长江源区五道梁的土壤热状况研究

活动层土壤热状况是寒区陆面物理过程研究的重要内容之一。利用五道梁能量收支观测站1993年9月～2000年12月份实测辐射及土壤热通量资料结合五道梁气象站1961-2010时段的气象资料分析了近50 a来该地区活动层土壤的热状况。结果表明：五道梁地区土壤热通量有显著的年际、年代际变化;20世纪60～80年代,土壤热通量小于0.0 W/m²,活动层土壤以放热为主,自90年代以来,土壤热通量大于0.0 W/m²,活动层土壤以吸热为主。过去50 a中该地土壤热通量呈现增大趋势,平均每10 a土壤热通量增大0.31 W/m²。土壤热通量随净辐射的增大而增大。土壤热平衡系数的变化特点与土壤热通量的变化特点一致。60～80年代,活动层土壤热平衡系数<1,该地区冻土相对比较稳定,而自90年代以来此间土壤热平衡系数<1,表明该地多年冻土呈现出退化迹象。活动层土壤热平衡系数可表示为气温、地表温度及水汽压的函数。     

黄土高原半干旱区陆面温度和能量的气候特征分析

利用黄土高原半干旱区“定西陆面过程综合观测试验站”2004年11月至2005年10月的各种陆面物理量综合资料,比较系统地研究了黄土高原半干旱区土壤温度、降水量、地表反照率、地表辐射分量和能量平衡分量的年变化和日变化特征及其影响机制。结果显示,黄土高原陆面过程特征与其他地区有很大不同。土壤温度变化向下传播速度约为2.5~3.5 h/10cm;地表反照率随土壤湿度的增大而减小,两者的相关系数达到了0.5338;而地表反照率随降雪量增大而增大,与降雪量的相关系数为0.6645;长波辐射年最大值出现的时间比总辐射迟1个月左右,年平均日变化中地表和大气对太阳辐射加热大约需要1个小时的响应时间; 潜热通量夏季是冬季的5倍多,感热通量有了两个比较明显的峰值,潜热通量、感热通量和土壤热通量的日峰值比净辐射滞后30 min~1 h。     

黄土高原半干旱草地降水前后土壤的温、湿度及热力特征

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站）陆面过程综合观测资料,分析了强降水前后榆中黄土高原半干旱草地土壤温、湿特征的差异,讨论了水分状况对土壤热力参数及地表能量分配的影响。结果表明:水分胁迫条件下,黄土高原半干旱草地土壤在10 cm深度存在一个湿层;强降水过程可使土壤湿度受影响范围接近40 cm深度。水分胁迫条件下,感热通量是黄土高原半干旱草地生态系统能量分配过程中净辐射的最大消耗项;无水分胁迫条件下,潜热通量是能量平衡系统中净辐射分量的最大消耗项。降水改变了土壤湿度并使得土壤热传导率发生变化,土壤热传导系数和土壤热容量随土壤湿度增加而增大。     

三江平原季节性积水沼泽湿地能量平衡要素研究

2005年6月1日到8月30日,在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站沼泽综合试验场季节性积水沼泽湿地,观测了净辐射和土壤热通量;利用Penman-Monteith公式和地表能量平衡方程式计算了潜热通量和感热通量;同时用SHAW模型对以上4个能量平衡要素进行了模拟研究,并用观测值以及模型效率、标准差和平均方差检验和评价了其模拟效果。结果表明,三江平原季节性积水沼泽湿地净辐射在6月末至7月初较大;潜热通量主要受净辐射的影响,与土壤水分关系不密切;沼泽湿地地表在6月初至8月中旬以吸收能量为主,8月末以后则开始释放能量;感热通量在植物生长季的初期和末期较大,在中期则比较小。SHAW模型能较好的模拟出沼泽湿地的净辐射、潜热通量和土壤热通量;该模型虽对感热通量的模拟结果并不理想,但能较好的模拟其变化趋势。这说明SHAW模型基本适用于对季节性浅积水沼泽湿地（水深小于10cm）能量平衡各要素的模拟。     

