淮北棉区花铃期冠层不同高度叶片光合特性的差异

基于多层二叶模型,在自然群体条件下,将棉花冠层分为上、中、下三层,研究淮北棉花花铃期冠层上、中、下层,阴叶（无直射光照射）与阳叶（有直射光照射）的光合特性的差异。结果表明,同一高度阳叶的光量子通量密度与光合速率显著大于阴叶;不同高度叶片光量子通量密度与光合速率均表现为上层阳叶〉中层阳叶〉下层阳叶,上层阴叶〉中层阴叶〉下层阴叶;上层阳叶气孔导度大于阴叶,中、下层阴、阳叶的气孔导度无显著差异;上部叶片气孔导度〉中部叶片〉下部叶片;同一高度阳叶胞间二氧化碳浓度显著小于阴叶,随着冠层深度（形态学自上而下）的增加,两者差异增大;不同高度叶片胞间二氧化碳浓度随着冠层深度的增加,呈增加趋势,阳叶差异不显著,阴叶差异显著。     

基于地下水位变化的荒漠河岸林蒸散估算

深根植物生长季蒸腾耗水是河岸林消耗地下水的主要方式之一,是荒漠绿洲水分循环的重要环节,因而有效估算荒漠河岸林蒸散对于河岸林管理具有重要的意义。本研究利用地下水位日波动方法对额济纳绿洲荒漠河岸林进行了蒸散估算研究,结果表明基于地下水日波动方法估算得到的七道桥胡杨林蒸散量与涡度相关和FAO-PM方法得到的蒸散结果变化趋势较为一致,且显著相关,说明地下水位日波动方法可以用于估算极端干旱的荒漠河岸林下的植被蒸散发量。最后探讨了考虑植物夜间蒸腾的地下水位日波动方法,新方法的蒸散估算较原始地下水位日波动方法的蒸散估算占涡度观测蒸散的比例从70%提高到了90%。     

基于碳水通量耦合原理改进Penman-Monteith蒸散发模型

陆地蒸散(ET)涵括地表和潮湿叶片的蒸发和植物的蒸散发,是陆地水循环的重要组成部分。Penman-Monteith方程是估算陆地蒸散的重要方法,方程中的叶片或冠层气孔导度是提高估算精度的关键因子。根据碳水循环的耦合原理,植物光合作用模型可用于估算叶片或冠层气孔导度。植物光合作用模型可分为三类:1)使用总冠层导度的大叶模型(BL),2)区别阴、阳叶冠层导度的双大叶模型(TBL),3)区别阴、阳叶叶片导度的双叶模型(TL)。与这三类光合作用模型相对应,衍生出基于不同导度计算方法的三种蒸散估算模型。三种蒸散模型之间的主要区别在于是否进行从叶片尺度到冠层尺度的气孔导度集成。这三种模型中,双叶模型使用叶片尺度的气孔导度,集成度最低。反之,大叶模型使用冠层尺度的气孔导度,集成度最高。由于在Penman-Monteith中,蒸腾和气孔导度之间的关系是非线性的,气孔导度的集合会导致负偏差。因此,与通量测量相比,大叶蒸散模型的估算偏差最大,而双叶蒸散模型的估算偏差最小。     

阿尔卑斯山杉林冠层影响辐射传输的个例分析

利用瑞士Alptal观测站杉树林冠层上方、下方的辐射观测资料,分析了冠层对短波辐射的减弱及对长波辐射的增幅作用及其季节变化。结果表明,对比较密集的常绿针叶林,冠层对入射短波辐射的透过率随着太阳高度的降低而减小,春季以后趋于稳定;冠层对长波辐射的增幅作用随天气状况而变化,这种增幅作用在晴空条件下最显著,可达1.5倍。在冬季,因为太阳辐射较弱,冠层对长波辐射的增幅作用超过对短波辐射的减弱从而增加地面净辐射。在其它季节,太阳辐射比较强,冠层对短波辐射的减弱超过对长波辐射的增幅作用而减少地面净辐射。地面净辐射与冠层上方气温的变化趋势虽然在有些时段一致,但在伴随降雪过程的降温时段,地面净辐射与气温的变化趋势近乎反相,在积雪融化时段,地面净辐射的增加比气温升高更显著,尤其是在白天。     

