2008年7—9月中国北方不同下垫面晴空陆面过程特征差异

采用2008年7—9月观测的中国干旱/半干旱区实验观测协同与集成研究资料,选取了9个下垫面(包括裸地、草地、森林和农田),分析了中国北方不同下垫面以及不同地区同类下垫面的晴空陆面辐射平衡和热量平衡日变化特征差异。结果表明,不同下垫面以及不同地区同类下垫面的地表辐射和能量过程特征差异明显,而这种差异主要源于下垫面的光学特性、水热特性以及局地陆-气系统中可利用水分的不同。在辐射平衡的比较方面,荒漠沙地发射的长波辐射最大,高寒森林的长波辐射最低,农田下垫面发射的长波辐射总体低于草地;荒漠沙地、草地、农田和高寒森林的反射率依次减弱;荒漠沙地、草地、农田、森林下垫面的净辐射依次增大。在能量平衡方面,荒漠区沙地可利用能量大部分(约80%)用于加热大气,约20%消耗于蒸发和加热土壤;草地下垫面可利用能量中用于加热大气的能量比蒸发水分消耗的能量高,但高寒草甸例外;农田下垫面可利用能量的大部分消耗于蒸发,消耗于加热大气的能量不到20%。水含量越高,潜热通量越大,能量闭合率越低,能量过程也更复杂。     

半干旱雨养农田典型晴天感热、潜热的阶段差异

利用野外试验观测资料，就西北地区东部半干旱雨养农田典型晴天感热、潜热在作物不同生长时段的变化特征进行初步的探讨。结果表明：在作物不同生长阶段，我国西北地区东部半干旱雨养农田典型晴天的感热、潜热日变化特点基本相似，均表现为单峰型变化特征。从春季到夏季。感热的阶段变化表现为增加的趋势，而潜热的阶段变化与晴天前期的降水变化基本一致，呈波动趋势。在农田的地气能量交换中，植被的影响为主导因素时，主要表现为潜热交换方式，太阳辐射的影响为主导因素时主要表现为感热交换方式。农田典型晴天波恩比的阶段变化与晴天前期降水量的阶段变化有较好的反对应关系。降水的季节变化基本决定了农田水分的季节变化。     

黄河源区玛曲土壤冻融过程中地表水热交换特征分析

土壤冻融过程显著影响地表含水量和能量收支变化。利用玛曲2017年8月至2018年7月的土壤温度/湿度、涡动观测资料以及公用陆面模式(Community Land Model,CLM)最新版本CLM5.0的模拟资料,其中冻结过程阶段的辐射和能量通量使用模式模拟的数据,通过分析土壤冻融过程中土壤温湿度、地表能量平衡各分量的时间演变特征,探讨冻融过程中地表水热交换的特征。数据分析表明：(1)土壤冻融过程包括冻结过程、完全冻结、消融过程及完全消融四个阶段,各阶段中的土壤温度/湿度、辐射和能量通量存在明显的日变化,在冻结过程和消融过程阶段,土壤湿度随土壤温度变化显示出明显的日冻融循环。(2)冻融过程通过影响表层土壤水分影响地表辐射收支和能量分配。冻融过程中土壤中的水相变为冰,改变下垫面性质影响地表辐射收支。土壤中的液态水通过相变影响地表潜热通量,完全消融(冻结)阶段,地气之间能量交换以潜热(感热)通量为主。相比于以潜热通量为主的冻结过程阶段,消融过程阶段净辐射通量逐渐增大,地气之间能量交换主要受感热通量影响。土壤中水分的昼融夜冻导致频繁的潜热通量释放影响地表热通量。土壤热通量在冻结过程(G     

气候变化对雨养冬小麦水分利用效率的影响估算

研究气候变化对雨养冬小麦水分利用效率的影响规律,可为农业适应气候变化提供科学依据。通过构建代表站雨养冬小麦产量和土壤水分变化量的模拟方程,分析水分利用效率的历史变化,并结合两种区域气候模式PRECIS和REGCM4.0输出的4种不同气候变化情景资料,估算未来2021—2050年雨养冬小麦水分利用效率的可能变化。结果表明:1981—2010年甘肃、山西和河南代表站的雨养冬小麦水分利用效率呈二次曲线变化趋势,最大值出现在2003年前后。4种气候变化情景的模拟结果均显示:2021—2050年冬小麦全生育期耗水量明显增加,各代表站不同情景平均增加6.2%;产量有增有减,平均产量变化率为1.4%;水分利用效率平均减小3.8%,且变率减小。区域气候模式PRECIS估算的水分利用效率的减小量A2情景大于B2情景,REGCM4.0模式估算的水分利用效率的减小量RCP8.5情景大于RCP4.5情景。整体来看,RCP气候情景对雨养冬小麦水分利用效率的负面影响更大。     

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.     

