中国通量观测网络(ChinaFLUX)能量平衡闭合状况的评价

涡度相关观测网络能够对生态系统的水碳通量及其气候背景资料进行长期观测,能量平衡闭合状况作为通量观测数据评价的一个重要参考指标,备受通量界研究者的重视.本研究运用OLS(OrdinaryLeastSquares)、RMA(ReducedMajorAxis)、EBR(EnergyBalanceRatio)和δ频率分布四种统计方法对湍流通量(显热和潜热)与有效能量(净辐射、土壤热通量、冠层热储量)的关系进行了分析,对ChinaFLUX各站点的能量平衡闭合状况进行了综合评价,给出了能量平衡闭合程度日变化和季节变化趋势.研究结果表明各站点能量平衡都没有完全闭合,但因站点的条件不同,其不闭合程度略有差异;在夜间不闭合的程度比白天更加明显;闭合程度随摩擦风速的增大而有所改善.总体来说,在现有通量观测系统中,显热和潜热湍流通量往往会被低估,而有效能量项则会被高估.最后讨论了通量观测中的采样误差、仪器测量可能产生的系统偏差、其他能量吸收项的作用、高频与低频湍流通量损失以及平流作用对能量平衡闭合状况的影响.     

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．     

近地层能量闭合度对陆面过程模式影响

大量近地层观测试验表明,利用涡动相关法观测的湍流通量小于近地层可利用能量,即近地层能量是不闭合的,这种不闭合度一般为20%甚至更高.而陆面过程模式是基于地气间能量平衡建立,并且模式中的湍流边界层参数化方案通常根据实际观测的湍流通量来确定,因此能量不闭合必将对陆面过程模式造成一定的影响.本文利用2007年春季SACOL站的近地层观测资料,依据能量守恒将能量不闭合中的残余能量通过波文比分配到观测的湍流通量中,即修正涡动相关法观测的湍流通量使得近地层能量达到平衡;之后分别利用观测和修正的湍流通量,建立了能量不闭合和闭合情形下的湍流参数化方案,借助陆面过程模式SHAW,通过数值模拟和对比分析方法考察近地层能量闭合度对陆面过程模式的影响.研究结果表明近地层能量闭合对陆面过程模式有显著的影响:在陆面过程数值模拟中,当应用近地层能量不闭合的湍流通量形成的湍流参数化方案时,陆面过程模式会明显高估地表长波辐射及土壤温度;但当应用修正湍流通量使得近地层能量达到闭合形成的湍流参数化方案后,在不改变任何地表土壤物理生化属性的情况下,陆面过程模式能较好地模拟地表长波辐射和土壤温度.     

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%.     

一种基于土壤温湿资料计算地表土壤热通量的温度预报校正法

分析大气边界层观测站地表能量平衡需要估计其地表土壤热通量。发展了一种由多层土壤温度和湿度观测资料估算土壤热通量的新方法。该方法首先求解一维热扩散方程得到土壤温度的基本廓线,然后校正所求温度廓线与观测值的偏差,最后积分温度廓线得到土壤各层的热通量。与众多的方法不同,该方法不需要事先给定不易准确测量和推求的热传导（或热扩散）系数值。通过与实测资料对比、模型合成数据试验、以及敏感性分析等,表明该方法的计算结果稳定可靠,对土壤表层数厘米深度内有无观测资料也不敏感。此外,指出热流板可准确测量热通量的方向和相位,但所测通量值的误差常较大。     

长白山阔叶红松林CO_2交换的涡动通量修订

利用长白山森林通量站涡动相关实测数据,定量分析了超声风速仪倾斜修订、频率响应修订和平流损失修订对CO2交换计算值的影响.结果表明,对于超声风速仪倾斜修订,平面拟合坐标变换要优于流线坐标变换,后者会导致通量低估,低估量与仪器或下垫面倾斜度有关.日间,对CO2通量频率响应局限的修订量约为3.0%,对能量通量的修订量约为2.0%;夜间,两者修订量分别为9.0%与5.5%,修订结果与林内大气层结稳定性密切相关.在平坦下垫面条件下,CO2通量平流修订主要表现为晚间垂直平流损失,在忽略水平平流时其修订量约为18%.指出对复杂观测条件下的水平平流与湍流特征有待于进一步研究.     

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.     

