北方农牧交错带春小麦生育期对气候变化的响应——以内蒙古武川县为例

北方农牧交错带是气候变化的敏感地带,研究气候变化对农业生产的影响规律与农业生产的响应特征,对促进北方农牧交错带的农业可持续发展具有重要意义。以北方农牧交错带代表性站点--武川县为例,基于1960-2009年气象观测数据和1992-2010年春小麦农业气象观测数据,研究了气候变化与春小麦生育期变化之间的相互关系。结果表明,武川县1960-2009年年平均气温每10年升高0.43℃,春季稳定通过0℃的初日每10年提前0.98 d,当地满足春小麦播种温度的日期有提前的趋势,秋季稳定通过0℃的终日每10年推迟0.24 d,生长季具有延长趋势;1992-2010年作物生长季（4-8月）0～10 cm、10～20 cm土壤相对湿度有明显下降趋势,平均每10年分别下降18%和13%;播种期与0～10 cm和10～20 cm土壤相对湿度呈现显著负相关关系,表现为土壤相对湿度每降低1%,播种期分别推迟0.2 d和0.3 d;各生育期与播种期一样,受温度与水分综合作用的影响,不同生育期与二者之间关系不同,各生育期之间持续日数与二者呈正相关关系。研究得出,春小麦生育期的变化是各气侯因素综合作用的结果,在北方农牧交错带,水分对农作物生长发育具有较大影响,直接影响着春小麦的各个生育过程。     

黄淮海平原典型冬小麦农田生态系统能量平衡研究—以封丘地区为例

本文以位于黄淮海平原的中科院封丘农业生态试验站冬小麦农田生态系统为研究对象,基于2013年10月至2014年6月涡度相关和自动气象站观测资料,利用涡度相关法和相关性分析法对黄淮海平原典型冬小麦各生育期的能量平衡特征进行了分析,揭示冬小麦农田环境气象要素与各分支通量之间的相关关系。结果表明:黄淮海平原典型冬小麦各生育期能量分配的特征不同,出苗期潜热仅占净辐射的40%,拔节期和抽穗期潜热占净辐射的比重均高达80%以上,其他生育期潜热占净辐射的比重均为55%以上。播种期和出苗期显热通量占净辐射的比重最大,均可达50%以上;分蘖期及其后生育期显热通量占净辐射的比重均为35%及以下,拔节期和抽穗期显热通量占净辐射的比重最小,仅为10%左右;随着冬小麦的生长,显热通量占净辐射的比重基本呈下降的趋势。冬小麦各生育期土壤热通量的区别不明显,越冬期土壤热通量占净辐射的比例为15%,其余各生育期土壤热通量占总能量的比例均为10%以下。冬小麦各生育期的能量闭和度均较高,出苗期能量闭合度为83%,分蘖期能量闭合度为90%,返青期以后生育期的能量闭合度均为90%及以上。2013—2014年封丘地区冬小麦各生育期气温与各通量之间呈正相关关系,相对湿度与各通量之间呈负相关关系;冬小麦生育期土壤温度与土壤热通量之间的相关系数为0.5左右,土壤温度与净辐射、潜热、显热之间无显著相关性;土壤含水量在冬小麦播种期、返青期与各通量的相关系数均为-0.5,其他生育期土壤含水量与各通量无明显相关性。     

