城市冠层上下大气湍流特征分析

利用兰州市榆中县城市冠层架设的3台涡动相关仪(EC)观测大气湍流资料,分析了城市冠层上下不同下垫面湍流通量和不同风向范围内湍流动能变化特征,之后对城市冠层上下3台EC观测湍流动能最小、最大分布方向上分别对应的最小最大湍流动能的风速谱进行了研究,进一步检验了局地相似理论在城市冠层上下的适用性。结果表明:(1)城市冠层之上水泥、砖石等构成下垫面和城市冠层之内草坪下垫面观测感热通量、摩擦速度较为接近,观测潜热通量、CO2通量在白天差异明显。(2)城市冠层之上的湍流动能总体上大于冠层之内,冠层之上气流来向的上风向较为开阔时湍流动能较大,而冠层之内气流来向的上风向为街道口时湍流动能较大。(3)城市冠层之上的湍涡尺度大于冠层之内,城市冠层小尺度湍涡风速谱在惯性副区基本符合-2/3次方关系,且准各向同性,大尺度湍涡风速谱在惯性副区不符合-2/3次方关系,且各向异性。(4)不稳定层结下,城市冠层上下无量纲速度方差与稳定度基本满足1/3次方局地相似关系,稳定层结下不满足;城市冠层上下无量纲温度、湿度、CO2浓度方差在所有层结下均不满足-1/3次方局地相似关系。(5)近中性层结下,城市冠层上下u、v、w方向无量纲速度方差分别为3.52,3.03,1.49和2.62,2.22,1.50。     

作物冠层气孔阻力与土壤水势关系的研究

利用棉花观测资料分析了气孔阻力与土壤水势的关系，并根据气孔阻力在冠层内的垂直变化，建立棉花冠层内气孔阻力的一元回归方程。由此初步解决了花铃期棉花冠层中气孔阻力的计算问题，而且对于监测棉田土壤水分动态、调节灌溉、进而采限措施减少蕾铃脱落有重要意义。     

基于EC观测估算最小冠层阻力分布及其在潜热通量插补中的应用

准确估计水热通量对于认识和理解地气交换与水循环变化过程具有重要意义。利用Penman-Monteith（P-M）模型计算季节尺度水热通量变化的不确定性很大程度上依赖于与冠层变化相关的最小冠层阻力参数,但模型中通常将其设为定值。为此,本文基于多年通量观测采用分段与整体相结合的迭代算法拟合出最小冠层阻力的季节分布。以湖南省宁乡通量观测站为例,针对2012~2015年观测拟合计算最小冠层阻力的季节分布曲线,并利用2016年通量数据进行独立数据验证。结果表明:最小冠层阻力曲线具有鲜明夏低冬高的季节变化特征;利用拟合的具有季节分布的最小冠层阻力改进潜热通量计算,独立数据验证表明其该方法的合理性;相比于原阻力方案得出的潜热模拟结果,其在相关系数、均方根误差和一致性指数都有改进;此外,将该估计方法应用于水热通量的数据插补,较常规统计插补方法,其插补稳定性不随连续缺失数据的增加而降低,而且还能通过模型的微分误差分析量化由于数据输入带来的插补不确定性,在保持通量数据完整性的同时也为数据应用场景提供科学依据。     

植被冠层湍流代数应力模式

从植被冠层湍流时空平均雷诺应力方程出发，根据植被冠层内有关参数化的准则，建立了湍流代数应力模式，并用玉米和小麦两种作物地的实测资料对模式进行了验证。     

棉花冠层微气象特征研究

利用棉花花铃期作物冠层和农田土壤小气候观测资料分析研究了棉花群体内温度、湿度和风速的时空变化规律,探讨了叶片水势、空气饱和差和冠层净辐射之间的关系,对土壤温度和土壤热通量的变化也进行了客观分析。     

北方玉米冠层光合有效辐射垂直分布及影响因子分析

玉米冠层内光合有效辐射(PAR)的大小直接影响冠层内叶片的光合作用,进而影响玉米净第一性生产力或作物产量的准确评估。为弄清玉米冠层内光合有效辐射的分布规律及其影响因子,基于锦州玉米农田生态系统于2006年生育期的光合有效辐射观测数据和叶面积指数动态观测数据,对玉米冠层光合有效辐射的垂直分布特征及其影响因子进行了分析。结果表明:玉米冠层内不同垂直层次叶片的PAR分布随生育期变化显著,与叶面积指数呈显著的负相关(R2=0.89);玉米冠层光合有效辐射的消光系数K值在生育期呈动态变化,约为0.76,且表现为苗期较大、生育后期较小。分析表明,在进行光合有效辐射及与此密切相关的光合作用模拟时,应考虑消光系数的动态变化。     