基于MODIS晴空数据的森林日净第一性生产力估算

基于光能利用率模型提出了一个基于MODIS数据参数反演的日净第一性生产力估算模型. 其中包括基于植被冠层叶面积指数和地表反照率的光合有效辐射比例能量平衡模型, 基于大气气溶胶光学厚度、水汽含量和Bird模型相结合的光合有效辐射计算模型. 日净第一性生产力模型所需的主要参数从MODIS数据反演获得. 为了验证净第一性生产力结果的估算精度, 用中国生态系统研究网络2003和2004年千烟洲和长白山观测站点的日净第一性生产力观测数据和模型估算结果对比, 结果表明两者具有较好的一致性. 同时也将同期NASA的净第一性生产力产品加以对比, 结果表明千烟洲站点上2004年的NASA产品低估了净第一性生产力值, 但长白山站则高估了净第一性生产力结果.     

中国通量观测网络(ChinaFLUX)通量观测空间代表性初步研究

涡度相关系统的观测结果可以代表发生在特定表面或某一部分表面的物理过程.这样,由点到面的空间代表性就成为通量观测中不可忽视的问题.运用FSAM模型结合实际观测数据对中国通量网各站通量观测的空间代表性做了初步的分析研究.结果表明随着大气稳定度的增强、观测高度的升高和下垫面粗糙度的减小,通量贡献区有被拉长的趋势,且沿上风向逐渐远离观测点,这表明通量观测值所代表的下垫面平均状况的范围有所扩大.对于一个观测点而言,在观测高度和下垫面状况一定的情况下,通量贡献最大点和源权重函数最小点距观测塔的距离受大气稳定度的影响,大气越稳定,通量贡献最大点Smx和源权重函数最小点χ1距观测塔的距离(分别为Dmx和Dmin)越大.Dmax和Dmin对下垫面粗糙度和观测高度变化的响应是,随着粗糙度的增加和观测高度的减小,Dmx和Dmin均变小.本研究给出了在不同大气稳定度状况下,对各通量站通量观测值贡献90%时的通量贡献区长度,结合各站点的盛行风向以及通量贡献区对各种影响因素响应规律的分析,使我们对各通量站点通量观测的空间代表性形成了初步的认识.本研究虽然仅可做为实际应用中的参考,但其结果可为通量观测数据的质量控制,解释通量数据不确定性产生的原因提供一定的理论依据.     

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.     

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.     

非均匀灌溉棉田能量平衡特征研究

运用国际能量平衡实验(EBEX-2000)的湍流、净辐射和土壤观测资料,运用涡动相关法分析了非均匀灌溉引起的热内边界层发展条件下近地层感热、潜热通量特征,并对有无灌溉两种条件下的能量闭合度进行了对比分析.在计算感热、潜热通量过程中,分别将Schotanus订正和Webb订正纳入了考虑范围,研究了两种订正方法对计算湍流热通量的影响.研究结果发现,由于非均匀灌溉生成的热内边界层使得近地层感热通量受到抑制,潜热通量出现波动,该现象在8.7 m比2.7 m 更为显著.非均匀灌溉导致的热内边界层的存在使得近地层能量闭合度偏低,能量平衡比率约为0.65;而没有热内边界层存在时,近地层能量平衡比率约为0.70.本实验中,Schotanus订正使得感热通量显著减小,其订正量日平均值约为-8 W/m²,占净辐射的近4%;Webb订正量日平均值约为2 W/m²,对能量平衡的影响较小.     

气温变化对唐山地震台跨断层形变观测的影响

利用三维热一弹性模型有限元方法,模拟了唐山地震台及其周边地区在地表温度呈不同幅度的周期性变化的情况下,对台站短基线观测的影响,并对由于地表温度变化产生的应变进行了估算.计算结果表明,由于温度差异造成的观测桩距离的年变化幅度达到2mm左右,这与目前台站观测数据的年变化幅度基本一致,表明台站观测数据包含了温度的重要影响.另外,台站各基线桩的位移序列相对于温度变化滞后了1 ～1.5个月的时间.同时发现,台站短基线各测段的实际观测数据存在着同步的趋势性变化,这不是稳定年变化的温度变化能解释的,因此这种趋势变化可能与局部应力场调整或者断层活动有关.     