敦煌戈壁冬夏季地表辐射与能量平衡特征对比研究

利用敦煌戈壁夏（2006年7月）、冬（2007年1月1—10日）季观测得到的微气象资料,比较了夏、冬季敦煌戈壁的地表辐射平衡、能量平衡特征。分析了地表反照率（Albedo）与土壤特性的关系,发现地表反照率和表层土壤温度日变化呈反相关;冬季地表反照率和土壤湿度的线性相关差,夏季地表反照率和土壤湿度的线性相关性好;地表反照率和土壤热通量呈反相关,并且冬季二者的拟合性好于夏季。分析了降水前后各能量通量的变化,发现阵雨时感热H是变小的,降雨过后H和净辐射Rn有明显的增大,土壤热通量Gn在降雨过后也有增大,潜热LE变化微弱,对阵性降水强迫后的非平衡态的张弛时间大约为3 d。     

石河子垦区沙漠和绿洲下垫面生态条件下能量交换特征

 在古尔班通古特沙漠南部流动沙区及其以南100 km的滴灌棉田为绿洲下垫面的生态条件下,分析研究了能量输送的不同模式和日变化进程。在沙漠生态条件下, 大部分净辐射用于感热通量的散失,另一部分用于向地下传输,少部分则用于潜热输送;与沙漠相比,在滴灌棉田生态条件下的绿洲能量输送的基本模式为: 农田蒸散的潜热能量占绝大部分,少部分用于感热通量和土壤热通量的消耗,另一个与沙漠不同的特征是绿洲存在地表能量平衡差额。     

奈曼沙地春小麦蒸散量及其分析

运用波文比-能量平衡法和大型蒸渗仪对沙地春小麦的蒸散量进行了连续的测定和估算,并对由于降雨和灌溉所引起的土壤有效水分变化与沙地春小麦蒸散量之间的相关关系进行了初步探讨。结果表明:①春小麦蒸散量在降水或灌溉后1~2 d最大,然后逐渐下降,说明春小麦的蒸散速度受土壤有效水分含量的影响;②春小麦出苗前和生长初期,蒸散以地表蒸发为主,蒸散量较小,感热通量和土壤热通量较大;随着时间推移,L AI(叶面积系数)逐渐增大,由于作物遮蔽,感热通量和土壤热通量减小,潜热通量对净辐射贡献增大;③测定期间,波文比在早晨日出前(5:00)达到最大,至下午15:00左右下降为最小,然后开始增大至次日凌晨;④应用波文比-能量平衡法估测的沙地春小麦蒸散量与大型蒸渗仪的测定值一致性较好,相关系数R²为0.9055。     

额济纳绿洲地表辐射和热量特征研究

通过利用2003年9月5日～9月29日黑河下游额济纳地区的微气象观测资料,分析了额济纳绿洲在晴天、阴天和降水天气条件下的地表辐射、热量平衡和土壤温度等微气象特征。结果表明：在不同天气条件下近地层微气象特征变化有很大差别,晴天时地表微气象特征日变化规律明显,阴天和降水天时变化规律不明显。观测期间平均气象特征与晴天较接近,平均总辐射、净辐射和感热通量与晴天比值基本大于0．8。晴天的日变化特征基本上代表了绿洲区的气候特征,阴天和降水天时的变化表示了在晴天基础上的扰动大小。晴天时地面热量交换以感热通量为主,日间绿洲内平均Bowen比为1．5左右；阴天地面热量交换以潜热通量为主,平均Bowen比在0．5左右。     

中国西北地表能量分配影响因子及特征空间法适用性北大核心CSCD

利用2009年地面实测资料,分析中国西北地区不同气候区潜热、感热及其与净辐射之比随土壤体积含水量、土壤温度及入射辐射的变化特征,并结合2000—2018年中分辨率成像光谱仪(MODIS)产品讨论特征空间法在中国西北地区的适用性。结果表明:在以玛曲站为代表的高寒湿润区,入射能量始终是潜热的主导因素,用于潜热估算的斜率φ可直接取1.26,潜热估算精度依赖于净辐射的反演结果。在以兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL,榆中站)和长武站为代表的半干旱、半湿润区,当入射能量充足时,土壤水分成为潜热的主导因子,这时候使用特征空间法估算的斜率φ值与实测值相关性显著,φ的估算精度将直接影响潜热估算结果。所以,特征空间法适用于以水分为潜热主导因子的地区和时段,且要满足植被指数与地表温度呈负相关。另外需要注意的是在选择特征空间法研究区时必须保证植被指数与地表温度的散点呈规则的“三角形”。     