基于FLUXNET数据集对陆面模式CoLM能量通量的单点评估

模式评估是模式发展中的重要一环。本文利用来自FLUXNET2015数据集的30个站点的涡动相关系统观测数据,重点关注能量通量,对通用陆面模式（Common Land Model version 2014,CoLM2014）在不同典型下垫面的模拟能力进行评估。结果表明,模式总体上能抓住感热、潜热和净辐射通量在日、季节和年平均等不同时间尺度上的变化特征,对感热、潜热和净辐射通量都有较好的模拟能力,净辐射的模拟效果最好,潜热通量次之。季节变化模拟中,感热、潜热通量在夏季不同植被型下站点的空间离散程度大于冬季,不同站点间模拟效果相差较大,净辐射多站点标准差变化幅度要小于感热、潜热,不同站点间模拟效果偏差较小。CoLM在常绿针叶林、稀树林地、草地、农田模拟感热、潜热通量的效果相对较好,在永久湿地、落叶阔叶林下模拟感热通量较差。本研究对CoLM2014在未来的改进和发展中提供了有用的参考。     

锦州地区玉米农田生态系统水汽通量变化特征及其调控机制

基于2014年辽宁省锦州地区雨养玉米农田生态系统涡度相关观测数据,分析了锦州地区玉米农田生态系统水汽通量的变化特征,并结合小气候观测数据探讨了水汽通量的调控机制。结果表明:2014年锦州地区玉米农田生态系统各月水汽通量均呈明显的单峰型变化规律,玉米农田生态系统生长季日平均水汽通量可达非生长季的10.31倍。锦州玉米农田生态系统7月水汽通量最大,日最大水汽通量可达0.1202 g·m-2·s-1。玉米农田年蒸散量为417.37 mm,非生长季蒸散总量为49.57 mm,略大于同期降水量;生长季前期5月和6月玉米农田蒸散量占降水量的比例分别为52.0%、71.0%;7月、8月和9月玉米农田的蒸散量大于降水量,其中7月玉米农田的蒸散量为降水量的3.00倍,而此期间正值玉米开花授粉阶段,水分胁迫严重影响玉米产量。玉米农田生长季的水汽通量与净辐射存在显著的正相关关系,同时水汽通量在一定程度上受气温和饱和水汽压差的调控影响。     

黄土高原不同作物下垫面陆气水热交换的模拟研究

黄土高原农田种植结构的改变对陆面能量和水分交换、区域蒸散发等产生影响,不同作物下垫面复杂的水热耦合机制在黄土高原陆-气相互作用中起着重要作用。本文利用陇东黄土高原2019-2021年共计34个月的观测数据,结合耦合了作物模块的通用陆面模式(Community Land Model with BGC Biogeochemistry and prognostic crop,CLM5.0-BGCCROP)对黄土高原不同作物下垫面(冬小麦、玉米、苹果林地)的陆面特征进行离线单点模拟,以验证CLM5.0陆面过程模式在黄土高原农田地区的模拟能力,对比分析不同作物下垫面土壤温湿度和地表能量通量的差异。结果表明：(1)CLM5.0对土壤温湿度特征的模拟效果较好,平均均方根误差分别小于2.5℃和0.1 m³·m^-3,小麦地土壤温度模拟值偏高,玉米地和苹果林地土壤温度模拟存在冷偏差。生长期在旱期的冬小麦造成土壤干燥的程度大于玉米,苹果林地因根系丰富,吸收了更多的土壤水,使土壤整体更加干燥。(2)模拟偏差一部分是由于在模式中将作物下垫面设置为单一作物类型(冬小麦、...     

陆面过程模式CLM4.5在半干旱区退化草原站的模拟性能评估

利用国际协同强化观测期(CEOP)在中国半干旱区退化草地站——通榆站的观测资料,对一个较为完善的陆面过程模式NCAR_CLM4.5(Community Land Model 4.5)的模拟性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比表明,CLM4.5能很好地模拟出观测站点的辐射通量、水热交换、土壤温湿的空间分布和时间变化特征。但地表吸收的辐射模拟值略低,土壤湿度偏低,地表吸收的辐射及土壤温度等日变化略大;大气强迫变量处于某些特定的形势下时,模拟存在较大误差,如8月底的模拟。此外,冬季辐射通量、水热交换以及土壤温湿的模拟均存在较大误差,说明CLM4.5模式在冬季地表物理过程的参数化方案上需要进一步改进。     