安徽省淮南森林冠层辐射传输过程的特征

本文利用淮南森林观测站2018年7月1日至2019年6月30日冠层辐射观测,分析了淮南栎树森林下垫面冠层内外辐射变化特征。结果表明:（1）从春季到夏季,栎树冠层之上向下的太阳短波辐射增加,到冬季逐渐减少。从早春开始,由于叶片生长增多,冠层中间和冠层之下向下的太阳短波辐射下降,从秋季到冬季树叶凋落,其向下的太阳辐射增加,与冠层之上的变化趋势相反;对于向上的短波辐射,无论冠层之上、冠层中间还是冠层之下,随季节的变化都与向下的短波辐射相似,只是数值小很多。（2）冠层之上、冠层中间和冠层之下向下的长波辐射,随时间的变化从春季逐渐开始增大至夏季达到最大,随后逐渐减小并在冬季达到最小;就空间变化而言,冠层中间和冠层之下向下的长波辐射值比冠层之上的辐射值高,使得冠层对长波辐射的振幅增大,晴空条件最高可达1.3倍。（3）淮南森林区冠层之上（距地面25 m）年平均反照率为0.14,比中国北方地区（35°N）温带季风气候区（混交林为主）反照率的整体水平低0.01,表明淮南的森林茂密、灌丛更多些。（4）冠层上部分和整层的短波辐射透射率主要受叶片的影响。夏季,冠层的短波透射率平均为0.1。到了冬天,叶子凋落,透射率增加并趋于一个平稳的波动。冠层的短波辐射吸收率在夏季最高,秋季逐渐降低,随着叶子凋落在冬季迅速减小,趋于一常值。     

多层城市冠层模式的建立及数值试验研究

为在城市气象数值模拟中更好地体现由城市发展引起的下垫面土地利用改变及人为活动对大气过程的影响,建立了基于建筑物三维分布的多层城市冠层模式,冠层内动力方程组考虑了建筑物冠层拖曳力的作用及雷诺应力的影响,通过引入建筑物宽度、间距以及垂直分布密度指数等建筑物形态特征参数,以更好地体现城市复杂地表对大气温度、湿度及动量方程的影响.同时,该模式分屋顶、4个侧壤及地面分别考虑辐射及能量平衡求解表面温度,计算各表面与大气的通量交换,并考虑辐射阴影效应、冠层内部各个面之间的可视因子、以及与冠层内建筑物密度指数、可视因子等相关的多重反射辐射导致的辐射截陷作用.模式的离线检验结果表明:(1)冠层模式计算风廓线与风洞实验测量数据吻合良好;(2)离线冠层模式能够模拟实际小区的风速、温度垂直廓线,并能够较好地体现小区内气温日变化.冠层模式与区域边界层模式耦合检验结果表明:(1)耦合模拟的近地面(2 m处)气温及地表温度的结果明显优于传统的水泥平板方案,尤其是在夜间,水泥平板方案与实测气温最大偏差4 K左右,耦合模拟方案为1-2 K;(2)耦合模拟方案考虑了建筑物对冠层之上的拖曳力影响以及建筑物形态结构对雷诺应力的影响,风速(10 m处)计算结果与观测值相差约在1 m/s,水泥平板方案偏差3 m/s左右.     

大气应急响应模拟中城市冠层风廓线参数化方法检验

城市冠层内风场的准确模拟或预报是突发性大气污染应急响应措施制定和实施的重要前提和基础。为了合理反映城市冠层的影响, 并满足应急响应时效性的要求, 将MacDonald(2000)提出的城市冠层内风廓线参数化方法耦合于中尺度气象模式MM5, 并利用2010年7月18日至8月6日北京325 m气象塔垂直观测资料进行验证。试验结果表明:(1)城市冠层参数化方法能够较好的模拟各种稳定度条件下冠层内风速廓线垂直变化, 中性、稳定和不稳定层结时的标准平均偏差分别为78%、12%、4%, 标准平均误差分别为78%、52%、21%。(2)城市冠层参数化方法能够较好的模拟冠层内实际风速变化情况, 虽然随高度增加模拟偏差增大, 但8、15、32、47 m高度的模拟风速与观测值依然十分接近, 标准平均偏差分别为2%、-26%、25%、60%, 标准平均误差分别为54%、46%、52%、73%。(3)与传统的Monin-Obukhov相似性边界层参数化方法相比, 城市冠层参数化方法明显提高了冠层风速的模拟能力。中性、稳定、不稳定层结时, Monin-Obukhov相似性边界层参数化方法的标准平均误差高达420%、176%、184%, 城市冠层参数化方法的标准平均误差减小至78%、52%、21%;冠层内8、15、32、47 m高度, Monin-Obukhov相似性边界层参数化方法的标准平均误差分别为283%、184%、227%、167%, 城市冠层参数化方法的标准平均误差减小至54%、46%、52%、73%。     