塔克拉玛干沙漠腹地秋季陆面过程特征

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中2014年10月的秋季涡动通量数据，分析了塔中秋季陆面过程通量变化特征。结果表明：（1）塔中秋季10月净辐射R_n、感热通量H、潜热通量LE、地表土壤热通量G₀峰值依次为273.0、141.6、5.0、105.0 W·m^-2，平均日总量依次为2.85、2.68、0.08、-0.57 MJ·m^-2，净辐射能量分配以感热能量输送为主。（2）不同典型天气下，净辐射日总量扬沙>晴天>阴天>降水；阴天、扬沙天气H随R_n不同程度削减而减少，降水天气潜热增多导致日变化特征有别于其他天气。（3）10月能量闭合率为79.0%，不同天气能量闭合率阴天>晴天>扬沙>降水，依次为86.8%、83.4%、79.4%、71.4%。（4）地表反照率晴天呈“U”型变化，阴天和扬沙天气地表反照率趋势变缓发生波动现象，降水天气波动较大，趋势先降低后回升。（5）月平均热通量日间为正值，夜间为负值。日间能量闭合率为73.9%，夜间为50.8%，存在较高的能量不闭合。     

青藏高原西部的地面热源强度及地面热量平衡

以1997年11月至1998年10月青藏高原西部改则和狮泉河地区自动气象站(AWS)连续观测的近地层梯度资料,采用廓线-通量法计算出观测期逐日的总体输送系数,进而用总体公式得出两站逐日的地面感热和潜热通量。结果表明:在此观测期内青藏高原西部不论冬夏地面皆为热源,地面热源强度具有明显的季节变化,两站地面热源强度的年平均值分别为82.5W/m²和68.2W/m²。结合辐射和土壤热通量观测资料揭示了两站的地面热量平衡状况,用地面热量平衡方程对以上结果进行了闭合误差检验。     

1987—1988年夏季长城站地区的热力和动力特征

本文利用1987～1988年夏季我国首次南极长城站边界层气象观测实验资料,运用近地层大气通量的平均廓线理论计算方法,分析了该地区夏季的热状况特征,并与南极内陆的瑞穗站及我国青藏高原等地区的热状况进行了初步比较。在夏季,长城站地面相对于大气而言,仍为热源,地面主要以潜热输送的方式加热大气。夏季长城站的热状况特征与我国青藏高原东部地区进入雨季后的情况相近。     

额济纳绿洲地表土壤热通量特征及模拟估算

土壤热通量是地表能量平衡的重要分量,研究其变化特征对理解能量平衡过程具有十分重要的意义。利用中国科学院阿拉善荒漠生态水文试验研究站实际观测数据,分析了额济纳绿洲在不同天气条件（晴天和阴天）和时间尺度下地表土壤热通量变化特征,并采用强迫恢复法对地表土壤热通量进行了估算。结果表明：（1）晴天地表土壤热通量的日总量、平均值、最大值和振幅等都明显大于阴天。（2）在观测期内,地表土壤热通量总体呈先升高后降低的趋势,最大值出现在7月中旬,最小值出现在10月初,二者之间的日均值相差超过了900 W·m^-2。（3）不论晴天还是阴天,净辐射较地表土壤热通量在早晨和晚间都是先达到零值,且净辐射在正午前后先达到峰值。（4）对地表土壤热通量取绝对值可以看出,无论昼夜,均是晴天大于阴天。（5）一天内地表土壤热通量占净辐射的比例随着时间递减。（6）基于强迫恢复法估算的额济纳绿洲地表土壤热通量与实测值具有较好的一致性,可用于地表土壤热通量模拟。     

土地覆被变化过程中叶面积指数与降水量对地表能量平衡的贡献——基于SiB2的模拟结果

土地覆被变化过程中,叶面积指数（LAI）是地表能量平衡重要的影响因素,且与降水等多种因素存在交互作用。以2003 年中国东北地区农田、森林和草地三种覆被类型和三种LAI月变化过程为研究对象,着重分离出土地覆被变化过程中LAI对地表能量平衡的作用,认清覆被和LAI 变化对地表能量平衡的相对作用。利用SiB2 模型研究不同降水条件下土地覆被和LAI 变化对地表能量平衡的影响。结果表明：① 覆被变化对净辐射的影响最大,年均14.5W·m^-2左右。② LAI 主要改变净辐射对潜热和显热的分配,对农田和草地而言,LAI 增加明显提高（减小）潜热（显热）分配比例;对森林而言,LAI对潜热和显热分配的影响较弱。③ 降水对净辐射的分配起重要作用,降水增加,潜热增加。④ 表层土壤水分受降水和LAI 调控,与潜热有相反的变化趋势。     

