土壤-植被-大气系统水分能量传输模拟和验证

本文建立了包括地下水的土壤－植被－大气系统水分能量传输综合模型,并对模型中冠层动量湍流交换反梯度传输现象的描述进行了改进。在此基础上,依据冠层内动量和热量的交换以及辐射传输过程,同时求解地表、冠层能量平衡方程,进而模拟饱和－非饱和土壤的水热传输。用浅地下水地区冬小麦田间试验资料对模型进行验证,结果表明,系统能量平衡各分量和土壤含水量的模拟与观测结果相当一致。模型敏感性分析发现,叶面积指数对总蒸散量的影响随叶面积指数的增加而逐渐减弱;叶片最小气孔阻力对总蒸散量的影响,在该阻力较小时更显著;地下水位对蒸散量的影响在它小于１．５ｍ时不显著,而在１．５～１．７５ｍ之间时,蒸散减小较快,主要由于土壤蒸发减小显著,冠层蒸腾稍有增加。     

热平流影响下湿润地表的通量-廓线关系

在有热平流影响的湿润地表，对Ｂｕｓｉｎｇｅｒ－Ｄｙｅｒ创立的经典通量－廓线关系作了简单的非线性作用修正。并利用热量和水汽输送方程两种不同简化方程分别对非线性修正因子ａ＇ｖ进行了理论分析和讨论，表明在热平流影响下的湿润地表α＇ｖ＜１，且由理论方地出一个αｖ与ζ的简化关系式。最后，用经参数化后得到的α＇ｖ表达式和修正后的相似性关系式联立构成的闭合方程组，以及用ＨＥＩＦＥ的资料求解出α＇ｖ及其它特征参数     

用Priestley—Taylor公式估算作物农田蒸散量的研究

利用田间试验资料，综合考虑了影响农田蒸散的气象，作物和土壤因素，并以Ｐｒｉｅｓｔｌｅｙ－Ｔａｙｌｏｒ公式为基础，建立了不同作物（棉花、玉米冬小麦）的农田散估算模型。该模型仅需常规气象和农业气象资料，计算简便，具有一定的实用价值。     

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、...     

温室内土壤热量垂直通量及其对土壤热状况的影响

根据日光温室内外土壤温度的实测资料，计算了温室内外土壤热量垂直通量的平均日变化；利用热量平衡方程探讨了温室内土壤的增温效应，为推广和应用温室蔬菜栽培技术提供科学依据。     

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。     

土壤传导—对流热通量计算的初步结果

本文利用气象站的地温资料，设计了一种同时考虑传导，对流两种传热方式时的土壤热通量计算方法，计算了土壤中的传导热通量，对流热通量及总热通量。发现对流热通量与传导热通量具有同样的量级，均为１０＾１－１０＾２ｍＷ／ｍ＾２。另外还初步分析了三种热通量结果与地震的关系，单站热通量序列表明地震前地热能量是持续累积的。     

基于概念模型的麦田土壤水分动态模拟研究

农田土壤水分模拟是农业用水管理的重要依据。以根区土体水量平衡方程为依据,考虑根区下界面水分通量,构建了农田土壤水分变化模拟模型,该模型由作物蒸散量模型、根区下界面水分通量模型以及水量平衡方程等组成。采用山西水利职业技术学院试验基地2007年和2008年2个年度冬小麦试验资料,确定了模型参数。结果表明,土壤储水量模拟计算值与实测值有较好的一致性,其相关系数达到0.9555;F检验结果达到极显著水平,所建立的麦田土壤水分动态模型可用于作物蒸散量、根区下界面水分通量和田间土壤水分的模拟计算;计算精度平均达到3%～11%。表明该模型可较好地描述农田士壤水分转化过程。     

青藏高原大气—植被相互作用的模拟试验——Ⅰ.物理通量和参数

在原大气-植被相互作用模式AVIM的基础上作了改进，包括对值被生理过程，如（1）光合作用：（2）呼吸；（3）分配和（4）物候等新的描述方法。对青藏高原上30个站点进行模拟计算，给出了高压上地表辐射及水热物理通量以及地表拖曳系数和地面反照率的分布特征。模拟结果表明净辐射和感热通量由东南和西北增加，高原西北部地表反照率较高，东南部地表反照率较低。     

土壤中水热运动耦合方程预报模型研究

在土壤中热运动耦合方程模拟模型的基础上，对作物根系吸水函数进行改进，提出一个仅与降水、作物发育期和叶面积有关的新的根吸水函数表达式，从而建立土壤水分的预报模型。模型只需输入气象变量、土壤温度、土壤水文学参量及作物发育期等常规资料，即可对冬小麦田土壤水分状况进行预报，预报值与实测值的平均最大相对误差在8％以内。     

