三江平原典型沼泽湿地能量平衡和蒸散发研究

基于涡度相关技术对三江平原典型沼泽湿地的水热通量进行了连续观测,研究沼泽湿地能量平衡和蒸散发的季节变化,确定观测期内沼泽湿地总蒸散量,并通过逐步回归方程估算沼泽湿地水面蒸发和植被蒸腾。结果表明,沼泽湿地的能量平衡具有明显的季节变化特征,总体看来,潜热通量是湿地的主要能量支出项,占净辐射的45.5%,感热通量和存储热通量分别占净辐射的27.9%和26.7%。2006年5~10月份沼泽湿地总蒸散量为310.6mm,月均日蒸散量最高值出现在7月。观测期内沼泽湿地水面蒸发量约为221mm,占总蒸散量的71%左右,植被蒸腾量则约占总蒸散量的29%,湿地蒸散发以水面蒸发为主。     

黑河流域山区植被带草地蒸散发试验研究

利用Penman-Monteith(PM)、 ASCE-Penman-Monteith(ASCE-PM)和Priestley-Taylor(PT)公式以及两个小型蒸渗仪SW10与N6的实际观测,计算了黑河流域山区试验草地2002年夏季的蒸散发. PM与PT方法验证了其中的一个小型蒸渗仪SW10的蒸散量, 也能验证小型蒸渗仪N6的蒸散量. 研究表明, 这种小型蒸渗仪在测算内陆河山区草地蒸散量的适用性比较强. 热量平衡要素计算结果表明, 山区草地的热量主要消耗于蒸散发.     

青藏高原中部高寒草甸蒸散发特征及其影响因素

蒸散发作为水量平衡和能量平衡的重要组成部分,其变化对于农业、生态和水文具有重要的影响。全球变暖导致青藏高原上冻土活动层加厚,改变大气和土壤的水热交换过程,为明确唐古拉多年冻土区的蒸散发在全球变暖大背景下的变化趋势,依托中国科学院冰冻圈国家重点实验室唐古拉站,利用小型称重式蒸渗仪的观测数据分析了2007-2013年蒸散发的变化特征及其影响因素。结果表明：2007-2013年草地生长季实际蒸散发总量呈现递增的趋势;在草地生长季内,草地生长中期的总蒸散量最大,生长初期的总蒸散量最小,但是日蒸散量则是在生长初期最大,生长后期最小;无降水日,草地的蒸散发主要受到净辐射和气温的影响,降雨日的蒸散发则主要受到净辐射和风速的影响。     

长江源区高寒退化湿地地表蒸散特征研究

青藏高原作为“亚洲水塔”,对东亚乃至全球大气水分循环都有非常显著的影响.高寒退化湿地是高原上生态多样性的保证,也是水汽循环和地表径流的重要源地,其地气之间水分交换不但可以反映气候变化,而且也对生态环境保护具有重要意义.以长江源区隆宝滩湿地连续一年、每10分钟一次的观测资料为基础,利用FAO Penman-Monteith方法分析了长江源区高寒退化湿地蒸散量的变化特征及其与环境因子之间的关系.结果表明：1）牧草生长期,潜在蒸散量日、月变化特征显著;实际蒸散量整体表现为冬小、夏大,夏季蒸散贡献最大.2）观测期间,蒸散量远大于降水量,水分亏损严重,局地蒸散对降水的贡献较高.3）土壤温度对蒸散发过程影响显著,尤其是表层5 cm地温与蒸散发相关性较好,土壤湿度变化表明其为蒸散发过程提供了充足的水分.4）全年变化中,气温是影响蒸散的主要因素.晴天中,高寒退化湿地实际蒸散量与辐射具有几乎相同的变化趋势,气温对蒸散量影响较小,蒸散量与相对湿度呈现显著的反相关.     