An overview of the spatial patterns of land surface processes over arid and semiarid regions

With data from the project Collaborative Observation of Semi-arid/Arid Regions in North China, collected during July and September 2008, the spatial patterns of land surface processes over arid and semiarid regions have been investigated based on the ordinary Kriging interpolation approach. Generally, for the radiation processes, downward and upward short-wave radiation have a uniformly increasing trend with latitude, but the spatial patterns of long-wave radiation present notable regional differences: both upward and downward long-wave radiation increase with latitude in the west of North China, while in the east they vary inversely with latitude, suggesting surface temperature and clouds respectively have feedbacks to the long-wave radiation in the west and east of North China. The surface net radiation basically has a negative latitudinal trend. Long-wave radiation budget plays an important role in the spatial pattern of surface net radiation, particularly in the east of North China, although short-wave radiation budget largely determines the magnitude of surface net radiation. For the energy processes, latent and sensible heat flux varies conversely with latitude: more available land surface energy is consumed by evaporating soil water at lower latitudes while more is used for heating the atmosphere at higher latitudes. A soil heat flux maximum and minimum are found in Loess Plateau and Qinghai Plateau respectively, and a maximum is seen in the northeast China.     

大气——植被——土壤之间物质和能量输送过程与机制的分析

在绿洲－荒漠交界处，由于绿洲荒漠之间的相互影响，相互作用，使得大气－植被－土壤之间的特和能量交换形成其特有的过程，本文对这些交换过程与机制进行了较为详细，准确的讨论。     

Variation of fluxes of water vapor, sensible heat and carbon dioxide above winter wheat and maize canopies

Surface energy fluxes were measured using Bowen-Ratio Energy Balance technique (BREB) and eddy correlation system at Luancheng of Hebei Province, on the North China Plain from 1999 to 2001. Average diurnal variation of surface energy fluxes and CO2 flux for maize showed the inverse "U" type. The average peak fluxes did not appear at noon, but after noon. The average peak CO2 flux was about 1.65 mg m-2 s-1. Crop water use efficiency (WUE) increased quickly in the morning, stabilized after 10:00 and decreased quickly after 15:00 with no evident peak value. The ratio of latent heat flux (λE) to net solar radiation (Rn) was always higher than 70% during winter wheat and maize seasons. The seasonal average ratio of sensible heat flux (H) divided by Rn stayed at about 15% above the field surface; the seasonal average ratio of conductive heat flux (G) divided by Rn varied between 5% and 13%, and the average G/Rn from the wheat canopy was evidently higher than that from the maize canopy. The evaporative fraction (EF) is correlated to the Bowen ratio in a reverse function. EF for winter wheat increased quickly during that revival stage, after the stage, it gradually stabilized to 1.0, and fluctuated around 1.0. EF for maize also fluctuated around 1.0 before the later grain filling stage, and decreased after that stage.     

Radiation balance and the response of albedo to environmental factors above two alpine ecosystems in the eastern Tibetan Plateau

Understanding the energy balance on the Tibetan Plateau is important for better prediction of global climate change. To characterize the energy balance on the Plateau, we examined the radiation balance and the response of albedo to environmental factors above an alpine meadow and an alpine wetland surfaces in the eastern Tibetan Plateau, using 2014 data. Although our two sites belong to the same climatic background, and are close geographically, the annual incident solar radiation at the alpine meadow site(6,447 MJ/(m2·a)) was about 1.1 times that at the alpine wetland site(6,012 MJ/(m2·a)),due to differences in the cloudiness between our two sites. The alpine meadow and the alpine wetland emitted about 38%and 42%, respectively, of annual incident solar radiation back into atmosphere in the form of net longwave radiation; and they reflected about 22% and 18%, respectively, of the annual incident solar radiation back into atmosphere in the form of shortwave radiation. The annual net radiation was 2,648 and 2,544 MJ/(m2·a) for the alpine meadow site and the alpine wetland site, respectively, accounting for only about 40% of the annual incident solar radiation, significantly lower than the global mean. At 30-min scales, surface albedo exponentially decreases with the increase of the solar elevation angle; and it linearly decreases with the increase of soil-water content for our two sites. But those relationships are significantly influenced by cloudiness and are site-specific.