以微分热惯量为基础的地表蒸发全遥感信息模型及在甘肃沙坡头地区的验证

首先综合回顾了目前采用的地表通量遥感方法和途径.分析了现有遥感思路中不能摆脱非遥感参数的现实和困扰. 在实践的基础上, 建立了以微分热惯量为基础的地表蒸发全遥感信息模型. 其思路的关键是以微分热惯量提取土壤水分可供率而独立于土壤质地、类型等局地参数; 以土壤水分可供率推算波文比而摆脱气温、风速等非遥感参数. 并以净辐射通量和表观热惯量对土壤热通量进行参数化. 实现了以全遥感信息反演裸地蒸发(潜热通量)的目标. 应用接近最高和最低地表温度出现时刻的两幅NOAA- AVHRR 5个波段的影像图和地面同步观测数据, 作出了我国西北沙坡头地区的土壤蒸发的区域分布影像图. 同时以同步观测的地表蒸发值对影像图对应点的输出值进行了对比, 验证了本思路和模型的可行性, 并且讨论了本模型扩展到浓密植被区所能造成的误差和进一步改进途径.     

土壤含水量空间尺度分布非均匀对中尺度脉动量和通量的影响研究

本文采用RAMS（Regional Atmospheric Modeling System）模式模拟研究了没有背景风的情况下，土壤湿度非均匀分布的长度尺度分别为40km逐渐减小到2km时，地表通量的分布和大气边界层的响应.运用二维傅里叶变换，分析了地表通量、中尺度脉动量和中尺度通量的二维幅度谱分布，初步探讨大尺度模式中非均匀地表条件下的边界层参数化问题.分析结果显示各试验的地表水、热通量和中尺度脉动量的幅度谱的极大值都出现在与各自非均匀尺度相对应的波数处，当有不同尺度的非均匀斑块共存时，最大的非均匀尺度占主导.但是中尺度水、热通量的结果有所不同，除了在与各自非均匀尺度相对应的波数处有峰值之外，在其他波数还有多个峰值.这些结果表明地表水、热通量的空间分布尺度与非均匀尺度之间存在较好的对应关系，而中尺度水、热通量与非均匀尺度的关系并不明显，说明地表水、热通量的网格平均值的代表性较好，但是不能反映次网格脉动的影响，而中尺度通量的网格平均值的代表性较差.     

基于人工神经网络的ChinaFLUX观测站CO2模拟研究通量

涡度相关技术的发展,为准确获取区域尺度的CO2通量分布格局提供了数据基础.但由于涡度相关技术自身的局限性,需要利用模型模拟作为获取区域CO2通量的重要手段.可是CO2通量和其他微气象变量之间的非线性关系给模拟CO2通量的时空动态变化带来了一定的困难.人工神经网络模型为模拟CO2通量与其他微气象变量的非线性关系提供了一种新的手段.在ChinaFLUX三个不同类型(农田、森林、草地)生态系统中,基于2003年6～8月的半小时涡度相关观测数据,采用BP人工神经网络模型,以能量通量(净辐射、潜热、显热和土壤热通量)以及温度(空气温度、土壤温度)和表层土壤水分作为输入变量,模拟了CO2通量的动态变化.结果表明,人工神经网络模型具有较好的模拟结果,其R2系数在0.75与0.866之间.RMSE在0.008 μmol/m2与0.012 μmol/m2之间,MAE在1.38 μmol/m2与3.60 μmol/m2之间,其中农田和森林生态系统的模拟精度略高于草地生态系统.其次,通过比较土壤水分要素是否参与模拟的结果表明,在生长季期间,不存在土壤水分胁迫的情况下,土壤水分的参与并不能显著提供模型模拟的精度.最后,应用连接权重方法进行了神经网络模型不同输入变量的重要性分析,指出神经网络模型不完全是一个黑箱模型,也可以有效地揭示出某些机理性现象.该研究证明,神经网络模型不仅可以有效地模拟CO2通量,也可以揭示出一些机理现象,为通过涡度相关观测与遥感反演技术的集成途径,利用已获取的区域尺度能量通量数据,模拟分析区域尺度的CO2通量分布格局提供了一种有效的方法.     

亚洲区域陆地生态系统碳通量观测研究进展

作为FLUXNET的重要组成部分,亚洲区域以其广阔的地域、独特的气候、丰富多样的植被类型等特点,日益成为全球碳通量观测研究的热点地区之一.目前在亚洲地区已经成立了AsiaFlux(日本),KoFlux(韩国)和ChinaFLUX(中国)区域性观测研究网络,约有54个不同生态系统类型的通量观测站点,观测区域覆盖了从2°N到63°N的热带雨林、常绿阔叶林、针阔混交林、灌木草地、高寒草甸和各种农田等陆地生态系统.各观测站点都在以涡度相关技术为主体对植被-大气间的CO2,H2O和能量通量、以及生态系统水碳循环的关键过程进行着长期和连续的观测,所获取的观测数据将被用于量化和对比分析研究区域内的生态系统碳收支与水平衡特征及其对环境变化的响应,验证土壤-植物-大气连续系统的物质交换模型,服务于陆地生态系统碳、水循环的集成性研究.长期以来,亚洲地区的科学家在观测理论与技术、生态系统通量特征和模拟模型等领域取得了许多成就,为全球通量观测事业的发展做出了重要贡献.但是,为进一步提高亚洲地区的通量观测研究水平、加速观测数据的积累、提高数据质量和数据资源的共享水平,急需建立复杂地形和夜间NEE质量评价与校正的方法论体系,构建和发展通量观测网络与稳定性同位素观测网络、水碳循环过程实验网络以及遥感观测或高空     