CLM5.0对高寒山区蒸散发模拟的适用性评估北大核心CSCD

蒸散发是地表水文循环和能量交换过程的重要组成部分,且在高寒山区有极强的时空异质性,准确模拟蒸散发对于研究高寒山区水文循环过程有着重要的意义。CLM5.0(Community Land Model5.0)是CLM模式的最新版本,具有较为完善的水文循环机制,是目前国际上发展最为完善的陆面过程模式之一。基于典型高寒山区黑河上游五个观测站的观测数据,对CLM5.0的蒸散发模拟性能进行评估。结果表明:CLM5.0在模拟蒸散发时结果总体上可信,其R值的范围在0.601~0.839之间,RSR值的范围在0.964~1.145之间,BIAS值的范围在^(-1).220~-0.597 mm·d^(-1)之间。说明CLM5.0在高寒山区可以较好地捕捉观测到蒸散发的时间趋势,但仍存在一定的低估。非生长季的BIAS值的范围在-0.904~-0.367 mm·d^(-1)之间,生长季的BIAS值的范围在-2.094~-0.794 mm·d^(-1)之间,这表明蒸散发模拟值的低估主要来自生长季的模拟。高寒草甸上R值的范围在0.299~0.651之间,RSR值的范围在1.135~1.332之间,高寒草地上R值为0.209,RSR值为1.450,因此,CLM5.0在草甸的模拟性能优于草地。CLM5.0白天R值的范围在0.605~0.840之间,RSR值的范围在0.252~1.193之间,夜晚R值的范围在0.344~0.651之间,RSR值的范围在0.482~2.966之间,对比可知CLM5.0在白天模拟蒸散发的性能优于夜晚。这些结论可为CLM5.0的应用和改进提供科学依据。     

基于中等分辨率遥感数据的柴达木盆地实际蒸散量的计算

在干旱的内陆盆地的水均衡中,蒸散发是主要的排泄方式,准确估算蒸散量是评价可利用水资源量的关键。从区域尺度上研究实际蒸散量对生态环境的保护具有重要的意义。基于表面能量平衡的原理,选取了DEM数据,MODIS数据以及GLDAS数据,以500 m的空间分辨率对柴达木盆地2001-2011年的蒸散量进行了估算,并研究了区域蒸散量的时空分布及其与气象站实测水面蒸发量的关系。结果表明：柴达木盆地的年实际蒸散量有逐年增大的趋势,从2001年的72.73 mm增加为2011年的182.34 mm,2001-2011年最大日均蒸散量介于2.62~3.20 mm。柴达木盆地的蒸发系数为0.14。分析NDVI和与其对应的ET的关系可知NDVI=0.055是柴达木盆地裸土和植被的分界点。虽然仅占据了研究区1.92%的区域,但水体的日均蒸散量最大,为2.31 mm/d。盆地裸土、稀疏灌木、中等覆盖灌木、草场以及农田2010年6-9月的日蒸散量平均值分别为0.24、0.42、1.21、1.12、1.18 mm/d。     

利用遥感方法估算华北平原陆面蒸散量

本文主要讨论了遥感技术在水文学领域的应用。利用基于能量平衡原理的SEBS模型,结合NOAA／AVHRR数据,通过遥感方法估算了华北平原的区域陆面蒸散量,并分析了不同潜水埋深条件下植被指数对蒸散发的影响。通过遥感估算方法得到,华北平原6～8月份是蒸散量较高时期,变化幅度较大;1、2月和11、12月是蒸散量较低时期,变化幅度较小。其日蒸散量变化范围在0～8mm之间;年蒸散量在520-1100mm之间,平均为700-800mm。地下水埋深较浅的沿海、黄河沿岸以及河南黄河以北的农业区为蒸散发的高值区。在不同潜水埋深条件下,蒸散量与植被指数之间均存在线性正相关性。且在潜水埋深介于1～2m的情况下,陆面蒸散与植被指数间的关系最明显,两者之间的相关性达到0．669。     

