GDAS数据和NOAH陆面模式在中国应用的精度检验

GDAS数据集中的大气强迫数据是目前使用最广的用于陆面模式模拟地表水热参数的输入数据集,除模型本身外,可以说这些输入数据决定了模型的模拟精度。虽然这类数据具有空间分辨率低、空间代表性和精度有限的缺点,但在没有更好办法的现实条件下,现阶段多数研究者还是以此为依据进行陆面过程的模拟分析。本文的目的就是对目前普遍使用的GDAS强迫数据和NOAH陆面模式在中国应用的模拟精度进行检验,是模型和数据不做任何改动条件下的检验结果,给出客观的评价,以作为数据和模型使用者的参考依据,引起研究者的重视。利用中国3种典型生态系统的地面实测数据进行检验的结果显示：@GDAS强迫数据中的短波净辐射数据和总净辐射数据质量非常好,可以作为重要的辐射数据源使用;（2）GDAS的降雨数据与地面雨量筒实测数据比较误差较大,但综合考虑降雨数据验证时的尺度效应问题和目前降雨空间数据资源十分有限,GDAS的降雨数据仍具有很高的实用价值;（3）NOAH模拟的地表潜热、显热通量和0-10cm表层土壤含水量数据在时间变化趋势上与地面观测结果较一致,说明模拟结果能够很好地反映地表真实的变化过程,但在具体量值上仍存在较大差异;（4）NOAH模拟对土壤热通量的模拟精度较差。     

西北干旱地区大气降水δ18O的特征及水汽来源

In order to reveal the characteristics and climatic controls on the stable isotopic composition of precipitation over Arid Northwestern China, eight stations have been selected from Chinese Network of Isotopes in Precipitation (CHNIP). During the year 2005 and 2006, monthly precipitation samples have been collected and analyzed for the composition of δD and δ18O. The established local meteoric water line δD=7.42 δ18O+1.38, based on the 95 ob-tained monthly composite samples, could be treated as isotopic input function across the region. The deviations of slope and intercept from the Global Meteoric Water Line indicated the specific regional meteorological conditions. The monthly δ18O values were characterized by a positive correlation with surface air temperature (δ18O (‰) =0.33 T (℃)-13.12). The amount effect visualized during summer period (δ18O (‰) = -0.04P (mm)-3.44) though not appeared at a whole yearly-scale. Spatial distributions of δ18O have properly portrayed the atmospheric circulation background in each month over Arid Northwestern China. The quan-titative simulation of δ18O, which involved a Rayleigh fractionation and a kinetic fractionation, demonstrated that the latter one was the dominating function of condensation of raindrops. Furthermore, the raindrop suffered a re-evaporation during falling processes, and the pre-cipitation vapor might have been mixed with a quantity of local recycled water vapor. Multiple linear regression equations and a δ18O-T relation have been gained by using meteorological parameters and δ18O data to evaluate physical controls on the long-term data. The estab-lished δ18O-T relation, which has been based on the present-day precipitation, could be considered as a first step of quantitatively reconstructing the historical environmental climate.     

三维非同温表面热辐射方向性模型的室内模拟实验验证

基于室内模拟实验,对遥感像元尺度地表热辐射方向性模型进行验证.当考虑地表像元具有明显的三维结构且像元内温度非均一时,像元辐射亮温的方向性取决于像元结构和像元组分的温差,对三维非同温表面的室内模拟和观测实验验证了基于这一思路建立的表面热辐射方向性模型.     

