西双版纳热带季节雨林热储量初步研究

为探讨西双版纳热带季节雨林不同季节多种形式热储量值的大小及其变化规律,利用该地区热带季节雨林碳通量、常规气象和生物量观测资料,对该地区森林生态系统从2003年1月1日起到2004年12月31日两年内所有晴天条件下的空气显热和潜热、林冠热储量、光合作用耗能以及热流板之上的土壤热储量在雾凉季、干热季和雨季期间的数值大小、变化规律以及它们与净辐射的比值等进行了比较分析.研究表明,各季节空气显热和潜热、林冠热储量以及热流板之上的土壤热储量值均是在昼间变化幅度较大,而夜间很小;各季节空气显热和潜热的绝对值明显高于其他形式的热储量;总热储量的绝对值是干热季时最大,雾凉季时最小,雨季则介于两者之间.昼间空气显热和潜热、林冠热储量、光合作用耗能以及热流板之上的土壤热储量与净辐射的比值在各季节普遍呈现随时间的推移而逐渐下降的趋势;其中空气显热和潜热与净辐射的比值较高,而林冠热储量、光合作用耗能以及热流板之上的土壤热储量在净辐射中所占比例都很小,最大值均不超过3.5%.昼间总热储量与净辐射的比值在1200前较大,且季节间差异明显,1200后都小于10%,且季节间差异较小.计算热储量数据后,各季节能量闭合程度均有所提高,表明这一能量形式不可忽视.受多种因素的影响,观测得到的该热带季节雨林的能量闭合程度不高,需做进一步研究.本研究结果有助于更好的理解热带森林生态系统与大气间的能量传输和物质交换过程,并为其他生态系统能量平衡的研究提供借鉴.     

应用EOS/MODIS卫星资料反演与估算西北雨养农业区地表能量和蒸散量

应用定西地区的陆面过程野外观测资料和四次EOS_MODIS卫星资料,对典型的西北半干旱雨养农业区的基本地表特征参数进行反演,在此基础上对各能量通量和蒸散量进行估算,进而分别分析其季节和空间变化.结果表明：应用卫星数据估算的各参量的相对误差基本都在20%以内,其空间和时间变化基本反映了当地的实际情况;区域各通量和日蒸散量分布极不均匀,表现为四季相差比较大的单峰型变化特征,冬季最小、其次是秋季、夏春两季最大;与面积较大的中、低植被覆盖度区域相比,小范围的高植被覆盖度区域的地表净辐射、潜热和日蒸散量相对较高,土壤热通量和显热通量相对较低,并且都在春、夏季节表现得更加显著.低、中植被覆盖度区的各能量通量的季节变化不显著的特征反映了半干旱西北雨养农业区土壤的干土层相对比较厚的特征.     

夏季中国西部地区辐射特征的观测分析和能量收支的模式计算

在2000年6-7月新疆阜康地区野外观测资料和美国宇航局Goddard地球观测系统资料同化系统计算相应时间能量收支基础上分析了夏季我国西部干旱地区辐射特征和能量收支.新疆阜康地区观测的夏季中午平均吸收辐射为664 W/m2左右,反照率为17%,夜间长波净辐射值为60W/m2左右.模式计算的相应地区的辐射特征与观测结果相当接近.模式计算结果表明,夏季新疆、甘肃西部、内蒙一带为感热通量高值区,其最大值在华北、东北地区,其值可达300W/m2.广大西北地区潜热通量都很低,其高值区在华东、华南、西藏东部和四川一带,最大值可达250-300W/m2.     