基于地表水循环遥感观测的黑河流域水平衡分析

流域内水循环各环节的水量及其时空分布是不断变化的,掌握流域水循环与水平衡状况是进行流域水资源合理开发利用的重要基础。以2000—2019年黑河流域水文显著变化期为研究时段,综合应用TRMM与GPM卫星观测的降水量、遥感估算的蒸散发量等数据并结合气象站点、水文站点等观测数据,对流域降水、蒸散发与径流等水循环要素的水平衡进行了分析。结果表明:祁连山区是主要产流区,向中游年均下泄水量约为45.11×108 m3。其中,消耗于中游的年均量约为29.92×108 m3,约占66%;补充下游的年均量约为15.19×108 m3,约占34%。民乐—张掖盆地是黑河中游水资源消耗的主要区域,年均消耗的上游来水和当地降水量达43.97×108 m3,约占中游消耗量的75%;中游农田蒸散发年均消耗水量约20.3×108 m3,占总消耗量的35%;上游区降水量增加是黑河干流出山口径流量增加的主因,对径流量增加的贡献率为96%,导致年均径流增加0.35×108 m3,潜在蒸散发对径流增加几乎没有贡献。根据目前黑河干流上游径流量变化与中游水资源消耗现状,如果未来水文周期变化导致上游径流减少,中下游用水矛盾凸显的风险较大。地表水循环遥感观测可作为流域水平衡分析的方法之一,分析流域地表水水资源的空间分布状况、揭示水资源变化趋势与原因,支撑水资源合理配置,陆面实际蒸散发是水平衡分析不确定性的主要来源,准确估测不同类型下垫面实际蒸散发量是提升分析可靠性的关键。基于互补相关的陆面实际蒸散发估算方法相对简单,但其中用于计算湿环境蒸散发量的Priestley-Taylor公式中乘性经验系数受地形影响空间变异很大,区域上采用统一数值会对结果造成不可忽视的影响。     

基于MOD16产品的淮河流域实际蒸散发时空分布

蒸散发是陆面过程中的重要环节,联系着陆面水循环和地表能量平衡.淮河流域地处中国南北气候过渡带,对淮河流域实际蒸散量时空变化的研究,有助于深入理解中国气候过渡带水循环对全球气候变化的响应.应用遥感技术对淮河流域MOD16_ET数据进行精度验证,并分析2000-2014年淮河流域蒸散发时空分布特征.结果表明:MOD16_ET产品在淮河流域内的精度总体上符合要求;淮河流域多年平均蒸散发的空间分布整体上呈南高北低,季节蒸散量的空间分布与年蒸散量的空间分布大体一致;近15 a淮河流域平均的实际蒸散量变化范围为531.7~634.0 mm,且存在不显著的下降趋势,实际蒸散量的季节变化大致呈单峰型分布,且季节变化较为明显,夏季(257.2 mm) >春季(143.7 mm) >秋季(120.7 mm) >冬季(66.6 mm);淮河流域西北部,夏、秋、冬三季的季节蒸散量变化速率对年蒸散量变化速率的贡献较大;淮河流域东部,春季的蒸散量变化速率占年蒸散量变化速率的比重较大.研究结果对于淮河流域内水资源短缺问题的解决、有限水资源的合理利用以及旱涝灾害的监测和预警有着重要的意义.     

基于遥感的区域蒸散量监测方法——ETWatch

ETWatch是用于区域蒸散遥感监测的业务化运行系统,集成了具有不同应用优势的遥感蒸散模型,并以Pen-man-Monteith公式为基础建立下垫面表面阻抗估算方法,利用逐日气象数据与遥感反演参数,获得逐日连续的蒸散分布图。所生成的从流域级到地块级的数据产品能动态反映区域蒸散发的时空变化规律。基于ETWatch方法,对2002-2005年海河流域和河北省馆陶县的蒸散状况进行了连续监测。利用地面观测资料对蒸散遥感监测产品的验证表明,涡度相关观测数据能量闭合率在0.9以上时,1 km级的日蒸散结果的平均偏差约10%;对于地块级(30 m)的ET,受混合像元的影响,相对于土壤水分消耗法测量的作物蒸散发,遥感监测作物蒸散发的平均误差在12.7%左右。     

