MTCLIM模型系列研究报告(4):辐射估算方法在我国南方亚热带山地的改进

以已有的数据、理论和模型为基础,在我国南方亚热带山地对MTCLIM模型的辐射估算方法进行了改进,对模型参数作了重新估计。经过改进后,辐射子模型中的参数B的变化不再用月平均温差表示,而是用月平均水汽压来表示。交互验证估计参数的方法能消除不良数据的影响,获得较好的模拟效果,最后估计的参数T0 nadir.dry、α、C、a和b分别为0 823、0 000039、1 7、0 0173和0 0000122。与用原来参数估计的结果相比,参数估计后预测的日总辐射结果有明显改善,相关系数R2从原来的0 55～0 73提高到0 65～0 82,总平均绝对误差从原来的3 81MJ/m·d-1降低为2 90MJ/m·d-1,减少了约1MJ/m·d-1。     

开路与闭路涡度相关系统通量观测比较研究

开路(OPEC)与闭路(CPEC)两种观测系统是涡度相关技术观测通量的主要技术手段,用这两种观测系统进行通量观测时,由于系统本身的差异有可能导致观测结果的不同,因此在通量观测中对两种观测系统的观测进行比较分析是非常必要的.ChinaFLUX通量观测网络在长白山(CBS)和千烟洲(QYZ)两个试验站同时安装了OPEC和CPEC两种通量观测系统.本文计算了CPEC红外气体分析仪的CO2和水汽观测相对于OPEC观测结果的延迟时间;比较分析了OPEC和CPEC实时观测数据的功率谱和协谱;以OPEC观测系统的观测结果为标准评价了CPEC观测系统的通量结果.结果表明:QYZ和CBS两个试验站CPEC红外气体分析仪观测的CO2和H2O两种气体的延迟时间分别在7.0~8.0s、8.0~9.0s之间;OPEC和CPEC两种观测系统观测项目的功率谱与?2/3斜线一致,而协谱则符合?4/3定律.QYZ试验站的CPEC观测系统的CO2通量为OPEC的84%,而两种观测系统的潜热通量基本一致,CBS的CPEC系统的CO2通量、潜热通量分别为开路系统的80%、86%;CPEC观测系统抽气管道的衰减作用对碳通量的影响大于对水汽通量的影响,QYZ试验站的OPEC与CPEC两套系统的通量差异小于CBS;两种观测系统的CO2通量日变化趋势非常一致.     

青藏高原高寒草甸生态系统表观量子产额和表观最大光合速率的确定

高寒草甸是青藏高原广泛分布的植被类型,面积约1.2×106km2,位于青藏高原腹地的西藏当雄县即是典型分布区之一.以2003年生长季在当雄草原站用涡度相关法连续观测的CO2通量数据为基础,分析了净生态系统二氧化碳交换量(NEE)与光合有效辐射(PAR)之间的关系,及其表观量子产额(α)和表观最大光合速率(Pmax)在生长季中的变化特征.结果表明:白天的NEE与PAR之间符合很好的直角双曲线关系;α随生长季依次为草盛期>草盛初期>种子成熟期>枯黄期,最大为0.0244μmolCO2·μmol?1PAR,最小仅0.0098μmolCO2·μmol?1PAR;Pmax在草盛初期、草盛期、种子成熟期变化不大,平均0.433mgCO2·m?2·s?1(9.829μmolCO2·m?2·s?1),在枯黄期仅0.35mgCO2·m?2·s?1(7.945μmolCO2·m?2·s?1).青藏高原高寒草甸的α值与世界上其他的草原生态系统相比,明显偏小.     