夏季中国西部地区辐射特片的观测分析和能量收支的模式计算

在2000年6-7月新疆阜康地区野外观测资料和美国宇航局Goddard地球观测系统资料同化系统计算相应时间能量收支基础上分析了夏季我国西部干旱地区辐射特征和能量收支。新疆阜康地区观测的夏季中午平均吸收辐射为664W/m^2左右，反照率为17%，夜间长波净辐射值为60W/m^2左右。模式计算的相应地区的辐射特征与观测结果相当接近。模式计算结果表明，夏季新疆、甘肃西部、内蒙一带为感热通量高值区，其最大值在华北、东北地区，其值可达300W/m^2。广大西北地区潜热通量都很低，其高值区在华东、华南、西藏东部和四川一带，最大值可达250-300W/m^2。     

复杂下垫面地表土壤热通量算法改进:以黑河流域为例

地表土壤热通量是地表能量平衡的重要组成部分,对地表蒸散发的估算至关重要.利用土壤温湿度廓线观测资料基于热扩散方程计算地表土壤热通量,并通过冻土融化前后土壤液态水含量变化估算土壤含冰量,分析了土壤含冰量对土壤热通量的影响,旨在分析黑河流域典型下垫面(高山草地、农田和森林)地表土壤热通量的时空变化特征.研究结果表明:(1)黑河流域不同下垫面的地表土壤热通量有明显的日变化差异,日最大值时刻提前净辐射通量几分钟至几小时不等,这与土壤质地、湿度、热属性和植被覆盖度有关;(2)净辐射通量有显著的季节变化,一般夏季达最大值,冬季最小,地表土壤热通量也有明显的季节变化,但并不总是与净辐射通量变化保持一致,春季达最大值,夏季由于植被覆盖的原因反而降低;(3)地表土壤热通量占净辐射通量的比例因季节及下垫面不同而有差异,1月份月平均比值分别为:阿柔25.6%、盈科22.9%和关滩4.3%,7月份月平均比值分别为:阿柔2.3%、盈科1.6%和关滩0.3%;(4)冬季考虑了冰的热容量使得土壤热容量增加,土壤热存储增加,从而由热扩散方程计算的地表土壤热通量增加,使得能量平衡闭合率提高了4.3%.     

20世纪90年代LUCC过程对中国农田光温生产潜力的影响

在20世纪90年代中国气候观测数据和遥感土地利用动态观测数据的支持下, 计算了中国20世纪90年代农田光温生产潜力的变化. 结果表明: 20世纪90年代的LUCC过程直接导致了中国农田光温生产潜力总量和区域分布的变化, 总体趋势是南减北增, 总量净增加2622万吨; 在各种土地利用类型之间的相互转变和转化过程中, 耕地扩张和农田损失是导致全国农田光温生产潜力总量净变化的主要原因, 耕地扩张使全国农田光温生产潜力总量净增加8335万吨, 占全国农田光温生产潜力总量的3.50%, 主要分布在东北、西北和华北等农林、农牧交错区和沙漠绿洲区, 主要是由于该地区大面积的农田开垦所导致; 农田损失使全国农田光温生产潜力总量净减少5713万吨, 占全国农田光温生产潜力总量的2.40%, 主要分布在黄淮海平原、长江三角洲、珠江三角洲、陇中、东南沿海、四川盆地东南部以及乌鲁木齐—石河子一带, 主要是由于该区域经济发展较快, 城市扩张明显, 城乡建设用地大量侵占耕地的缘故.     

20世纪90年代LUCC过程对中国农田光温生产潜力的影响--基于气候观测与遥感土地利用动态观测数据

在20世纪90年代中国气候观测数据和遥感土地利用动态观测数据的支持下, 计算了中国20世纪90年代农田光温生产潜力的变化. 结果表明: 20世纪90年代的LUCC过程直接导致了中国农田光温生产潜力总量和区域分布的变化, 总体趋势是南减北增, 总量净增加2622万吨; 在各种土地利用类型之间的相互转变和转化过程中, 耕地扩张和农田损失是导致全国农田光温生产潜力总量净变化的主要原因, 耕地扩张使全国农田光温生产潜力总量净增加8335万吨, 占全国农田光温生产潜力总量的3.50%, 主要分布在东北、西北和华北等农林、农牧交错区和沙漠绿洲区, 主要是由于该地区大面积的农田开垦所导致; 农田损失使全国农田光温生产潜力总量净减少5713万吨, 占全国农田光温生产潜力总量的2.40%, 主要分布在黄淮海平原、长江三角洲、珠江三角洲、陇中、东南沿海、四川盆地东南部以及乌鲁木齐-石河子一带, 主要是由于该区域经济发展较快, 城市扩张明显, 城乡建设用地大量侵占耕地的缘故.     