一次华南—江南持续暴雨的大尺度水汽场和中尺度特大暴雨模拟诊断分析

按天气学方法,对2010年6月华南—江南持续暴雨作大尺度水汽场诊断分析,同时用三重嵌套WRF中尺度模式,模拟6月19—20日"高空槽-西南涡-切变线-低空急流"系统造成的江南特大暴雨过程,并且对模拟中尺度暴雨雨带和雨团作高时空分辨率诊断分析。诊断物理量包括:可降水量、对流可降水量、水汽及云水、云冰通量和通量散度、水汽权重平均风速、凝结函数降水率等。模拟与诊断分析表明,华南江南持续性暴雨大尺度水汽场特征是,因东亚"中高纬度正距平中低纬度负距平副高偏强偏西季风槽异常活动",造成孟加拉湾和南海上空的大尺度水汽进入大陆;中尺度特大暴雨发生在上游区有暖湿急流、并处于风场辐合的"水汽+云水+云冰"(总水物质)饱和高值区;因凝结函数降水率和总水物质通量散度降水率均为风场(散度场)中垂直运动产物,模拟的凝结函数降水率随模式时空分辨率提高而逐渐逼近于模式的显式降水物理过程,当模式分辨率达到4 km,可模拟出"西南涡切变线"系统中,有凝结函数降水率为1~3 mm·min~(-1)的中尺度雨团生消;且模式大气中的云水、云冰碰并增长降水率,可用其通量散度描述,并且应与凝结函数降水率相叠加。从而表明,模拟中尺度雨带和雨团发生、发展的天气学动力因素,只能是天气系统风场,即是模式的高时空分辨率散度场决定模式大气垂直运动,进而决定凝结函数降水率和总水物质通量散度降水率,它们一起构成了模式显式降水(率)。     

黄河源高寒草原下垫面土壤冻融过程中陆-气间的水热交换特征分析

高寒草原水热交换的季节性特征显著,土壤冻融过程对地-气水热交换有着重要的影响.本文利用黄河源区汤岔玛小流域2014年5月至2015年5月陆面过程观测数据,将土壤冻融过程划分为完全融化(TT)和完全冻结(FF)两种状态与融冻(T-F)和冻融(F-T)两个过程,并分析了期间高寒草原下垫面净辐射、感热通量、潜热通量和地表热通...     

高寒草甸生态系统陆地生物圈模式研究及应用

改进了适合于高寒草甸生态系统的陆地生物圈模式，分析了模式中温度变化与水分运动分层的物理原因，说明了气候状况对地表面能量交换的影响，给出了净辐射和蒸散量新的计算方法，提出了有限差分计算中具有二阶精度的Euler隐式格式，介绍了中国科学院海北高寒草甸生态站的气候概况和野外观测情况。最后利用本模式对高寒草甸生态站地区的土壤－－植被－－大气间水热交换过程进行了数值模拟，模拟值与实测值吻合较好。     

A Variational Method for Estimating Near-Surface Soil Moisture and Surface Heat Fluxes

A variational data assimilation method is proposed to estimate the near-surface soil moisture and surface sensible and latent heat fluxes.The method merges the five parts into a cost function,i.e.,the differences of wind,potential temperature,anti specific humidity gradient between observations and those computed by the profile method,the difference of latent heat fluxes calculated using the ECMWF land surface evaporation scheme and the profile method,and a weak constraint for surface energy balance.By using an optimal algorithm,the best solutions are found.The method is tested with the data collected at Feixi Station (31.41°N,117.08°E) supported by the China Heavy Rain Experiment and Study (HeRES) during 7-30 June 2001.The results show that estimated near-surface soil moistures can quickly respond to rainfall,and their temporal variation is consistent with that of measurements of average soil moisture over 15-cm top depth with a maximum error less than 0.03 m~3 m~(-3).The surface heat fluxes calculated by this method are consistent with those by the Bowen ratio method,but at the same time it can overcome the instability problem occurring in the Bowen ratio method when the latter is about-1.Meanwhile,the variational method is more accurate than the profile method in terms of satisfying the surface energy balance.The sensitivity tests also show that the variational method is the most stable one among the three methods.     

丘陵区土壤热通量遥感估算模型适应性分析

利用具有丘陵区典型特征的四川省乐至县气象站的土壤热通量和净辐射观测数据,分析了二者的变化特征,并验证了土壤热通量遥感估算模型的适用性。分析结果表明：晴空土壤热通量G与净辐射Rn存在明显日变化,最大值出现13时左右;其比值G／Rn受土壤湿润程度和地表覆盖的影响,地表湿润、覆盖率高,比值小。在干旱时,瞬时比值可高达0．7,而湿润情况,可低至0．05。对目前广泛使用的G／Rn卫星遥感模型估算结果与实测值的对比分析表明,不同的G／Rn卫星遥感估算模型估算结果存在明显的差异,仅依靠植被指数的模型不适合南方丘陵区。本研究认为Bastiaanssen等的模型较适合丘陵区的土壤热通量遥感估算模型。     