中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的研究进展及其发展思路

涡度相关技术经过长期的理论发展和技术进步,已经成为直接测定陆地生态系统与大气间的CO2和水热通量的重要方法.随着涡度相关通量观测在全球范围内的广泛开展,各区域、国家以及国际通量观测研究网络(FLUXNET)也应运而生.在过去10年里,通量观测研究在探讨全球陆地生态系统碳循环和水循环过程及环境控制机理、揭示陆地生态系统碳收支的时空格局、寻找"未知碳汇"等方面取得了显著的成果,也为资源、生态和环境等科学领域的国际交流创造了理想的合作研究平台.随着通量观测研究的不断深入,今后国际通量界将加强引进和开发新的观测技术,扩展通量观测的应用领域,尝试运用通量观测数据来协助研究有关生物地理学、生物地球化学、生态水文学、气象/气候学、遥感和全球碳循环模型等领域的科学问题.中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)是FLUXNET的重要组成部分,经过3年多的连续观测和研究已在涡度相关通量观测技术和方法、典型陆地生态系统碳水交换过程及其环境响应机理、生态系统碳水通量模型开发等方面取得了一系列重要进展.研究发现中国的主要森林生态系统在2003～2005年度都为大气CO2的汇,青藏高原上的高寒草甸生态系统也表现为较弱的碳汇,而封育的内蒙古半干旱羊草草原却表现为弱的碳源;在大的空间尺度上,温度和水分是决定陆地生态系统碳收支的关键环境因子.ChinaFLUX的发展思路拟以典型生态系统通量的联网观测与陆地样带研究相结合为技术途径,开展多尺度、多过程、多途径、多学科的综合集成观测,重点探讨生态系统的水、碳、氮循环过程机理及其耦合关系.     

定量遥感反演作物蒸腾和土壤水分利用率的区域分异

首先讨论了在农业生态站建立的行之有效的、以遥感数据为主体的作物蒸腾二层模型.重点阐明了以多时相辐射温度和热惯量信息为基础的作物地表混合像元（视场）温度的分解模型,在遥感反演过程中提出了一些在模型和算法方面的优化和改进:提出了一个区域比辐射率估算的算法、提出了运用地表温度的静态反馈算法和扩展生态台站的空气温度到区域的算法.并在LUCC分类技术的支持下,提出了以地面粗糙度和辐射温度为参数的地面2m高的气温和风速的空间扩展算法.最后应用 NOAA-AVHRR和地面同步观测及其定标,按像元逐点运算,反演了华北地区农田作物蒸腾和水分利用率的区域分布.揭示了春天华北地区水资源在农业上的利用效率,为采取有效的节水措施提供了科学依据.     

非同温系统中基尔霍夫定律的适用性和热量平衡原理

根据地物界面热量平衡原理, 提出了在非同温系统中地物热辐射的相互作用的基本方程, 该方程的解比传统的表面温度冷却(增温)过程解更全面地考虑到了显热通量和潜热通量的作用, 并以北京小汤山实验数据进行了论证. 指出基尔霍夫定律在非同温系统中的不适用性的同时, 明确了在非同温系统中比辐射率的可测性. 提出的通风补偿法和延时补偿法, 克服了比辐射率测定中由于非同温物体的相互作用而增温和降温所引起误差. 以基本方程的解为准则, 对定量热红外遥感界理解和应用基尔霍夫定律中所存在的不确切和模糊的认识, 进行了分析和论述.     

运用SAR图像和TM热红外图像定量反演地表空气动力学粗糙度的二维分布

在分析“陆地表面与大气相互作用”研究领域对地表空气动力学粗糙度二维分布的科学需求后, 确定以SAR (Synthetic Aperture Radar)图像的后向散射系数与地表的几何特征参数、介电常数等参数具有定量关系的SPM(Small Perturbation Model)模型为基础, 提出了运用TM热红外图像和地面同步观测的微气象数据相结合的热惯量-土壤湿度反演模型, 获取了试验区内土壤表层的湿度信息, 通过与介电常数的链结, 从SAR图像的后向散射的复合信息中解析出像元尺度的非体散射地表的几何特征信息; 经过形态因子的转换, 在SAR图像和TM图像空间尺度转换的基础上得出非植被区的等效几何粗糙度信息. 再应用作物高度的光谱模型, 计算出试验区的作物高度后, 转换为等效几何粗糙度. 采用分层镶嵌等图像处理方法, 生成了试验区像元尺度的地表等效几何粗糙度的二维分布图. 根据大气湍流理论和大气稳定度订正方法, 对测量的大气温度剖面数据和风速剖面数据进行迭代运算, 获取了试验区内裸土及小麦植被等类型地表风浪区的空气动力学粗糙度实测值. 在分析风浪区等效几何粗糙度、动力因子、热力因子对空气动力学粗糙度的共同作用后, 建立了由地表等效几何粗糙度向空气动力学粗糙度转换的尺度转换模型. 运用实测值验证了这一系列模型最终反演结果, 表明整个研究思路是可行的, 并可望应用于与空气动力学粗糙度有关的地-气相互作用的区域化研究领域.     