季节性冻结高寒泥炭湿地非生长季甲烷排放特征初探

高寒泥炭湿地是重要的大气甲烷(CH_4)排放源。由于高寒湿地非生长季的气候条件极其恶劣,过去的原位观测研究大多集中在生长季,致使迄今仍对季节性冻土区高寒泥炭湿地的非生长季CH_4排放缺乏充分认识。以地处青藏高原东北部的若尔盖地区典型湿地为例,采用静态暗箱—气相色谱人工观测方法,开展了跨越冬、春季和初夏季连续9个月的原位观测研究,试图了解该湿地的非生长季CH_4排放特征及其相对重要性。结果与初步结论如下:(1)整个观测期间上午09:00(北京时间,下同)至11:00时段在6个空间重复位置的CH_4通量平均值介于0.1~1.0 mg C m~(-2) h~(-1);(2)非生长季也发生着较强CH_4排放,且温度响应系数Q_(10)(18.1~29.8)远远大于生长季(1.4~2.2),这意味着非生长季的CH_4排放对气候变暖更加敏感;(3)结合其他生长季的观测结果,对观测数据的外推估计,该湿地的CH_4年排放量约为29.4 kg C ha~(-1) a~(-1),其中非生长季的贡献率高达50%以上;(4)观测期的CH_4通量具有明显季节变化,可解释为温度季节变化、土壤冻结与消融过程、水位(或土壤湿度)季节动态和植物生长节律等共同作用的结果;(5)CH_4排放年通量在湿地三种微地形之间呈现出显著差异,即凸起处相对最弱,凹陷处相对最强(p0.05),这主要是水位(或土壤湿度)、植物分布等因素的空间差异所致;(6)考虑到三种微地形在整个湿地的面积占比时,凸起处、凹陷处和过渡带对整个湿地CH_4排放年通量的贡献率依次大约为16%、11%和73%。不过,本研究中原位观测的持续时间相对较短,上述结果或结论能否在年度或更长时间尺度上重现,还需要长期连续观测研究加以检验。     

四川盆地丘陵区地表显热通量分析

利用2000~2007年四川省乐至县大口径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)观测资料,对比分析了降水日与非降水日、干旱日与非干旱日地表热量通量的时间变化特征。分析结果表明:非降水日显热通量具有明显的日变化特征,最大值出现在13:00左右,降水日显热通量的日变化受降水影响,降水使显热通量减小;非降水日的月平均显热通量有2个峰值,分别出现在5月和8月,最小值在1月;降水日也有2个明显的月平均显热通量峰值,它们是4月和7月,12月最小;夏秋交替的9月非降水日与降水日的显热通量差异最大;干旱日和非干旱日的显热通量都是1月最小,干旱日8月显热通量最大,非干旱日是4月最大;6~10月干旱与非干旱日的显热通量具有明显差异;干旱越严重的月份,月平均显热通量越偏大;相同时次的显热通量平均值,干旱日较非干旱日的明显偏大。      

辽宁参考作物腾发量变化特征及成因分析

利用1961-2020年辽宁地区62个国家级气象观测站生长季的逐日气象观测数据,采用Penman-Monteith公式计算了辽宁地区参考作物腾发量（ET0）,利用ArcGIS的克里格插值法、M-K检验分析了辽宁地区生长季ET0的时空分布特征,对影响ET0变化的成因进行了分析。结果表明,近60年辽宁地区生长季参考作物腾发量呈现由西北向东南递减的变化趋势;ET0在1961-2010年呈下降趋势,2011-2020年呈升高趋势,生长季多年平均ET0变化趋势表现为波动下降趋势;生长季内ET0对相对湿度的响应最为敏感,为负效应。ET0对风速和温度变化的响应敏感性相对较小,为正效应。湿度的敏感系数绝对值明显高于风速和温度,7月份达到峰值;多年相对变化率绝对值最大的是风速,其次是温度和相对湿度;三个气象要素对ET0贡献最大的是风速,温度和湿度对ET0的正贡献不及风速的负贡献,综合敏感性和贡献两方面因素分析,风速的变化趋势为ET0呈下降趋势的主导因子。     

不同下垫面大孔径闪烁仪观测数据处理与分析

大孔径闪烁仪是近年兴起的测量大尺度（500 m~10 km）地表通量的仪器。北京师范大学等单位分别于2002年、2004年在北京昌平小汤山开展了大孔径闪烁仪短期观测实验, 2006年6月又在北京密云建立了长期观测站。利用这些数据, 对大孔径闪烁仪观测数据进行处理与分析, 结果表明:闪烁仪光径高度和风速是影响观测显热通量的关键因子。当地表粗糙元的高度变化相对于光径高度不可忽略时, 零平面位移需要精确确定。波文比在湿润地表需要准确确定, 而气温、气压和动力学粗糙度则为不敏感因子。计算中所需的大气稳定度可用理查孙数判断, 也可借助日出日落时间或净辐射观测值确定。稳定条件下的普适函数目前无统一表达式, 可采用仪器说明书推荐的函数。通过几个站点闪烁仪观测显热通量与涡动相关仪测量值的比较表明:大孔径闪烁仪在均匀和非均匀地表都能得到合理的显热通量观测值。     