基于遥感的鄱阳湖湖区蒸散特征及环境要素影响

蒸散是湖泊湿地生态系统水循环的重要组成部分,研究湖区地表蒸散量的时空变化对了解鄱阳湖湖区水量平衡关系具有重要意义.本研究基于MODIS数据,应用地面温度-植被指数三角关系法反演2000-2009年鄱阳湖湖区的实际蒸散量,分析湖区蒸散的时空分布特征及主要气象因子对流域蒸散的影响.结果表明:2000-2009年鄱阳湖湖区年蒸散量在685~921 mm之间,平均年蒸散量为797 mm,最大蒸散量出现在2004年.2000-2009年多年平均水体蒸发量为1107 mm,高于湖区植被蒸散量(774 mm).湖区汇水区域中蒸散量占降水的平均比例为55%,是水量平衡的主要支出项,径流系数约为0.45.湖区蒸散主要受辐射和气温的影响,月蒸散量与气温呈显著的指数相关,2007年蒸散量对温度的关系最为敏感.降水量距平与蒸散量距平的关系除2007年呈显著负相关外,其他年份相关性不显著.鄱阳湖湿地蒸散与湖泊水域面积总体呈正相关,但在水文干旱严重的2006年,当水域面积<30%时,蒸散速率随水域面积增加而减小.     

我国大陆地区和近海海域能量收支分布及其季节变化的数值模拟研究

应用美国宇航局Goddard地球观测系统四维资料同化系统、计算了我国大陆地区和近海海域1998年各月月平均能量收支各项和10m气温、比湿及风矢量的地理分布特征. 模式计算结果表明,地表短波净辐射最强出现在夏季(7月)新疆和西藏中部地区,高值中心区可达275W/m2,在黄海东海海域春季(4月)最大,其值为250W/m2左右. 地表长波净辐射最强出现在夏季(7月)我国西北地区,中心区值为125W/m2,我国近海海域在冬季(1月)最强,其值为75-100W/m2. 我国近海海面,冬季(1月)潜热通量值高于一般月份,中心区值可达250W/m2,夏季我国大陆西南、华北和东北一带为潜热通量高值区,其值为125W/m2. 月平均能量收支计算结果显示,在黄海、东海海域冬季(1月)净通量为海洋向大气输送,夏季(7月)则反之,新疆和西藏高原中部夏季为净通量正值区. 综合温度、湿度和风矢量场分布发现,夏季从南海向华东地区,孟加拉湾向印度次大陆有明显的水汽平流输送,西藏西南部也有来自西南方向的水汽输送.     

贵州蒸发皿蒸发量变化趋势及影响因素分析

以贵州境内18个气象站1961-2001年逐日气象观测数据为基础,采用Mann-Kendal非参数检验方法、相关分析和主成分分析方法对贵州近41年来蒸发皿蒸发量及其主要影响因子(太阳净辐射、气温、相对湿度和风速等)进行了相关性及趋势性分析.结果表明:近41年来,贵州年平均蒸发皿蒸发量呈显著下降趋势,通过99%的置信度检验,蒸发量的下降主要表现在冬、春、夏三季.从区域分布来看,蒸发皿蒸发量整体上东部及西北部分地区显著减少,其他地区趋势变化不明显.蒸发皿蒸发量下降的主要原因是太阳净辐射的显著下降.     