沙漠陆面过程参数化与模拟

沙漠地区植被稀疏、干旱少雨,其陆面物理过程具有与全球其它地区显著不同的特点.本文利用巴丹吉林沙漠观测资料,分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数,建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式DLSM (Desert Land Surface Model),并与NOAH陆面过程模式的模拟结果和观测资料进行了比较.结果表明:巴丹吉林沙漠地表反照率为0.273,比辐射率为0.950,地表粗糙度为1.55×10^-3 m,土壤热容量和热扩散系数分别为1.08×10⁶ J·m^-3·K^-1和3.34×10^-7 m²·s.辐射传输、感热输送和土壤热传导过程是影响沙漠地区地表能量平衡的主要物理过程.通过对这三种过程的准确模拟检验,DLSM能够较准确地模拟巴丹吉林沙漠地气能量交换特征;短波辐射、长波辐射和感热通量的模拟结果与观测值间的标准差分别为7.98,6.14,33.9 W·m^-2,与NOAH陆面过程模式的7.98,7.72,46.6 W·m^-2的结果接近.地表反照率是沙漠地区最重要的陆面过程参数,地表反照率增大5%,向上短波辐射通量随之增加5%,感热通量则减小2.8%.本文研究结果对丰富陆面过程参数化方案,改进全球陆面过程模式、气候模式具有参考意义.     

CLM4-LISSS模型对太湖多时间尺度水热通量模拟性能的评估

湖泊模型为数值天气预报模型提供热量通量、水汽通量和动量通量等下边界条件,但是不同时间尺度上湖泊水热通量变化的控制因子不同,因此有必要对湖泊模型进行多时间尺度上的离线评估.本文利用2012-2016年太湖中尺度通量网避风港站的气象资料和辐射数据驱动CLM4-LISSS模型(Community Land Model version 4-Lake,Ice,Snow and Sediment Simulator),并与涡度相关观测(Eddy Covariance,EC)结果进行对比,以年平均潜热通量模拟结果最佳为目标调整了模式中的消光系数、粗糙度长度方案,研究了该模型从半小时到年尺度上对湖表温度和水热通量的模拟性能.结果表明:模型对湖表温度的模拟在各时间尺度上均比较理想,但是模拟的日较差较小;从半小时到年尺度上潜热通量的变化趋势都能被很好地模拟出来,但在季节尺度上,潜热通量的模拟出现了秋冬季偏高、春夏季偏低的情况,季节变化模拟不准确.湖表温度和潜热通量模拟偏差的原因可能是消光系数的参数化方案.相比之下,感热通量尽管年际变化趋势的模拟值与观测值一致,但是从半小时到年尺度均被高估.特别地,冷锋过境期间,模型能较好地模拟出潜热通量和感热通量的变化趋势,但对于高风速条件下的感热通量模拟效果不佳.本文的研究结果能为湖泊模式的应用与发展提供有用信息.     

不同下垫面湍流通量计算方法的比较研究

本文利用1990~1994年在中国内蒙古奈曼市半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据,采用变分法、波文比能量平衡方法和空气动力学方法计算了7种下垫面（沙丘、草原、四种放牧强度的草地、玉米田）的湍流通量并进行了比较.结果表明：除沙丘和重度放牧草地外,三种方法计算的湍流通量在大多数时刻是比较一致的,相关性较高,能量闭合程度也较好.在用于计算植被相对茂盛下垫面的湍流通量时,变分法得到的结果更好一些.随着放牧强度的增大,地表生物量、覆盖率和植被高度相应减少,潜热和动量通量相应减小,而感热通量增大.草地等植被茂盛的下垫面能够增加垂直方向的动量输送,增加空气动力学粗糙度,减小风速,阻止地表沙粒的运动和沙丘的起伏,对防止沙漠化能起到较大作用.