青藏高原多年冻土区不同草地类型生态系统呼吸季节差异性

研究多年冻土区不同草地类型及季节生态系统呼吸,对理解青藏高原碳源汇关系及其对气候变化响应具有重要意义。在青藏高原风火山选取高寒草甸和沼泽草甸对生长季和非生长季生态系统呼吸进行观测。结果表明：生态系统呼吸呈明显的日变化和季节变化,高寒草甸日变异系数（0.30~0.92）高于沼泽草甸（0.12~0.29）,高寒草甸非生长季生态系统呼吸白天/晚上比高于生长季,而沼泽草甸季节变化较小;季节变化与5 cm地温变化一致。高寒草甸和沼泽草甸非生长季生态系统呼吸平均速率分别为0.31和0.36 μmol·m^-2·s^-1,生长季分别为1.99和2.85 μmol·m^-2·s^-1。沼泽草甸生态系统呼吸年排放总量为1 419.01 gCO₂·m^-2,显著高于高寒草甸（1 042.99 gCO₂·m^-2）,其中非生长季高27%,生长季高39%。高寒草甸和沼泽草甸非生长季生态系统呼吸总量分别为268.13和340.40 gCO₂·m^-2,分别占全年的25.71%和23.99%。两种草地类型生态系统呼吸与气温、5 cm和20 cm地温均显著相关,可解释37%~73%的季节变异,除生长季沼泽草甸外,生态系统呼吸与5 cm地温相关性最高。非生长季5 cm地温对应Q₁₀为4.34~5.02,高于生长季（2.35~2.75）,且沼泽草甸高于高寒草甸。生长季生态系统呼吸与土壤水分无显著关系,而非生长季生态系统呼吸受土壤水分显著影响（R²：0.21~0.40）,随土壤水分增加而增加。     

黑河中游地区湿草地蒸散量试验研究

干旱区湿草地蒸散量的估算对区域草地生态环境建设、草场的科学管理和湿地保护等具有重要的意义.但目前为止,对湿草地蒸散的观测和研究非常少.以气象观测资料为基础,采用不同的方法估算了黑河中游湿草地的参考作物蒸散量(ET₀),并对5种方法计算结果进行了对比.结果表明,除Priestley-Taylor法外,其余几种方法计算结果十分接近,相关性好.用FAO Penman-Monteith公式计算结果对ET₀的变化作了分析:在一个完整年度内,试验地ET₀为1193.9mm,日均3.26mm·d^-1.在牧草不同生长季节,ET₀变化剧烈,非生长期、生长初期、生长中期、生长末期分别为0.92mm·d^-1、2.13mm·d^-1、5.33mm.d^-1和2.52mm·d^-1,其蒸散量分别占全年蒸散总量的7.85%、5.02%、70.90%和16.23%.ET₀在2月中下旬迅速增大,4月增大幅度最大,此后进一步增大直到7月达到最大,随后逐步减小,在11月中旬随着牧草生长期的结束降至年最低值.确定了牧草非生长期、生长初期、生长中期、生长末期的K_c分别为0.30、0.40、0.90和0.88,计算的牧草地年实际蒸散量为962.0mm,日均2.63mm·d^-1.     

论冰缘寒区景观生态与景观演变过程的基本特征

冰缘区复杂多样的地域环境和分异显著的生物带谱特征,形成了高寒环境条件下特有的景观生态格局和结构。景观异质镶嵌具有三向性带谱规律,并表现出不同方向上景观过渡的渐变和突变差异,在空间上形成４种基本景观结构类型。景观嵌块以环境和干扰类型为主,景观结构简单、粗粒化。景观格局变化速度快、范围大,气候条件变化、各类冰缘作用尤其是冻土冻融条件的改变。是景观生态过程的驱动力,形成特有的冻融生态过程。     

Measurement and estimation of the summertime daily evapotranspiration on alpine meadow in the Qilian Mountains, northwest China

Research on mountain evapotranspiration (ET) is important to help understand water cycling and predict streamflow in cold regions in China. Actual daily ET was measured in two types of micro-lysimeters with depth 40 cm and diameter 31.5 cm (A) and depth 27 cm and diameter 27 cm (B), from 1 July 2007 to 10 September 2007, on an alpine meadow in the Qilian Mountains in northwest China, where Bowen ratio measuring instrument and eddy covariance system are too costly and difficult to be built in the region. The results of micro-lysimeters were used as a way to calibrate and test a number of energy balance methods and determine the pan coefficient (K _p) for a mountainous site. The results indicate that the FAO-56 Penman–Monteith offers the best performance, with RMSE of 0.61 mm day^?1, MAD of 0.46 mm day^?1, and the index of agreement near 1, followed by ASCE Penman–Monteith, Priestley–Taylor and Hargreaves–Samani, and the K _p is estimated as 0.7 for the summertime.     