干旱区荒漠-绿洲过渡带3种典型灌木气孔导度对环境变化的响应及其对蒸腾的调控

利用LI-6400XT便携式光合作用测定系统和Model 1505植物压力室对河西走廊中部荒漠-绿洲过渡带3种优势种C_4植物梭梭(Haloxylon ammodendron)、沙拐枣(Calligonum mongolicum)和C_3植物泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)的水分交换过程和叶片水势(Ψ)变化进行了观测试验,对比了荒漠植物生长季降水前后水分传输因子的变化;模拟了气孔导度对主要环境因子和叶片水势的响应;从饱和水汽压差(VPD)对气孔导度的制约作用研究了荒漠植物蒸腾的调控机制。结果表明:影响3种灌木气孔导度的主要因子依次为VPD、气温(T)和Ψ,气孔导度随着VPD和T的升高而降低,随着Ψ的降低逐渐减小;不同荒漠植物气孔导度对环境因子和叶片水势的综合响应模拟研究表明,模型能够很好地模拟气孔导度日内变化,C_3植物泡泡刺对这些因子变化的响应比C_4植物梭梭和沙拐枣更敏感;通过类比于欧姆定律,表明可用气孔导度和VPD的乘积来对蒸腾速率进行线性模拟,相关性很强。     

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。     

Hilbert方法在大气边界层湍流特征分析中的有效性

介绍一种新的建立在经验模态分解(EMD)方法基础上的非线性、非平稳数据分析技术一Hilbert分析技术,并首次将其应用于大气边界层(PBL)湍流数据的分析,初步探讨了其在PBL湍流研究中的有效性.通过对城市与森林冠层上湍流资料的能量分布特征和统计平稳度进行分析、比较,结果表明:Hilbert谱分析能有效地对PBL湍流信号进行分析.它的边缘谱分析能够有效地探测PBL湍流信号的能量分布特征,统计平稳度分析也能有效地给出PBL湍流信号平稳性的定量化测量,这些将有助于建立合适的数据质量控制方法,以及对现有空气质量与扩散模式中扩散参数的计算加以改进.文中个例分析中,城市和森林冠层上空的湍流有一定相似性,湍流混合都比较充分,但森林冠层上湍流信号的能量更多地集中在大尺度湍涡,且扰动风速的高频部分具有更强的间歇性.对于相近高度的湍流信号来说,多数情况下,森林冠层上相同尺度的湍涡表现得比城市冠层上更不稳定,但湍涡的含能量要更低.     

城市近地层风特征与污染系数分析

使用黑龙江省风能资源专业观测网依兰测风塔2010年5月-2011年4月期间10、50、70、100m四层测风数据,对依兰风特征进行分析。结果表明：测风塔各高度风速具有一致的日变化规律,均是白天大,夜间小。随高度升高,风速变化趋势减弱,100m高度与下层显现出不同的变化特征,具有高空风速的日变化特征。垂直气流速度各时刻平均值均为正值,日变化规律与水平风速基本一致,也是白天较大,夜间较小。风廓线指数n值夜间较大,且稳定,均在0．25左右,08时后,随着温度升高,上下层空气能量交换增大,a值迅速减小,12—14时最小,仅为0．11,之后又迅速增大。各高度主导风向一致,随高度增大,主导风向频率升高。各高度污染系数最大值对应的风向一致,随高度增加,污染系数较小的风向区间增加,有利于大气污染物的扩散。因此增加排放高度,可以有效减少城市近地面的大气污染物浓度。     