中国通量网(ChinaFLUX)夜间CO_2涡度相关通量数据处理方法研究

利用涡度相关方法连续观测的结果来估算陆地生态系统碳收支“真值”的工作,越来越引人注目．但是在后期的数据(特别是夜间观测数据)处理过程中,涡度相关方法会出现许多的不确定性问题．目前在世界范围内,用涡度相关方法测定的有效和可靠的夜间CO2通量数据占所有夜间数据的比例很低(通常低于50％)．因此,夜间CO2通量数据的处理以及分析其对生态系统碳收支估算的影响是一个非常关键的问题．简要分析和讨论了用涡度相关方法观测的夜间CO2通量数据失真的可能原因,介绍了目前国际上处理夜间CO2通量数据所采用的理论和一般方法,并结合中国通量网(ChinaFLUX)部分台站的观测数据,提出了一种可以根据夜间CO2通量与摩擦风速的相关关系来客观确定摩擦风速阈值的方法——平均值检验法(AVT),并以禹城站和长白山站数据为例,分析讨论了不同夜间数据处理方法对夜间CO2通量产生的影响．最后还在查阅相关文献的基础上,对ChinaFLUX不同台站的数据插补方法和经验方程进行了汇总．     

长白山阔叶红松林CO_2通量季节和年际变化特征及控制机制

老龄林碳代谢的长期测定对于预测其在未来气候条件下的碳收支状态,减小陆地生态系统碳收支的不确定性十分重要．本研究使用连续两个生长季节(2003和2004年)的涡度相关CO2净交换通量测定和常规气象资料分析平均林龄200年的长白山阔叶红松林生态系统(128°28′E, 42°24′N,中国吉林省)FNEE及其主要成分FGPP与Re的季节和年际变化特征及环境和生物因子对其的影响．通量数据进行了平面坐标旋转,储存项和μ*修正．叶面积指数和温度分别控制着该生态系统FGPP和Re的季节动态和年际差别．水汽压亏缺和气温在更小尺度上调节生长季节的生态系统光合生产,根部水分条件显著影响生态系统冬季维持性的碳代谢过程．2003年1月至2004年12月该生态系统累计截获碳-449 g C·m-2,其中2003和2004年分别为-278和-171 g C·m-2．这两年FGPP和Re分别为-1332,-1294 g C·m-2和1054,1124 g C·m-2．这显示老龄森林可以成为强的碳汇．受环境因子调控,长白山阔叶红松林生态系统的碳代谢表现出显著的季节和年际差异．冬季该生态系统存在弱的光合作用,但总体上向大气释放CO2．春秋季节碳代谢非常活跃,但生态系统吸收和释放几乎相同数量的碳,对全年碳截获贡献并不显著．夏季碳代谢对该生态系统全年碳收支意义重大．90 d的夏季分别贡献全年66．9,68．9％的FGPP和60．4,62．1％的Re．     

南亚热带森林土壤CO_2排放的季节动态及其对环境变化的响应

应用静态箱／气象色谱法对南亚热带3种森林土壤地表CO2排放通量的季节动态及其对环境变化的响应规律进行了2年的连续观测,结果表明:季风常绿阔叶林、针阔叶混交林和马尾松针叶林(S L)CO2年排放总量分别为3942．2,3422．36和2163．02 gCO2．m-2·a-1,并且3种林分具有相同的季节性变化特征,排放高峰均出现在6～8月,这期间的土壤CO2排放量占全年排放总量的35．9％,38．1％和40．2％:不同森林土壤CO2排放过程对环境变化的响应有明显差异,具体体现在针叶林(PF)对温度变化的响应较阔叶林(BF)和混交林(MF)敏感,Q10值较大,而且CO2排放通量的季节变化幅度较大,表明结构单一的森林生态系统抗干扰能力较差;3种森林土壤CO2排放通量与土壤温度(Ts)、土壤含水量(Ms)和空气压力(Pa)均呈显著相关;但多元回归分析表明,空气压力对森林土壤CO2排放通量的影响并不显著;基于经验模型,以土壤5 cm处温度和土壤含水量两个指标可以分别说明阔叶林、混交林和针叶林土壤CO2排放通量变异的75．7％,77．8％和86．5％,该模型可以较好地描述受水分胁迫的土壤或干旱或半干旱土壤CO2的排放过程．