植物冠层内物质交换特征的实验研究

使用湍流和SO2通量梯度测试资料，对植被冠层内物质交换特征进行了详细研究，揭示了一些有意义的结果: 植物的生物过程对物质的吸收作用非常明显； 在冠层内物质通量是随冠层深度加大而明显减小；对高的植被，上层沉积速度(Vgu)大于下层 (Vgd)； 冠层内的沉积速度(Vg) 表现出明显的日变化，冠层内物质的生物吸收作用与太阳总辐射量有直接联系；冠层的Vg与速度尺度V＊和平均风成正变关系；森林的Vg比麦地小；新的Vg理论公式能更好地预测重庆森林和麦地的结果。     

盘锦湿地芦苇群落冠层内辐射分布特征

基于盘锦湿地芦苇群落冠层内不同层次的微气象要素与生物学特性观测,探讨芦苇群落冠层内总辐射分布与叶面积指数(LAI)的关系。结果表明:芦苇群落内太阳辐射的垂直分布在生长前期(5月)和后期(9月)呈S型曲线,生长盛期(6月和7月)呈指数曲线变化。冠层内不同层次的太阳辐射透射率随叶面积指数的增加而减少,消光系数(k)存在明显的季节变化,表现为从萌芽期到成熟期逐渐减小趋势(最小值k=0.436)。     

黑河下游影响荒漠河岸胡杨林蒸腾的冠层与大气耦合分析

基于2014年胡杨主要生长季内树形特征、树干液流、环境因子的实际观测数据,利用经验公式,计算了胡杨冠层蒸腾速率、冠层气孔导度与解耦系数的值,分析了其日变化与季节变化特征。结果表明:(1)从日变化趋势来看,解耦系数在早晨和傍晚时较小,中午达到最大值,这主要是由于早晨和傍晚时太阳辐射比较弱、作物气孔开度小,使冠层气孔导度降低造成的;而中午时冠层气孔导度达到全天的最大值,解耦系数值也达到最大。(2)从季节变化趋势来看,解耦系数与冠层气孔导度变化趋势相近,在生长季内均呈先增大后减小,之后略有浮动增大,最后减小的趋势。本研究对影响荒漠河岸胡杨林蒸腾的冠层与下层大气进行相关性推断,认为影响胡杨林蒸腾的冠层与大气耦合度较高。尽管试验地处于极端干旱区,下层大气十分干燥,林冠层叶气界面水分散失很快,但黑河下游河岸林供水良好,林冠层空气动力学条件相近,使得胡杨林蒸腾主要受叶面气孔控制。     

北方玉米冠层光合有效辐射垂直分布及影响因子分析

玉米冠层内光合有效辐射（PAR）的大小直接影响冠层内叶片的光合作用,进而影响玉米净第一性生产力或作物产量的准确评估。为弄清玉米冠层内光合有效辐射的分布规律及其影响因子,基于锦州玉米农田生态系统于2006年生育期的光合有效辐射观测数据和叶面积指数动态观测数据,对玉米冠层光合有效辐射的垂直分布特征及其影响因子进行了分析。结果表明：玉米冠层内不同垂直层次叶片的PAR分布随生育期变化显著,与叶面积指数呈显著的负相关（R2=0.89）;玉米冠层光合有效辐射的消光系数K值在生育期呈动态变化,约为0.76,且表现为苗期较大、生育后期较小。分析表明,在进行光合有效辐射及与此密切相关的光合作用模拟时,应考虑消光系数的动态变化。     

SIR-B对土壤湿度、地表粗糙度及作物冠层覆盖响应的初步评价

一、引言为了测试航天飞机成像雷达(SIR-B)对土壤湿度、地表粗糙度和作物冠层覆盖的响应效果,在伊利诺斯州中西部航天飞机升降覆盖带交迭处建立了一个试验场.1984年10月8日早晨6点30分和10月11日5点30分对试验场分别进行了两次升轨资料采集(注以49.2和97.2).两次观测的入射角θ_1都是30°,但方位角相差180°.该SIR-B资料已作了数字成像处理.     