安徽省淮南森林冠层辐射传输过程的特征

本文利用淮南森林观测站2018年7月1日至2019年6月30日冠层辐射观测,分析了淮南栎树森林下垫面冠层内外辐射变化特征。结果表明:（1）从春季到夏季,栎树冠层之上向下的太阳短波辐射增加,到冬季逐渐减少。从早春开始,由于叶片生长增多,冠层中间和冠层之下向下的太阳短波辐射下降,从秋季到冬季树叶凋落,其向下的太阳辐射增加,与冠层之上的变化趋势相反;对于向上的短波辐射,无论冠层之上、冠层中间还是冠层之下,随季节的变化都与向下的短波辐射相似,只是数值小很多。（2）冠层之上、冠层中间和冠层之下向下的长波辐射,随时间的变化从春季逐渐开始增大至夏季达到最大,随后逐渐减小并在冬季达到最小;就空间变化而言,冠层中间和冠层之下向下的长波辐射值比冠层之上的辐射值高,使得冠层对长波辐射的振幅增大,晴空条件最高可达1.3倍。（3）淮南森林区冠层之上（距地面25 m）年平均反照率为0.14,比中国北方地区（35°N）温带季风气候区（混交林为主）反照率的整体水平低0.01,表明淮南的森林茂密、灌丛更多些。（4）冠层上部分和整层的短波辐射透射率主要受叶片的影响。夏季,冠层的短波透射率平均为0.1。到了冬天,叶子凋落,透射率增加并趋于一个平稳的波动。冠层的短波辐射吸收率在夏季最高,秋季逐渐降低,随着叶子凋落在冬季迅速减小,趋于一常值。     

科尔沁草甸草地生长季能量平衡特征

草地生态系统具有植被多样性和较大的气候变异性,研究草地的能量平衡特征对认识草地的生态效应具有重要意义。利用开路涡度相关系统和常规气象观测系统的观测结果,运用最小二乘法、线性回归等方法对科尔沁草甸草地2010年生长季能量平衡特征进行了分析。结果表明：科尔沁草甸草地生长季能量闭合比率为80.4%,说明该地存在不闭合现象,且闭合度居于同类观测的中上水平,涡度相关观测数据较为可靠。反射率日变化呈先降后升趋势,中午达到最低值,生长季（5-9月）内在0.040-0.120之间波动,整体也呈先降后升趋势,平均值为0.061。净辐射与太阳辐射的比值为0.386,二者呈线性正相关关系。潜热通量是科尔沁草甸草地最主要的能量支出项,其次是感热通量。各分量日变化与净辐射基本相同,呈单峰型变化,日出后开始增加,中午达到最大值,之后开始减小,峰值及其出现的时间稍有不同。两种典型天气下,各分量占净辐射比例次序与生长季平均情况相同。晴天时各分量与净辐射相同,呈单峰型,而阴天时变化规律均不明显。     

北方黑云杉林冠内空气CO2浓度及其上方通量模拟

考虑植物阴叶和阳叶对环境的反应、植物叶片丛聚特性以及叶片氮素水平的垂直差异,建立了黑云杉林与大气之间物质输送和能量交换的一维完全多层模式.模式中对阳叶和阴叶的叶面积指数借用Chen J M等提出的方法,并经过修改以适用于多层模拟.叶水平的光合作用c运用Farq uhar方程并与CO2传导方程联列获得.模式验证的资料取自BOREAS(Boreal Ecosystem-fAtmosphere Study)研究计划中加拿大Saskatchewan的南试验区,属于温带气候.通过对冠.层上方的显热、感热和CO2通量、以及植物光合作用、蒸腾作用和气孔传导等生理作用t过程的实测值进行了计算结果的验证,结果表明计算的显热通量比实测值偏低,潜热通量则略高于实测值,而CO2通量只有在较高水平时偏高,3个通量的计算值与实测值比较接近,R 2分别为0.71,0.78和0.65,取得了较好的效果.气孔导度、光合作用和蒸腾作用的模拟结果表明,三者的实测与模拟值之间的R 2分别达到0.57,0.69和0.66,均通过0.01显著度检验,且无显著的系统偏差.因此,可以认为在多层模拟中充分考虑叶片不同受光状况,不同氮素水平以及叶片丛聚特性的影响有助于更好地研究植被与大气的交换过程.     