华北平原农田水热通量与作物水分利用效率的特征与模拟

在中国科学院禹城综合试验站,采用涡度相关技术对夏玉米生长期间净辐射(Rn)、水汽通量(LE)、感热通量(Hs)和土壤热通量(G)进行了观测,并应用农田生态系统模型RZ-SHAW对水热过程和作物水分利用效率进行了模拟和分析.结果表明,夏玉米水汽通量具有明显的日变化与季节变化,Rn大部分用于玉米潜热的消耗,水汽通量与净辐射的比值(LE/Rn)随生长阶段呈上升趋势,在灌浆期达最大,约60%左右,但比用RZ-SHAW模型模拟的结果略低;RZ-SHAW模型模拟得到的夏玉米日蒸散量与实测值的变化比较符合;逐时水汽通量与相应时段内涡度相关实测值一致性指数(IA)均在0.75以上,均方差(RMSE)在1.0W·m?2以下.LE日变化呈倒“V”型,Hs呈倒“U”型并偏向午前,二者出现峰值的时间不同,Hs出现在11︰30左右,LE出现在13︰00左右,比Hs推迟一小时左右.CO2通量日变化呈不对称“V”型,峰值出现时间在11︰30左右.夏玉米4个生育期的群体水分利用效率(Fc+Rs)/LE在日出以后,随着光强的增强,水分利用效率迅速升高,至10时左右达到最大后开始下降,其最大水分利用效率为24.3g·kg?1,平均水分利用效率为10.3g·kg?1.     

全球气候数据集生成及气候变化应用研究

科技部在"十三五"期间部署的国家重点研发计划"全球变化及应对"专项资助了"全球气候数据集生成及气候变化关键过程和要素监测"研究项目。项目围绕由全球气候观测系统提出的基本气候变量,完善地空天基观测体系,生成中国首套以遥感数据为主体的涵盖大气、海洋和陆表长时间序列、高精度、高时空一致性的产品,即气候数据集,动态监测全球变化关键过程和要素。     

西双版纳热带季节雨林热储量初步研究

为探讨西双版纳热带季节雨林不同季节多种形式热储量值的大小及其变化规律,利用该地区热带季节雨林碳通量、常规气象和生物量观测资料,对该地区森林生态系统从2003年1月1日起到2004年12月31日两年内所有晴天条件下的空气显热和潜热、林冠热储量、光合作用耗能以及热流板之上的土壤热储量在雾凉季、干热季和雨季期间的数值大小、变化规律以及它们与净辐射的比值等进行了比较分析.研究表明,各季节空气显热和潜热、林冠热储量以及热流板之上的土壤热储量值均是在昼间变化幅度较大,而夜间很小;各季节空气显热和潜热的绝对值明显高于其他形式的热储量;总热储量的绝对值是干热季时最大,雾凉季时最小,雨季则介于两者之间.昼间空气显热和潜热、林冠热储量、光合作用耗能以及热流板之上的土壤热储量与净辐射的比值在各季节普遍呈现随时间的推移而逐渐下降的趋势;其中空气显热和潜热与净辐射的比值较高,而林冠热储量、光合作用耗能以及热流板之上的土壤热储量在净辐射中所占比例都很小,最大值均不超过3.5%.昼间总热储量与净辐射的比值在1200前较大,且季节间差异明显,1200后都小于10%,且季节间差异较小.计算热储量数据后,各季节能量闭合程度均有所提高,表明这一能量形式不可忽视.受多种因素的影响,观测得到的该热带季节雨林的能量闭合程度不高,需做进一步研究.本研究结果有助于更好的理解热带森林生态系统与大气间的能量传输和物质交换过程,并为其他生态系统能量平衡的研究提供借鉴.     

鼎湖山针阔叶混交林生态系统能量平衡分析

能量平衡分析作为评价涡度相关法通量观测数据可靠性方法，备受学界重视。应用OLS（Ordinary least squares）和EBR（Energy Balance Ratio）2种方法，系统分析了广东省鼎湖山针阔叶混交林生态系统能量平衡特点，并分析各种涡度通量修正方法对能量平衡的影响，结果表明鼎湖山通量站平均能力平衡不闭合度为33％-47％，略高于普遍报道的不闭合度范围（10％-30％）。WPL修正、μ＊订正和坐标转换，使得能量平衡闭合度有所提高，但夜间特别是冬季能量平衡较差问题依然没有得到根本解决，表明夜间弱湍流并不是导致夜间能量平衡闭合度差的主要原因。为客观评价本通量站以及ChinaFLUX能量平衡状况和通量数据质量，确定涡度相关法CO2通量数据分析方法和改进策略提供依据。     