青藏高原多年冻土区典型高寒草地生物量对气候变化的响应

多年冻土区冻土生态系统对气候变化极其敏感,利用在长江黄河源区实测的高寒草甸和高寒草原植被生物量数据以及青藏高原降水、气温以及地温等的空间分布规律,建立了长江黄河源区高寒草甸与高寒草原等主要高寒生态系统地上与地下现存生物量对气候要素变化的多元回归模型.预测分析表明:如果未来10 a气温增加0.44℃·(10a)^-1,在降水量不变的情况下,高寒草甸和高寒草原地上生物量分别递减2.7%和2.4%,如果同时降水量小幅度增加8 mm·(10a)^-1,则地上生物量可基本保持现状水平略有减少;在气温增加2.2℃·(10a)^-1,在降水量不变的情况下,高寒草甸和高寒草原地上生物量年分别平均减少达6.8%和4.6%,如果同期降水量增加12 mm·(10a)^-1,高寒草甸地上生物量可基本维持现状水平略有增加,而高寒草原地上生物量则递增5.2%.高寒草原植被地上生物量对气候增暖的响应幅度显著小于高寒草甸,而对降水增加的响应程度大于高寒草甸.明确高寒草地植被生物量随气候变化的演变趋势,对于青藏高原生态环境保护和研究气候变化对青藏高原生态系统碳循环和河源区水循环的影响具有重要意义.     

祁连山黑河上游多年冻土区不同植被类型土壤有机碳密度分布特征

山地多年冻土的异质性影响其植被类型的分布特征,且对有机碳的分布也具有重要影响。通过采集黑河上游多年冻土区三种典型植被类型（高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒草原）8个活动层的土壤样品,测定其土壤有机碳密度及其理化性质。结果表明：高寒沼泽草甸土壤有机碳密度最高（49.50 kg·m^-2）,高寒草甸次之（11.22 kg·m^-2）,高寒草原最低（7.30 kg·m^-2）。土壤有机碳密度的剖面垂直分布特征具有差异性,高寒沼泽草甸土壤有机碳密度随深度变化不明显,高寒草原和高寒草甸土壤有机碳密度随深度逐渐减小,存在显著的表层聚集性。有机碳密度与土壤含水率和细粒含量呈显著正相关,与pH值呈显著负相关关系。一般线性模型结果表明土壤含水率、pH值和土壤颗粒组成解释了96.39%的有机碳密度变异,其中土壤含水率贡献了81.53%,pH值和土壤粒度分别贡献了9.33%和4.75%。研究表明多年冻土区不同植被类型土壤有机碳密度分布特征具有明显差异,山地多年冻土土壤含水率是控制有机碳密度分布特征的重要影响因素。     

青藏高原两种草甸类型人工降雨截留特征分析

选取青藏高原典型多年冻土区风火山小流域高寒草甸和沼泽化草甸典型样地进行人工降雨截留试验,综合运用统计分析、模型回归分析等方法,对两种草甸类型截留特征及其影响因子进行分析。结果表明:两种草甸类型对降雨的截留能力是不同的,高寒草甸最大截留量0.61mm,沼泽化草甸为0.18mm;高寒草甸的最大截留率为12.4%,沼泽化草甸为3.8%。通过分析各因子对截留的影响,得出高寒草甸截留量与降雨量呈对数函数关系,沼泽化草甸截留量与降雨量呈二次多项式关系;两种草甸截留量与降雨强度都呈幂函数关系,与植被盖度均呈线性相关关系。     