松林冠层大气湍流结构观测研究

为了更好地了解大气与物质和能量交换，用二层三维超声风速温度仪测量了重庆市郊松林风速和温度脉动值。采样速率为每秒１次和１１次，数字量记录。计算了湍流动最通量和热通量的日变化，以及湍流风速的统计量和功率谱。结果表明，冠层上动量通量向下传输，而冠层内大多向上传输；冠层内湍流风速ｕ的三阶矩平均值大于零，ｗ的小于零；冠层上无因次湍流风速分量ｕ，ｗ标准差和无因次湍流动能耗散率与局地Ｍｏｎｉｎ－Ｏｂｕｋｈｏｖ长     

鱼眼影像技术反演植被冠层结构参数的研究进展

快速、可靠、精确的评估植被冠层结构参数在大气一植被相互作用的研究中起着举足轻重的作用。从冠层结构参数的反演原理、冠层间隙度的提取、冠层结构的反演模型和丛生指数3个方面论述了冠层结构参数即叶面积指数（LAI,leaf area index）和叶倾角分布（LAD,leaf angle distribution）的反演方法,并从鱼眼像片的采集、分析和模型的假设等方面分析影响冠层结构参数反演精度的原因,指出未来鱼眼影像技术虽然是LAI和LAD间接测量的理想手段,但是受观测环境、相机光学特性和冠层本身的影响,反演结果需要通过验证来消除不确定因素。     

CLM4.5冠层截留方案的敏感性试验与改进

为探究陆气系统对于冠层截留过程敏的感性,研究基于NCAR CAM-CLM陆气耦合模式探讨了截留参数对于全球陆地蒸发、降水、径流及气温的可能影响,揭示了冠层截留与植被光合作用之间的潜在联系。通过GLEAMv3.0a陆面蒸散发数据评估了CLM4.5冠层截留方案,并指出该方案高估了低茎叶面积指数植被的冠层蒸发,而低估了高茎叶面积指数植被的冠层蒸发。在CLM4.5中引入冠层截留偏差校正方案则可在一定程度上提高了全球林区冠层蒸发和陆面蒸散发的模拟能力。     

大气CO2浓度升高及气候变化对作物冠层光合影响的数值模拟

利用美国Licor-6200光合作用测定仪,对黄淮海地区代表性冬小麦品种鲁麦23号叶片光合作用速率进行了较为全面的测定,分别确定了冬小麦叶片光-光合作用响应曲线和CO2-光合作用响应曲线,在此基础上,建立了叶片光合作用模式,并进而建立了一个具有瞬时时间尺度,空间积分为叶片尺度的冬小麦冠层模式,利用模式分别分析了大气中CO2浓度升高和温度变化对冠层光合作用的不同影响,并在此基础上进一步进行了综合数值分析.单因子分析表明晴天状况下,冠层光合速率随CO2浓度升高而上升,当CO2浓度由330×10-6上升至660×10-6时,冠层光合日总量可增加19.7 %;冠层光合速率随辐射增加而增大,辐射量增加10.0 %,冠层光合日总量可增加6.7 %;冠层光合速率随温度升高而下降,温度升高1 ℃,冠层光合日总量减少2.9 %.多因子综合数值分析表明在辐射量较大的气候背景下,冠层光合日总量对温度和CO2变化响应更加敏感.本文的实测数据为研究气候变化对中国农业影响提供了最基本的可靠模型参数,冠层光合模型为未来改进作物模型提供了理论基础.     

一方程模型在植被冠层中的应用

利用建立的一方程模式对植被气象场和湍流场进行了模拟计算。结果表明：在植被叶面积密度最大值处，由植被叶面积产生的阻力使风速急剧减小，而后平缓接近地面风速值。Reynolds应力从植被顶部向下剧烈减小，在Z／Hc值为0．4～0．6之间衰减迅速；冠层下部风速小且切变弱，湍流未能充分发展，因而动量输送甚微。由于在植被内部环境中存在着湍流通量的辐散或辐合的现象，湍流强度从植被底部开始由下至上逐渐增强，在冠层上方则基本保持不变。     

不同增温影响小麦冠层反射光谱特性的研究

为了研究不同增温对小麦冠层反射光谱的影响,在南京信息工程大学农业气象试验站以徐麦31为供试品种,设置了2种不同的大田开放式增温处理:夜间增温2℃(T1)和白天温增2℃(T2),及不增温作对照(CK),研究采用Field Spec Pro FR光谱仪测定了小麦不同生育时期的冠层反射光谱,并研究不同的增温处理对小麦光谱反射特性的影响。结果表明,T2处理下小麦冠层反射光谱反射率在拔节期大于CK,孕穗期、开花期、灌浆期小于CK,其中孕穗期差值为0.1。T1处理情况下小麦冠层光谱反射率在拔节期大于CK,在孕穗期、开花期小于CK,孕穗期二者差值达到0.15,在灌浆期二者差异不明显。另外,在拔节期、孕穗期和开花期的冠层光谱反射率均有T2大于T1,灌浆期后T1大于T2。研究结果对于在不同增温处理的背景下,对小麦冠层光谱进行无损监测的可行性提供理论参考,从而有效监测小麦的生长。