内蒙古近50年生长季日照时数变化特征

内蒙古生长季日照时数明显减少的趋势会对当地的农业生产有不利的影响.通过分析内蒙古自治区20个气象站1961-2010年生长季日照地面观测资料,用最小二乘法、累积距平、滑动t检验等方法分析了内蒙古地区近50年生长季的日照时数变化特征,揭示其主要的变化规律.结果表明:①内蒙古生长季近50年日照时数呈减少趋势,中部地区减少速率最大(-29.4 h/10a),西部地区其次(-19.10h/10a),东部地区最小(-14.7 h/10a).②内蒙古生长季日照时数在1978年附近存在一次显著突变,表现为日照时数的急剧减少;但其在减少的过程中有两次微弱的反弹.③生长季各月的日照时数变化趋势基本一致,呈现为不同速率的减少趋势.其中6月减少最多,其次是5、9、7、8月,4月减少最慢.     

宁夏热量资源气候变化的EOF特征

对宁夏20个测站1961-2004年大于等于0℃、5℃、10℃积温的EOF分析表明,随着全球气候变暖,宁夏积温增加,生长季延长。大于等于0℃、5℃积温的时空变化基本一致,1997-2004年表现为连续偏多的趋势。20世纪80年代中期以前,大于等于0℃积温偏少,之后偏多。大于等于5℃积温转折时间推迟到90年代中期,之前积温偏少,之后相反。大于等于10℃积温分两种,60.1%的年份表现为整体偏多或偏少,31.6%的年份以中宁、盐池一线为分界线,南北表现为相反的趋势。生长季具有明显的年代际变化特征,生长季呈逐渐延长的趋势,每10年增加3.8天,尤其是进入21世纪以来,头4年的平均值比20世纪60年代增加14.9天。     

太阳总辐射气候学计算及其特征分析

利用气候学计算方法 ,得到近40a灯塔太阳总辐射资料 ;在此基础上 ,分年、春、夏、秋、冬、生长季 6个时段 ,系统分析了当地太阳总辐射的分布特征。     

基于ＳＥＢＡＬ模型在城市地表通量反演的应用

利用ETM＋及少量地面观测数据,基于SEBAL模型,反演了武汉市2002年7月22日的显热通量和潜热通量。研究结果表明：显热通量和潜热通量的分布与下垫面类型分布相对应,其中城镇、工矿下垫面以显热交换为主,草地、林地、水体等下垫面以潜热交换为主;显热通量和潜热通量的分布能够清晰指示城市热岛分布状况,适当增加城区中绿地和水体,可增大潜热通量,减缓城市热岛效应。     

北非和青藏高原感热振荡特征及与我国东部夏季降水的关系

利用EOF方法,分析了NCEP/NCAR 1948—2002年再分析资料中月平均全球地面感热资料,揭示了北非和青藏高原感热的振荡特征。分析了振荡关键区的感热距平与我国东部51个测站1951—2000年汛期降水距平的相关关系,用SVD方法分析了关键区感热距平场与我国东部51个测站全年各月降水距平场的空间耦合和时滞关系及关键区感热异常对我国东部降水异常的影响。结果表明,北非和青藏高原两个区域的感热变化呈负相关,它们对我国华北、江淮和华南三个区域的汛期降水滞后影响明显。感热对我国降水的影响以年代际为主。     

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.     

青藏高原中部季节冻土区地表能量通量的模拟分析

利用“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验(CAMP/Tibet)”中那曲地区BJ站2002年8月1日\_2003年8月31日的观测资料作为水热耦合模式(Simultaneous Heat and Water, SHAW)的强迫场,对青藏高原中部季节冻土区地表能量通量特征进行了单点模拟研究。通过对实测值与模拟结果的对比分析,发现SHAW模式能较成功地模拟该地区地表能量通量特征, 短波净辐射和长波净辐射的模拟值与观测值吻合较好, 净辐射和土壤热通量在夏半年的模拟值与观测值也吻合,但相对夏\, 秋季而言,它们在冬\, 春季的模拟值较观测值略偏大。模拟的感热和潜热通量的季节变化比较合理,由模拟的感热和潜热通量计算的Bowen比能较好地解释不同季节太阳辐射的能量转化。     

城市化对北京一次极端降水过程影响的数值分析

通过敏感性试验探讨了城市化对北京2011年6月23日局地极端降水事件的影响.结果表明耦合了城市冠层模式的WRF系统能较好地模拟出强降水的局地性和突发性特征,考虑了精细下垫面分类的敏感性试验模拟降水更接近实况;下垫面城市化对地表能量平衡影响明显,对大气的热量影响除加强地表对边界层大气向上感热输送外,还会减少局地地表蒸发及大气水分供应,增加边界层高度,并对移经本地的天气系统强度及水汽输送产生较明显的影响.     