雨养玉米农田水热交换的环境控制机理研究

基于连续3年的涡相关观测数据分析了雨养玉米农田水热交换的环境控制机理.结果表明:热量(辐射与温度)与水分(土壤含水量与大气水汽压亏缺)因子是控制农田水热交换的关键因子,但随着研究时间尺度变化,其作用强度显著不同.当研究时间尺度由小时—日—月—季—年逐渐增大时,热量因子对玉米农田水热交换的影响逐渐减弱,而水分因子的影响却逐渐增强.因而,模拟玉米农田水热交换,以小时时间分辨率模拟时,能量输入应以辐射为主;以月为时间分辨率时,能量输入应以温度为主,可以提高模拟精度.另外,不同水文年型控制雨养农田水热交换的主要因子也有显著差异.湿润年,土壤水分充足,决定蒸发强度的可用能量是限制水分交换的关键因子;偏干年,农田水热交换受制于水分与能量的双重制约.因此,在估算半干旱地区水热交换时,同时还应关注不同水文年型的迥异环境控制机理,以提高不同时间尺度模型模拟精度.     

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。     

利用气象卫星资料对春季土壤水分进行监测的地面响应模型的研究

根据卫星遥感中利用热惯量法监测土壤水分的原理,考虑辐射平衡和潜热交换,分析了土壤热通量与地面辐射的关系及显热交换和潜热交换对土壤热通量的影响,建立土壤水分模型,为农业气象服务提供科学依据,也为利用卫星资料监测春季裸地土壤水分提供地面响应模型。     

SHAW模式的改进及其在黄土高原半干旱区的模拟研究

陆面过程模拟研究中的一个关键问题是如何准确的计算陆气间能量交换,但现有的陆面过程模式模拟的湍流通量与观测值间仍然存在较大偏差,因此改进湍流通量的参数化方案对于提高陆面过程模式模拟能力有重要意义。本研究通过改进陆面过程模式SHAW中的热力粗糙度方案,以及引入干表层蒸发方案,以期改善湍流通量的模拟能力。在此基础上利用黄土高原半干旱区SACOL站观测资料,进行模式改进前后的单点模拟对比试验,研究其参数化方案改进对陆面过程模拟的影响。结果表明:改进后的SHAW模式能够合理地模拟黄土高原半干旱区陆面特征的变化趋势,模拟值与观测值偏差较小。与原来的SHAW模式模拟结果相比,改进后的SHAW_MOD模式显著提高了湍流通量的模拟能力,并改善了净辐射和深层土壤温度的模拟,但对土壤湿度的改进并不明显,这可能与土壤内部水热传输过程及相关参数化方案有关,还有待做进一步研究。     

大口径闪烁仪及其在地表能量平衡监测中的应用

介绍了LAS仪器的测量原理及数据处理方法, 并利用中荷合作项目CEWBMS中获得的河南郑州LAS测站2000年的观测资料, 同时结合其它辅助资料, 对观测点附近地区的能量平衡状况进行了分析。分析结果表明, 由LAS测值得到的显热通量值, 以及结合净辐射资料间接得到的潜热通量值, 合理地反映出了当地能量平衡状况的季节变化, 显示出一年之中当地大部分的净辐射能用于潜热通量的释放。其数据结果所表征的当地下垫面干湿程度的变化与同期的降水及土壤相对湿度相比, 表现出了相当好的一致性, 这为拓展LAS在局地地表能量平衡监测中的应用提供了物理依据。     

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。     

农田土壤水分实用模式初探

根据土壤水分运动方程建立了旱地农田土壤水分动态数值模拟模式，该模式利用作的发育期和一些参数估算作物根系深度和相对根密度垂直分布动态变化，避免过去对根系进行的困难，增强了模式的应用性能。通过参数敏感性检验和模式应用效果分析表明，该模式可用于干旱、半干旱气候区农田土壤水分预测，为分析作物水分利用和确定农田灌溉量提供科学依据。模式所需的输入为初始土壤含水量、土壤物理常数、作和播种期、逐日平均气温、相地湿     

甘肃西峰地区麦田蒸散研究

分析了西峰站连续四年的作物发育状况和土壤湿度的观测资料,得出了麦田蒸散耗水的基本规律。探讨了影响小麦生长发育和产量形成的关键需水期。提出作物耗水特性系数的概念,并以此评判冬小麦发育期水分的供需状况,得出两年度冬小麦产量偏低的原因在于拔节－成熟期耗水特性系数明显偏小。建议及时灌孕穗水降低不孕小穗率,灌灌浆水提高小麦重粒重。