西双版纳热带季节雨林树冠上生态边界层大气稳定度时间变化特征初探

为探讨热带季节雨林林冠上方大气稳定状态,为通量计算提供依据,利用2003-2004年热带季节雨林林冠上方的涡度相关法观测资料,对西双版纳热带季节雨林树冠上生态边界层内大气的稳定度频率分布进行了分析研究。计算了稳定度参数（z/L）,并对大气稳定度类型进行了划分,分析了大气稳定状态的时间变化。结果表明：在热带季节雨林林冠上方的大气稳定度频率分布存在明显的日变化。昼间不稳定状态占优势,晚上以稳定状态为主;在早晨和下午稳定状态和不稳定状态频率分布易发生变化,导致中性的大气稳定状态更容易出现;而各大气稳定状态的频率分布年和季节变化相对较小,大气不稳定状态出现频率以雾凉季最高、干热季最低;稳定状态出现频率以干热季最高、雨季最低;中性状态出现频率以雨季最高、雾凉季最低。     

生态系统科学研究与生态系统管理

中国科学院地理科学与资源研究所生态系统学科以生态系统生态学研究为核心,通过研制生态系统观测和模拟分析的技术和方法,探索解决区域性/大尺度生态学问题的理论和方法,监测生态系统变化,认知生态系统变化规律,推动生态系统生态学、生物地理生态学、全球变化生态学和生态信息科学技术的发展,创新生态系统管理模式,服务于国家和地方的生态建设、应对全球变化及区域可持续发展。面向国家重大需求,在中国华北平原农业区、南方红壤丘陵林业区、青藏高原农牧区以及黄土高原区等典型区域开展生态系统管理技术与模式的集成与创新研究,着力解决国家生态文明建设和应对全球气候变化中的重大生态学问题,推动区域生态系统管理领域的科技进步。围绕生态系统生态学学科前沿,着重在① 生态系统联网观测、模拟与信息管理,② 生态系统结构、过程与功能,③ 生态系统空间格局与机制,④ 生态系统对全球变化的响应与适应,⑤ 生态系统管理与生态系统服务等五大主要研究方向,系统开展生态系统生态学前沿理论和实践的创新研究,研究成果处于国内和国际生态学研究的科学前沿。     

野外科学观测研究台站（网络）和科学数据中心建设发展

中国科学院地理科学与资源研究所成立80年来,十分重视野外台站（网络）和科学数据中心的建设,取得了辉煌成就。研究所建立了4个野外观测研究网络,引领了中国生态系统研究网络的建设与发展;成立了2个国家级科学数据中心,1个中国科学院数据中心,1个数据出版系统并于2016年加入了世界数据系统;拥有2个国家级野外观测研究站,1个中国科学院野外研究站,形成了独具特色的野外观测研究平台和数据共享服务平台。本文回顾了中国生态系统研究网络、国家生态系统观测研究网络、中国通量观测研究网络、中国物候观测网和禹城站、拉萨站、千烟洲站以及地球系统科学数据中心、生态科学数据中心、资源环境科学数据中心和全球变化科学研究数据出版系统的发展历程。地理资源所台站（网络）从无到有,不断发展壮大,引领了中国野外观测研究事业的发展,支撑了地理学、生态学等重要科学成果产出,科技支撑能力和示范能力大幅提升,有力支撑了华北平原、青藏高原以及南方山地丘陵区的生态文明建设;成为中国地球系统科学、野外台站、资源环境等学科和领域最大的科学数据汇聚中心,数据共享服务成效显著,在国内外具有广泛影响力。在未来发展中,地理资源所将充分发挥野外台站（网络）综合中心作用,强化生态系统、碳水通量、物候等观测研究网络的能力建设,稳步提升野外观测研究站条件保障能力和科学数据中心的数据汇聚能力、分析挖掘能力以及共享服务能力,持续推动和引领中国科学数据的共享,在科学研究和支撑国家需求等方面做出更大贡献。