春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响和预测作用

利用1980-2012年青藏高原中、东部71个站点观测资料、全中国756站的月降水资料、哈得来中心提供的HadISST v1.1海温资料以及ERA-Interim再分析资料,综合青藏高原的感热加热以及全球海温,研究了春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响,并建立预报方程,探讨了青藏高原春季感热对中国降水的预报作用。结果表明,青藏高原春季感热与中国东部降水关系密切,青藏高原春季感热异常增强伴随着长江流域中下游同期降水增多,后期夏季长江流域整流域降水也持续偏多,华南东部降水偏少。春季青藏高原感热的增强与环北半球中高纬度的罗斯贝波列密切相关,扰动在北太平洋形成的反气旋环流向西南方向延伸至西北太平洋,为长江流域输送大量的水汽,有利于降水的发生。夏季,伴随着前期青藏高原感热的增强,南亚高压位置偏东,西北太平洋副热带高压（西太副高）位置偏西偏南,西太副高北侧为气旋式环流异常。在西太副高的控制下,华南东部降水减少;西太副高西侧的偏南气流为长江流域带来大量水汽,并与来自北部气旋式环流异常西侧的偏北风发生辐合,降水增多。青藏高原春季感热异常是华南和长江流域夏季降水异常的重要前兆信号。加入青藏高原春季感热后,利用海温预报的华南、长江流域夏季降水量与观测值的相关系数有所提高,预报方程对区域降水的解释方差提高约15%。      

Using MODIS and AVHRR data to determine regional surface heating field and heat flux distributions over the heterogeneous landscape of the Tibetan Plateau

In this study, a parameterization methodology based on Advanced Very High-Resolution Radiometer (AVHRR), Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), and in situ data is proposed and tested for deriving the regional surface heating field, sensible heat flux, and latent heat flux over a heterogeneous landscape. In this case study, this method is applied to the whole Tibetan Plateau (TP) area. Four sets of AVHRR data and four sets of MODIS data (collected on 17 January 2003, 14 April 2003, 23 July 2003, and 16 October 2003) were used in this study to make comparisons between winter, spring, summer, and autumn values. The satellite-derived results were also validated using the “ground truth” as measured in the stations of CAMP/Tibet (Coordinated Enhanced Observing Period (CEOP) and Asia–Australia Monsoon Project on the Tibetan Plateau). The results show that the surface heating field, sensible heat flux, and latent heat flux in the four seasons across the TP are in close accordance with its land surface status. These parameters range widely due to the strongly contrasting surface features found within the TP region. Also, the estimated surface heating field, sensible heat flux, and latent heat flux all agree with the ground truth data, and usually, the absolute percentage difference between the two sets of data is less than 10 % at the validation stations. The AVHRR results were also in agreement with the MODIS data, with the latter usually displaying a higher level of accuracy. We have thus concluded that the proposed method was successful in retrieving surface heating field, sensible heat flux, and latent heat flux values using AVHRR, MODIS, and in situ data over the heterogeneous land surface of the TP. Shortcomings and possible further improvements in the method are also discussed.     

Regional differences in surface sensible and latent heat fluxes in China

This study documents the variability of surface sensible and latent heat fluxes in five regions of China (Northwest China, the Tibetan Plateau, Northeast China, North China, and Southeast China) using the ERA-40 reanalysis for the years 1960–2000. The surface sensible and latent heat flux variations are remarkably different in Northwest and Southeast China. The seasonal variation of the surface sensible heat fluxes is largest in Northwest China and smallest in Southeast China. In contrast, the seasonal variation in latent heat flux is largest in Southeast China and smallest in Northwest China. The interdecadal variation of surface sensible and surface latent heat fluxes strongly depends on both the region and season. The trends in surface sensible and latent heat fluxes in all four seasons are mainly caused by variations in both the land–air temperature difference and in the specific humidity. There is also a limited contribution of wind speed in some regions, depending on the season.     