青藏高原东南缘大理地区近地层微气象特征及能量交换分析

利用2008年1月-2010年2月青藏高原东南缘大理站的长期观测资料,初步分析了该地区近地层基本气象要素、辐射通量和湍流通量的日变化和季节变化.结果表明,各参数均表现出显著的日循环结构和干、湿季变化特征.近地层的风速、气温和动量通量等均在早晨最小、午后最大;相对湿度、地表温度等均是湿季高于干季.近地层2 m高度处的盛行风向,白天以东东南风和东风为主,夜间以静风和偏西风为主,并且盛行风向转变与日出、日落时间有较好的对应关系.地表辐射四分量最高值出现在正午,最低值出现在日出前.除向上短波辐射通量干季大于湿季外,其他辐射分量都是湿季大于干季.地表反照率表现出非对称的“U”形分布,早晨最大、傍晚次之及中午最小.早晚地表反照率差异可能是由于露水、东西两面山体不同程度遮挡以及云的影响造成的.感热、潜热通量全年有相似的日变化过程,变化幅度随季节变化,但潜热通量明显大于感热通量,表明地气热量交换中,感热作用小,潜热输送占主导地位.感热通量一天之中约在20:00出现最小值,这主要是由于风速减弱和地气温差回升影响热量交换系数造成的.地面对大气的加热作用明显,主要是以潜热方式加热大气;地面全年均为大气热源,白天表现为强热源,夜间则表现为较弱的冷源.     

O3,CO2浓度及太阳光谱变化对作物光合作用影响的数值模拟研究

对光合作用 蒸腾作用 气孔调节进行耦合 ,从生物化学尺度扩展至冠层尺度 ,发展了一个冬小麦冠层光合作用生态动力模式 ,模式考虑了O3,CO2 和光谱变化对作物光合的综合影响。利用美国光合作用实测资料对模式进行验证 ,叶片模式通过了相关显著性检验并具有较高的准确度。数值分析表明 :当O3 浓度由 0× 10 -9V/V上升至2 0 0× 10 -9V/V时 ,冠层光合速率下降 2 9%左右 ;当CO2 浓度由 330× 10 -6V/V上升至 6 6 0× 10 -6V/V时 ,冠层光合速率增加大约 37% ;当光谱比例系数由目前的 0 .5下降至 0 .4时 ,冠层光合速率将下降 2 7%左右。对于污染严重、易发生光化学烟雾的城郊附近 ,在阳光强烈的典型晴天 ,中午O3 浓度达到 2 0 0× 10 -9V/V时 ,即使气候条件不发生改变 ,CO2 浓度对作物光合作用的正效应也不足以弥补O3 浓度升高所造成的负效应 ,冠层光合速率将比目前干洁地区略有下降 ,如果进一步考虑光合作用有效辐射光谱成分下降至 0 .4左右 ,冠层光合作用将比目前的BASE值下降 35 %左右。     

朔州市近50a日照时数变化特征及影响因子

利用朔州市气象局观测站1961～2009年日照、云量、风速及烟、霾、浮尘、扬沙、沙尘暴等气象资料,采用数理统计方法,初步分析了朔州市日照时数的年、季、月的变化特征、趋势及引起日照时数变化的因子。结果表明:朔州市年日照时数呈明显的减少趋势,其趋势变化率为-118.1h/10a,并呈现出阶段性变化的特征;1980年之前为日照时数偏多期,1980年后日照时数开始减少,1990年后减少趋势明显加快;从季节变化来看四季总的趋势是减少的,其中夏季比较明显,且变化幅度最大,对年日照时数的变化影响较大;各月日照时数变化趋势基本一致,呈不同速率的减少趋势,其中5月最为明显。近50a朔州市的年风速呈明显减小趋势,尤其是20世纪90年代以后快速减小,与朔州市自1990年代起经济规模的快速增长特别是煤炭行业的快速发展及城市化进程加快相对应,说明人类活动特别是工业排放污染物的急剧增长,导致大气气溶胶增加,空气污染逐年加重,加之风速逐年减小,利于大气气溶胶在低空积聚,造成大气透明度降低,日照时数减少。     