数据填补及能量闭合对半干旱区生态系统年净碳交换的影响

基于半干旱区2种不同下垫面(草地和旱作农田)2005和2008年涡动相关法取得的通量资料,分析了数据填补、能量收支闭合率以及摩擦风速(u*)阈值等对生态系统年净碳交换的影响.通过加入4种不同长度的人工空缺(空缺长度从0.5 h~12 d),比较了平均日变化法(MDV)、边缘分布抽样法(MDS)和非线性回归法等6种填补方法的填补效果.结果表明,MDS的整体表现最好,特别是对长空缺的填补效果优于其他方法,估算的年NEE偏差在5 g C m-2 a-1以内.非线性回归法估算的夜间NEE具有较大的正偏差,表明非线性回归法估算的夜间生态系统呼吸偏高.4种非线性回归法估算的年NEE偏差在8.0~30.8g C m-2 a-1.由于在半干旱区土壤含水量是生态系统碳交换的重要限制因子,非线性回归法中综合考虑土壤温度和土壤含水量影响的Non_linear3和Non_linear4表现较好.MDV对白天NEE空缺的填补优于夜间,估算的年NEE偏差在-2.6~-13.4 g C m-2 a-1.总体上,数据填补的精确度受下垫面类型、空缺长度以及空缺出现时间(白天、晚上)影响.2个观测站点的能量收支闭合率在80%左右.能量收支闭合率受湍流强度影响显著;当夜间摩擦风速较低时,湍流混合不充分,能量收支闭合率也较低.生态系统在某个风向的累积通量印痕较大时,有效能量和湍流通量源区的不匹配造成这一风向上的能量收支闭合率也较低.通过假设能量收支不闭合全部由感热通量和潜热通量的低估引起,评估了能量闭合订正对生态系统CO2通量的影响.结果表明经过订正后的草地、农田的年净碳交换量平均增加近10 g C m-2 a-1.此外当u*阈值从0.1增加到0.2 m s-1,年净碳交换平均增加37.5 g C m-2 a-1,这表明u*阈值的设定对生态系统的年净碳交换影响较大.     

陆域蒸散的测算理论方法:回顾与展望

蒸散是地球水分循环与能量转换的关键环节.陆域蒸散的精准测算是地球物理、生物乃至环境过程研究的共同科学难题.以英国Dalton和Penman等人为代表的开创性工作,以及大气边界层湍流交换理论与实验的不断发展,奠基了现代主流的蒸散测算方法.20世纪90年代以来技术趋于成熟的涡动相关系统和卫星遥感等观测手段,跨越寒带到热带、干旱区到湿润地区,涵盖水体、湿地、森林、农田、草地、裸地、城市等不同下垫面类型,极大地拓展了对蒸散过程认知的深度和广度;捕捉了诸如地表夜间蒸散、蒸散迟滞现象、非均匀下垫面的湍流间歇、平流关联的岛屿效应、下垫面转捩效应等新的现象和事实,对经典相似性理论和蒸散测算理论等提出了新的挑战;最大熵增蒸散模型和非参数化蒸散模型等新方法和新理论的萌芽已经出现.与此同时,点位高频观测和航空航天遥感技术构筑了从植物气孔到叶片、植株、冠层、景观、流域等跨尺度测算手段,在地表蒸散过程观测及机理解析上,形成纵向深化及横向综合的新进展.陆域蒸散新理念、新模型、新技术的综合性发展,成为突破蒸散精准测算难题的基础条件,这将为揭示地球系统的水-热-碳循环机理等全球性重大基础理论问题,为满足农业灌溉与粮食安全、水资源精细化管理与生态环境保护、城市热环境调控与全球升温适应对策等国家重大需求,提供更为严谨坚实的科学理论依据和实验支撑.     

