证结果表明模拟最大相对误差为12．1％,平均相对误差为6．3％,该模式为进一步估算农田热量平衡以及进行农业微气象研究提供了理论方法,并可充当作物生长数值模式中的一个子模式。     

高温干旱地区大豆复播及间作丰产研究

在高温干旱的吐鲁番盆地,大田复播大豆被视为“禁区”.吐鲁番农业气象试验站通过大豆播种配套技术的研究和立体式栽培格式的研究,既解决了大豆出苗难的问题又迎合了大豆的生育习性,终于获得了在高温干旱地区复播大豆及间作丰产的成功.     

近地层大气臭氧对作物光合作用影响的数值模拟研究

近地层O3浓度增加对作物光合产生不利影响,因此,利用TE-49C型臭氧自动观测仪对常熟农田上方O3浓度进行了逐时测定,同时利用OTC-1型农田开顶式气室,测定了不同O3浓度对冬小麦叶片光合作用的影响.在此基础上,首次建立了O3对冬小麦光合作用影响的数值机理模式,模式分辨率达到瞬时时间尺度,空间积分采用Ross方案,具有较高分辨率和准确度.对O3浓度观测表明:O3浓度逐时值变化在0～160×10-9之间,相比之下日平均值变化较小,仅在5×10-9～60×10-9之内;长江中下游地区农田上方O3存在三种典型日变化形式:高浓度单峰型、高浓度多峰型和低浓度平缓型.数值分析表明:全晴天状况下高浓度单峰型对光合作用日总量影响最大.数值敏感分析表明:O3浓度和辐射同步变化时,随着日总辐射量的加大,臭氧浓度增加对光合作用的影响程度逐渐加强.全生育期积分表明:水肥适宜时,由于O3影响冬小麦光合总损失量约为9.22%.     

冠层CO2分布廊线的农业气象数值模拟研究

本文将农田微气象模式与冬小麦冠层光合模式进行耦合，建立了一个具有较强机理的冬小麦冠层CO2分布廓线模式，冠层光合模式中考虑了气孔对叶片光合的调节作用，具有明确的生物学意义，实测资料验证表明，模式可以较准确地模拟拔节期冬小麦冠层CO2分布状况，平均相对误差为6．47％，数值分析表明：当冬小麦冠层风速为1m/s时，CO2廓线弯曲最为明显，随着风速加大，CO2廓线弯曲程度变小，CO2浓度升高后风速对廓线影响的基本规律没有发生改变，但是冠层中CO2浓度差将进一步加大。     

NUMERICAL SIMULATION OF THE INFLUENCE OFO3,CO2 AND SPECTRUM VARIATION ON THE PHOTOSYNTHESIS OF CROP CANOPY*

Coupled the photosynthesis with transpiration and adjustment of stoma,a dynamic ecological model for simulating the canopy photosynthesis of winter wheat was established by scaling up from the biochemical scale to canopy scale,in which the effects of O₃,CO₂ and solar spectrum on crop photosynthesis were fully considered.Validation of the model against the data measured with CI-301PS portable photosynthesis analyzer showed that the leaf photosynthesis model passed the correlation significance test and had a fairly high accuracy.Numerical analysis showed that the canopy photosynthesis rate would be reduced by 29% if the O₃ concentration increases from 0 ppbv to 200 ppbv,whereas the canopy photosynthesis rate would increase by about 37% while the CO₂ concentration increases from 330 ppmv to 660 ppmv,and the canopy photosynthesis rate would be reduced by 27%0 or so under the condition that the spectrum coefficient changed from 0.5 to 0.4.If the O₃ concentration reached 200 ppbv at noon on the typical sunny day with higher radiation,the canopy photosynthesis will be reduced slightly in the suburb area where the pollution is serious and the photochemical fog is easy to be formed,contrast with that in the clear region and regardless of the climate change,due to the fact that the positive effect of CO₂ on crop photosynthesis can not compensate the negative effect of O₃ on crop photosynthesis.The canopy photosynthesis will be reduced by 35% or so than the BASE value at present,when the spectrum of photosynthetic active radiation(PAR) reduces to 0.4 or so.     

O3,CO2浓度及太阳光谱变化对作物光合作用影响的数值模拟研究

对光合作用 蒸腾作用 气孔调节进行耦合 ,从生物化学尺度扩展至冠层尺度 ,发展了一个冬小麦冠层光合作用生态动力模式 ,模式考虑了O3,CO2 和光谱变化对作物光合的综合影响。利用美国光合作用实测资料对模式进行验证 ,叶片模式通过了相关显著性检验并具有较高的准确度。数值分析表明 :当O3 浓度由 0× 10 -9V/V上升至2 0 0× 10 -9V/V时 ,冠层光合速率下降 2 9%左右 ;当CO2 浓度由 330× 10 -6V/V上升至 6 6 0× 10 -6V/V时 ,冠层光合速率增加大约 37% ;当光谱比例系数由目前的 0 .5下降至 0 .4时 ,冠层光合速率将下降 2 7%左右。对于污染严重、易发生光化学烟雾的城郊附近 ,在阳光强烈的典型晴天 ,中午O3 浓度达到 2 0 0× 10 -9V/V时 ,即使气候条件不发生改变 ,CO2 浓度对作物光合作用的正效应也不足以弥补O3 浓度升高所造成的负效应 ,冠层光合速率将比目前干洁地区略有下降 ,如果进一步考虑光合作用有效辐射光谱成分下降至 0 .4左右 ,冠层光合作用将比目前的BASE值下降 35 %左右。     