长江源区高寒生态与气候变化对河流径流过程的影响分析

近40 a来长江源区气候变化剧烈,是青藏高原增温最为显著的地区之一,高寒生态系统与冻土环境不断退化.采用多因素逐次甄别方法与半经验理论方法相结合,基于多年冻土的不同植被覆盖降水-径流观测场观测试验结果,分析了长江源区气候-植被-冻土耦合系统中各要素变化对河川径流的不同影响.结果表明:近40 a来长江源区河川径流呈持续递减趋势,年均径流量减少了15.2%,频率>20%的径流量均显著减少,而>550 m³·s^-1的稀遇洪水流量发生频率增加;气候变化与高寒草甸覆盖变化对源区径流变化的影响较大,分别占5.8%和5.5%;气候与植被覆盖变化对径流的显著影响是与冻土耦合作用的结果,但冻土环境与冰川变化对径流的贡献尚不能准确评价.高寒沼泽湿地和高寒草甸生态系统对于源区河川径流的形成与稳定起到关键作用,这两类生态系统的显著退化是驱动河川径流过程中变差增大、降水-径流系数减少以及洪水频率增加的主要原因.保护源区高寒草甸与独特的高寒湿地生态,对于维护源区水涵养功能和流域水安全意义重大.     

The influence of degradation of the swamp and alpine meadows on CH<Subscript>4</Subscript> and CO<Subscript>2</Subscript> fluxes on the Qinghai-Tibetan Plateau

CH₄ and CO₂ fluxes from a high-cold swamp meadow and an alpine meadow on the Qinghai-Tibetan Plateau, subject to different degrees of degradation, were measured over a 12-month period. Air temperature, soil temperature and moisture, and the depths of the water table and thawing-freezing layer were determined. For swamp meadows, the greater the degradation, the lesser the carbon efflux. CH₄ emissions at the nondegraded swamp meadow site were 1.09–3.5 and 2.5–11.27 times greater, and CO₂ emissions 1.08–1.69 and 1.41–4.43 times greater, respectively, than those from moderately and severely degraded sites. For alpine meadows, the greater the degradation, the greater the CH₄ consumption and CO₂ emissions. CH₄ consumption at the severely degraded alpine meadow site was 6.6–21 and 1.1–5.25 times greater, and CO₂ emissions 1.05–78.5 and 1.04–6.28 times greater, respectively, than those from the nondegraded and moderately degraded sites. The CH₄ and CO₂ fluxes at both sites were significantly correlated (R ² > 0.59, P < 0.05) with air temperature, soil temperature, and topsoil (0–5 cm depth) moisture, indicating these to be the main environmental factors affecting such fluxes.     

青藏高原典型寒冻土壤对高寒生态系统变化的响应

高寒生态系统对全球变化非常敏感,以青藏高原腹地的长江黄河源区为研究区域,利用多期遥感TM数据和生态样带调查数据,提出生态综合指数方法.应用土壤结构、组成与水理特性等物理指标和土壤化学性质与养分含量指标,系统分析了青藏高原典型寒冻土壤如钙积寒性干旱土、简育寒性干旱土、草毡寒冻雏形土以及简育寒冻雏形土等对高寒生态系统变化的响应特征.结果表明:随着气候变化,主要高寒生态系统如高寒草甸、高寒草原以及高寒沼泽草甸等显著退化,寒冻土壤表层呈现明显粗粝化,草毡寒冻雏形土以及简育寒冻雏形土表层土壤细粒物质流失38.7%,土壤孔隙度和容重增加;高寒草甸土壤表层饱和导水率随综合生态指标值降低而急剧增大,当植被覆盖度<50%以后,土壤表层水分集聚现象不再存在,高寒草原土壤饱和导水率变化不明显;高寒草甸与高寒草原土壤的有机质和全氮含量均随生态指数减少而分别呈现抛物线和指数曲线形式减少.随着气候变暖和人类活动干扰的加剧,高寒草地生态系统变化将可能导致寒冻土壤环境持续退化并对高原草地碳循环产生重要的影响.