华北平原农田水热通量与作物水分利用效率的特征与模拟

在中国科学院禹城综合试验站,采用涡度相关技术对夏玉米生长期间净辐射(Rn)、水汽通量(LE)、感热通量(Hs)和土壤热通量(G)进行了观测,并应用农田生态系统模型RZ-SHAW对水热过程和作物水分利用效率进行了模拟和分析.结果表明,夏玉米水汽通量具有明显的日变化与季节变化,Rn大部分用于玉米潜热的消耗,水汽通量与净辐射的比值(LE/Rn)随生长阶段呈上升趋势,在灌浆期达最大,约60%左右,但比用RZ-SHAW模型模拟的结果略低;RZ-SHAW模型模拟得到的夏玉米日蒸散量与实测值的变化比较符合;逐时水汽通量与相应时段内涡度相关实测值一致性指数(IA)均在0.75以上,均方差(RMSE)在1.0W·m?2以下.LE日变化呈倒“V”型,Hs呈倒“U”型并偏向午前,二者出现峰值的时间不同,Hs出现在11︰30左右,LE出现在13︰00左右,比Hs推迟一小时左右.CO2通量日变化呈不对称“V”型,峰值出现时间在11︰30左右.夏玉米4个生育期的群体水分利用效率(Fc+Rs)/LE在日出以后,随着光强的增强,水分利用效率迅速升高,至10时左右达到最大后开始下降,其最大水分利用效率为24.3g·kg?1,平均水分利用效率为10.3g·kg?1.     

我国黄土高原地区陆面能量的空间分布规律及其与气候环境的关系

我国黄土高原地区地处夏季风边缘,分布在气候和生态过渡带,气候环境的空间差异很大,对陆面能量的空间分布格局影响非常显著.然而,由于受该地区陆面过程观测站点较少的局限,对整个黄土高原区域陆面能量的空间分布规律及其影响机制的认识十分有限.在对CLM模式模拟的陆面能量平衡分量资料进行试验验证的基础上,利用CLM模式模拟的近30年黄土高原地区陆面能量平衡分量资料,分析了该地区近30年平均陆面能量平衡分量的空间变化特征以及与最干燥年和最湿润年的差异,研究了陆面能量平衡分量空间分布与经、纬度和海拔高度等地理因素及降水和气温等气候因子之间的关系.发现,黄土高原地区陆面能量平衡分量空间差异非常显著,地表净辐射和感热通量由南至北增加,潜热通量和土壤热通量从东南向西北减少;空间最干格点和最湿格点之间的地表感热、潜热和土壤热通量几乎相差1倍左右,地表能量分配由最干格点的感热通量主导转变为最湿格点的感热和潜热平分秋色;年际干湿波动对地表能量平衡分量的影响也相当显著,对感热和潜热通量的改变幅度最大接近30%.而且,经纬度和海拔高度等地理因素及温度和降水等气候要素均与陆面能量平衡分量空间分布有一定的相关性,但地表净辐射与海拔高度和纬度的关系更密切,感热通量与降水和纬度的关系更密切,而潜热和土壤热通量只与降水的关系比较密切.     

利用气辉测量结果研究高频电波加热电离层实验中电子能量分布

研究了高频电波加热电离层实验期间电子能量分布函数,利用美国HAARP和欧洲EISCAT实验中630.0 nm、557.7 nm与844.6 nm等气辉辐射测量结果,给出了在红光与绿光强度比值小于10和比值大于等于10两种情况下电子能量分布函数表达式,在3~100 eV电子能量范围内,分段幂指数因子随电子能量的增加而下降,并利用获得电子能量分布函数对其他电离层加热期间气辉辐射进行计算,红光与绿光辐射强度之比与实验测量结果相符,从而验证了获得的电子能量分布函数.     

近30年中国陆地表层干湿状况研究

在论述最大可能蒸散概念和模型的基础上, 根据中国实际状况对其进行辐射项的修正; 利用全国616个气象台站1971~2000年的气象资料, 计算我国各气象台站近30年的年平均和植物生长季(4~10月)的最大可能蒸散和干湿指数, 应用ArcGIS内插方法得到最大可能蒸散和干湿指数的全国分布图. 结果表明, 全国最大可能蒸散年平均400~1500 mm,大部分地区为 600~800 mm, 植物生长季的最大可能蒸散为350~1400 mm, 与年平均相比大体减少200mm. 干湿状况按1.0, 1.5和4.0为界划分为湿润、半湿润、半干旱和干旱类型, 大部分站点生长季的干湿状况比全年平均状况好. 分析和对比干湿指数分布图和降水量与植被分布图, 结果显示较好的一致性. 因此应用修正的Penman-Monteith模型计算最大可能蒸散, 综合考虑水分收支平衡的干湿指数更能准确说明我国陆地表层的实际干湿状况.     