Numerical Simulation Experiment of Land Surface Physical Processes and Local Climate Effect in Forest Underlying Surface

Based on the basic principles of atmospheric boundary layer and plant canopy micrometeorology, a forest underlying surface land surface physical process model and a two-dimensional atmospheric boundary layer numerical model are developed and numerical simulation experiments of biosphere and physiological processes of vegetation and soil volumetric water content have been done on land surface processes with local climate effect. The numerical simulation results are in good agreement with realistic observations, which can be used to obtain reasonable simulations for diurnal variations of canopy temperature, air temperature in canopy, ground surface temperature, and temporal and spatial distributions of potential temperature and vertical wind velocity as well as relative humidity and turbulence exchange coefficient over non-homogeneous underlying surfaces. It indicates that the model developed can be used to study the interaction between land surface process and atmospheric boundary layer over various underlying surfaces and can be extended to local climate studies. This work will settle a solid foundation for coupling climate models with the biosphere.     

Large-Eddy Simulation of Flow Over a Vegetation-Like Canopy Modelled as Arrays of Bluff-Body Elements

Turbulent flow over a vegetation canopy under neutral atmospheric conditions is investigated using large-eddy simulation. Each model tree, which consists of a sphere-shaped tree crown and a cylindrical trunk, is fully resolved. The resulting turbulence statistics and the drag force on the vegetation agree well with measurements from the corresponding wind-tunnel experiment described by Böhm et al. (Boundary-Layer Meteorol, 146:393–419, 2013). Statistically, this kind of model canopy exhibits both vegetation and bluff-body-flow characteristics. The time-averaged flow skims over the top of the underlying canopy, forming a low-momentum recirculation zone on the lee-side of the bluff elements, which causes significant dispersive stress within the canopy layer. Two other numerical representations of vegetation canopies, referred to as the drag-element and drag-crown approaches, have also been developed to assess the performance of simulations. Turbulence statistics suggest that the canopy shear layer interferes with wakes behind stems and crowns. The drag-crown approach yields better agreement between numerical results and experimental measurements than does the traditional drag-element approach, thus providing a promising numerical model for simulating canopy turbulence.     

森林下垫面陆面物理过程及局地气候效应的数值模拟试验

文中基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理 ,建立了一个森林植被效应的陆面物理过程和二维大气边界层数值模式。并应用该模式进行了植被和土壤含水量等生物和生理过程在陆面过程和局地气候效应方面的数值模拟试验。所得数值模拟试验结果与实际情况相吻合。结果表明 ,应用该模式可获得植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征 ;森林下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和日变化特征。该模式还可应用于不同下垫面 ,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其局地气候效应的研究 ,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础。     

基于碳水通量耦合原理改进Penman-Monteith蒸散发模型

陆地蒸散(ET)涵括地表和潮湿叶片的蒸发和植物的蒸散发,是陆地水循环的重要组成部分。Penman-Monteith方程是估算陆地蒸散的重要方法,方程中的叶片或冠层气孔导度是提高估算精度的关键因子。根据碳水循环的耦合原理,植物光合作用模型可用于估算叶片或冠层气孔导度。植物光合作用模型可分为三类:1)使用总冠层导度的大叶模型(BL),2)区别阴、阳叶冠层导度的双大叶模型(TBL),3)区别阴、阳叶叶片导度的双叶模型(TL)。与这三类光合作用模型相对应,衍生出基于不同导度计算方法的三种蒸散估算模型。三种蒸散模型之间的主要区别在于是否进行从叶片尺度到冠层尺度的气孔导度集成。这三种模型中,双叶模型使用叶片尺度的气孔导度,集成度最低。反之,大叶模型使用冠层尺度的气孔导度,集成度最高。由于在Penman-Monteith中,蒸腾和气孔导度之间的关系是非线性的,气孔导度的集合会导致负偏差。因此,与通量测量相比,大叶蒸散模型的估算偏差最大,而双叶蒸散模型的估算偏差最小。     

Calibration of a land-surface model using data from primary forest sites in Amazonia

Summary A land-surface model (MOSES) was tested against observed fluxes of heat, water vapour and carbon dioxide for two primary forest sites near Manaus, Brazil. Flux data from one site (called C14) were used to calibrate the model, and data from the other site (called K34) were used to validate the calibrated model. Long-term fluxes of water vapour at C14 and K34 simulated by the uncalibrated model were good, whereas modelled net ecosystem exchange (NEE) was poor. The uncalibrated model persistently underpredicted canopy conductance (g _c ) from mid-morning to mid-afternoon due to saturation of the response to solar radiation at low light levels. This in turn caused a poor simulation of the diurnal cycles of water vapour and carbon fluxes. Calibration of the stomatal conductance/photosynthesis sub-model of MOSES improved the simulated diurnal cycle of g _c and increased the diurnal maximum NEE, but at the expense of degrading long-term water vapour fluxes. Seasonality in observed canopy conductance due to soil moisture change was not captured by the model. Introducing realistic depth-dependent soil parameters decreased the amount of moisture available for transpiration at each depth and led to the model experiencing soil moisture limitation on canopy conductance during the dry season. However, this limitation had only a limited effect on the seasonality in modelled NEE.