鼎新戈壁下垫面近地层小气候及地表能量平衡特征季节变化分析

利用在甘肃酒泉金塔地区进行的 “绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究” 野外试验中的鼎新戈壁下垫面近地层2年的微气象观测资料, 分析了鼎新戈壁下垫面近地层小气候和能量平衡特征的季节变化规律。结果表明: 鼎新戈壁地区四季的平均风速在2～6 m/s之间, 没有明显的地方性风, 局地环流和局地相互作用可忽略; 冬季8 m向上比湿梯度垂直减小, 其他季节接近等比湿分布。7月, 典型晴天天气下, 能量平衡各量表现出标准的日循环形态, 白天感热通量峰值达到574 W/m2, 地热流量峰值为101 W/m2, 潜热很小, 在夜间和正午时刻存在负水汽输送现象; 然而降水天气下, 地气之间能量传输却以潜热蒸发为主, 感热很小, 地热流量为负值; 无论晴天和阴天, 地表和浅层 (5 cm和10 cm) 土壤温度都表现为准正弦曲线变化; 与敦煌戈壁相同, 土壤温度的活动层基本在10 cm范围以内, 40 cm以下地温已不存在日变化特征; 降水天气下, 地表和浅层土壤温度有随时间减小的趋势。能量平衡各分量均具有明显的季节变化规律, 感热通量季节平均的峰值在250～400 W/m2之间, 在夏季最大, 冬季最小; 潜热通量季节平均的最大值只有15 W/m2; 地气之间能量传输全年都以感热输送为主; 云和降水使夏季能量平衡各分量与晴天相比减少25％左右, 这种影响程度比极端干旱的敦煌荒漠戈壁地区稍大, 而小于半干旱的陇中黄土高原地区。另外, 在这一地区干旱情况很严重, 夏季的Bowen比极值达到62.4, 季节平均值也高达16.5。     

甘肃马衔山区陆面过程与降水的研究

采用定西的麦田微气象观测,定西、兰州的辐射观测和马衔山区34个气象、水文和雨量站的气候资料,结合NOAA-16卫星的AVHRR资料以及反演的地表植被盖度和反射率,并用SEBAL算法推导出夏季地表净辐射、感热、潜热、土壤热通量密度的区域分布特征,并分析陆面过程对降水的影响。结果表明:本区降水的空间分布与夏季植被盖度对应最好,相关系数高达0.722,其次是土壤热通量和潜热通量,相关系数分别为-0.65和0.615。这表明森林通过降低地表反射率和表面温度,不仅增加地表净辐射,而且减少其用于感热和土壤热通量的消耗。由于林区地表水分多,从而将接收较多的太阳辐射能主要用于蒸散,增加边界层中的水汽。故林区降水远大于植被稀疏的半干旱黄土梁。     

基于OLR资料的青藏高原地区对流活动研究

本文利用1980～2019年美国NOAA系列卫星观测的向外长波辐射（OLR）月平均资料和欧洲中心ERA5月平均地表热通量资料,研究青藏高原（以下简称高原）地区OLR与对流活动的时空分布及其演变特征,以及地表热通量与高原夏季对流活动之间的关系。结果表明:高原地区平均OLR强度由高原周边地区向中部递减,高原东部OLR低于西部,高原东部对流活动显著强于西部;近40年高原OLR总体呈较平稳的增强趋势,存在显著的6年与2～3年的周期特征,对流活动总体呈缓慢减弱趋势,但不同区域不同季节对流活动的变化趋势存在差异,其中夏季高原对流活动呈增强趋势,其他季节则以减弱趋势为主。各季节在高原三江源地区附近对流活动均呈减弱趋势,在高原南部喜马拉雅山脉北侧地区,对流活动则呈一致的增强趋势。夏季高原地表潜热通量普遍强于地表感热通量,且二者分布型近似相反。高原对流活动演变与地表感热、潜热通量均有关,且与地表感热通量的关系更为密切,二者之间普遍存在负相关关系,且在高原西部最为显著;地表潜热通量与高原东西部对流活动间相关呈东西向偶极型分布,在高原西部二者之间存在正相关关系,在高原东部则表现为负相关。