麻多高寒湿地冻结过程中土壤热通量变化特征分析

准确量化高寒湿地下垫面冻结过程中土壤热通量的变化特征,对认识高寒湿地—大气间水热交换过程有重要的科学意义。本文利用中国科学院麻多气候与环境综合观测站2014年5月至2015年5月的观测资料,分析了下垫面冻结过程中土壤热通量变化特征,探讨了冻结潜热对土壤热通量的贡献。基于温度积分计算土壤热通量的算法,指出在计算冻结过程中的土壤热通量时,需要同时考虑土壤热通量板以上的土壤热贮存及热通量板以上的冻结潜热。研究表明:（1）冻结锋面形成后,锋面所在深度土壤体积含水量迅速降低,锋面以下土壤热通量接近于零,土壤液态水开始冻结,冻结潜热向上穿过热通量板所在土壤层;降水下渗土壤后冻结所释放的潜热能使次日凌晨5 cm深度土壤热通量接近于零。（2）季节性冻结期,凌晨气温较高时穿过5 cm土壤层的向上土壤热通量很小,可能是由表层土壤发生了日冻融循环所致。土壤水释放的冻结潜热使土壤温度波动减弱并维持在冰点附近。高寒湿地下垫面仅在很浅的表层发生日冻融循环,无法通过5 cm土壤温度资料判断下垫面循环出现日期。（3）加入冻结潜热项,土壤热通量的计算值与实测值之间的均方根误差将会从11.5 W m-2下降到6.2 W m-2。以上研究结果对认识寒区陆面过程有重要的贡献。     

应用涡动相关法计算水热、CO2通量的国内外进展概况

目前涡动相关法被认为是国内外测定CO2、水热通量的最可靠方法。国外应用此方法解决了均匀下垫面假设下森林和农田等生态系统的CO2、水热通量的计算问题，目前致力于非理想下垫面（真实地形）的CO2、水热通量的计算。而国内应用涡动相关技术起步较晚，用此方法测定水热通量已有一定的知识积累，但测定CO2通量还处于资料收集阶段。我国自然生态系统、环境外交和社会经济可持续发展都要求精确查明我国CO2的时空变化特征和动力学机制，这应是今后研究的重点，并提出了应用该方法存在的主要问题及可能的解决方法，指出值得深入研究的领域。     

棉田SPAS水热传输的多层模式

根据能量平衡方程和土壤水热耦合方程，建立土壤－植物－大气系统的多层模式，再综合考虑作物冠层和土壤内部的水热变化，对地表与作物之间的水热传输过程进行了描述，并用棉田的实测资料进行了模拟。     

半干旱榆中地区最小有效降水量及降水转化率的研究

有效降水对于土壤水分的补充和农作物的生长来说是一个很重要的概念。通常认为大于5 mm的降水即为有效降水。但是有效降水的影响因素很多,在不同的地理环境和气候背景条件下,最小有效降水量也会有所不同。利用2006年6月—2011年3月兰州大学半干旱气候与环境观测站资料,从土壤湿度变化的角度出发,根据有效降水的定义,对甘肃榆中地区的最小有效降水量做了初步研究。通过分析该地区不同季节、温度和植被条件下不同土壤深度最小有效降水量,发现5、10、20 cm土壤层的最小有效降水量分别为4、5、8 mm。季节分布上,各层土壤最小有效降水量均为夏季最高,春季和秋季值较为接近。高温年的最小有效降水量高于低温年的值,生长季高于非生长季。在降水超过最小有效降水量并且量级较小时,随着降水量的增大,土壤湿度增量呈指数形式增大,这时降水的转化率也较高;而当降水达到一定量级时,超过了土壤的入渗率,水分以径流的形式损失,土壤湿度增量的变化率减小,降水的转化率也趋于一定值。0—20 cm土壤层降水转化率达到70%。     

均匀裸土地表土壤热通量计算方法对比及对能量闭合的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的观测资料,对6种地表土壤热通量计算方法(Plate Cal法、TDEC法、谐波法、热传导对流法、振幅法和相位法)进行比较,检验了6种方法在不同干湿地表状况下的适用性,并研究了6种方法计算地表土壤热通量的差异以及对地表能量闭合度的影响。结果表明:一般情况下,Plate Cal法计算的2 cm土壤热通量与观测值最接近,计算结果的均方差为6.9 W/m2。在不同干湿地表状况下,干燥和降水条件下适合使用Plate Cal法,计算结果的均方差分别为14.0 W/m2和30.1 W/m2;湿润条件下适合使用谐波法,计算结果的均方差为21.4 W/m2。6种方法计算的地表土壤热通量存在明显差别,最大相差178.6 W/m2,不同方法计算地表土壤热通量的最大差值超过25 W/m2的时次占样本的96.3%。不同方法计算地表土壤热通量的差异对地表能量闭合度的大小有明显影响,但不影响近地层能量闭合度随湍流混合增强而增大的规律。