基于三维模型评估全球变暗效应对水稻光合生产的影响

近几十年的观测证实到达地球表面的总辐射呈逐年下降的趋势（即＂全球变暗＂现象）,伴随这一现象的是其散射辐射比例的增加.很多观测表明散射辐射比例增加能够显著提高植物光合生产能力,但其机理并不十分明确.本文采用三维建模方法,利用由田间原位测定的灌浆期水稻群体空间结构数据构建三维冠层模型,使用考虑了入射辐射几何特征的冠层三维光分布模型,模拟了冠层的光分布和光合生产潜力.结果表明,在入射总辐射一定范围内降低的情况下,水稻群体光合速率可因散射辐射比例增加而显著高于入射总辐射未降低时的值,其原因是散射辐射比例增加显著降低了群体中低于光补偿点的叶面积比例,同时显著提高了位于光响应曲线线性部分的叶面积比例.散射辐射比例的变化对冠层上部叶片的光强分布和光合速率有显著影响.基于三维模型进行模拟其计算量巨大,本文采用高性能计算系统以并行机制构建模型,很好地解决了这个问题.     

北冰洋夏季开阔洋面和浮冰近地层热量平衡参数的观测估算

利用中国北极科学考察队在北冰洋浮冰站和“雪龙号”考察船获得的大气边界层观测资料, 采用涡旋相关法和廓线法对1999年8月19~24日北冰洋浮冰和开阔水面近地层的热量平衡参数进行了估算. 结果表明, 冰面的净辐射仅为开阔海面的8%, 主要消耗于感热输送和融化, 冰面损失的热量超过了吸收的净辐射, 并由冰的深层热传导来补偿, 潜热通量对冰面热平衡的贡献较小. 开阔海面吸收的净辐射主要以潜热和感热向大气输送, 分别占52%和25%, 剩余部分向深层水体传导. 观测事实说明北冰洋夏季开阔海面/大气和冰面/大气之间的热量交换过程有显著差异, 开阔洋面有大量的水汽向大气输送, 这对研究北冰洋地区海/冰/气相互作用对气候过程的影响是十分重要的.     

长江三角洲典型稻作区近地层二氧化碳等湍流通量的观测研究

利用1999年和2000年长江三角洲近地层大气与农田生态系统综合观测试验资料，对常熟地区水稻插秧、拔节、抽穗等不同生长期近地层二氧化碳和感热、潜热、动量等湍流通量特征及变化规律进行了初步研究. 研究结果表明, 平均而言在水稻各生长期，近地面为二氧化碳的汇，白天水稻通过光合作用吸收二氧化碳、夜间则放出二氧化碳，抽穗期消耗的二氧化碳要多于拔节和插秧期；近地面为大气的热源，主要以潜热方式加热大气，尤其是在抽穗期，感热与潜热之比仅为0.058；二氧化碳等湍流通量的变化与辐射平衡各分量及气象要素有显著关系.     

玉米生育期地表能量平衡的多时间尺度特征分析及不平衡原因的探索

能量不闭合是几乎所有地表通量观测研究中存在的问题．在能量平衡估算中,人们往往关注有效能量（感热和潜热之和）系统低于可利用能量（净辐射与土壤热通量之差）的统计结果,而忽视了有效能量大于可利用能量的“过闭合”样本存在及其对整体能量闭合率的贡献．利用2004年华北玉米生育期的观测资料,探讨了能量分量的时间同步性,认为各能量分量与净辐射的时间不同步是导致“过闭合”现象系统出现的原因．将有效能量位相提前半小时与可利用能量进行相关分析,有效减少了能量比率大于1和小于0．5的样本,提高了不同尺度的能量利用率．多种时间尺度的能量分配与转化规律分析显示,潜热在不同时间尺度上都是主要的能量消耗方式,能量闭合差随玉米的生长不断增大,长达7旬的时间超过感热,表明热量储存和光合耗能在玉米生育期能量平衡中具有重要作用．