塔克拉玛干沙漠北缘近地层气象要素变化特征

利用塔克拉玛干沙漠北缘哈德自动气象站2011年1~12月近地面层气象要素梯度观测资料,分析了该地区近地层风速、气温和相对湿度的日变化规律及四季廓线特征,并计算了哈德观测点大气稳定度和中性条件下的地表粗糙度。结果表明,哈德地区近地层0.5~10 m高度范围内气温、相对湿度和风速都呈现出明显的日变化特征。其中,风速为白天高、夜晚低,中午15:00各层风速均达到最大,凌晨04:00降至最低,其日变化幅度为1.1~1.7 m/s;14:00~15:00各层气温均为最大值,最低气温出现在05:00~06:00,昼夜温差大,最大温差为0.5 m处的16.5℃,下午17:00至次日09:00有逆温存在;相对湿度日变化在25%~55%之间,其变化规律与风速、气温的相反,凌晨06:00最大,下午15:00最低。哈德地区四季近地层风、温、湿廓线变化规律明显,14:00四季风速都呈指数形式增长,其中0.5~2 m间低层风速变化明显大于2~10 m间高层的变化;春、夏季气温主要以指数形式增长,冬季以线性增长为主,四季都有逆温存在;冬季的相对湿度明显大于其它季节。另外,哈德地区全年以东北风为主,2 m与10 m高度的主导风向一致,风频稍有差别。中性层结大气条件下的空气动力学粗糙度范围为1.42×10-11~1.7×10-3m,平均值为4.2×10-5m。     

1958～2005年中国高空大气比湿变化

利用经过质量控制和均一化的92站探空露点温度序列,研究了中国高空大气比湿气候学特征和1958～2005年比湿时间、空间演变以及不同时段线性变化趋势地区和季节差异。中国比湿气候场特征显示,垂直方向上90%以上的水汽集中在对流层中低层,空间呈南高北低的纬向分布。通过累积距平、滑动平均和突变点分析等方法研究了中国平均高空比湿的年代际变化,得到1958～2005年中国对流层中低层大气比湿经历“湿”、“干”、“湿”阶段性变化。不同时段线性变化趋势分析表明,1958～2005年对流层低层比湿呈上升趋势,对流层中层、高层和平流层下层为下降趋势;1979～2005年对流层低层上升趋势和对流层高层下降趋势均较整个时段明显增强。近50年来中国高空各层温度与比湿变化基本同步,统计达到显著相关,说明温度是影响比湿变化的重要因子。趋势的空间分布显示对流层下层全国大部比湿为上升趋势,且1979以来上升趋势更加明显,对流层中层趋势呈北升南降分布,对流层高层多为下降趋势。中国五个分区中西北地区对流层低层比湿上升趋势最明显,长江和华南地区升幅较小。1958～2005年对流层下层各季节比湿变化趋势差异较明显,上升趋势发生在夏、冬两季,1979～2005年四季比湿均呈上升趋势,其中夏季上升趋势最为明显。     

基于探空云识别方法的云垂直结构分布特征

云的垂直结构特征作为云重要的宏观特征之一,直接决定了云的类型,进而通过发射和吸收辐射的方式影响着地气系统的能量收支平衡,因此对云垂直结构特征的研究一直都是云物理研究的一个重要方向。作为观测云垂直结构特征的一种方式,探空气球通过获取沿路径方向高分辨率的廓线信息,采用一定反演方法从而能够较为准确的识别云的垂直结构。本文即利用我国业务布网探空站的观测资料,采用相对湿度阈值法识别云垂直结构,并同激光云高仪、“风云四号”静止卫星和毫米波云雷达对识别的云结构特征量进行了一致性检验。在此基础上,统计分析了2015～2017年单层、两层和三层云的垂直结构分布特征、日变化和季节变化特征以及全国区域分布特征,结果表明:（1）整体分布上,单层云在垂直方向上出现的高度范围介于多层云的高度范围内,并且随着云层数的增加,云在垂直方向上更为伸展,即高层云越高,低层云越低;（2）在日变化中,中午单层和多层云中最低层云的云底高度均高于早晨,而夜间单层和多层云中最高层云的云顶高度则高于早晨和中午,同时中间层云厚的变化要小于最上层和最下层云厚的变化;（3）在季节变化中,夏季云量较其他季节更多,云体发展也更为深厚,表明温暖的大气条件更有利于云的形成和发展;（4）我国云垂直结构分布特征具有明显的纬向变化趋势,从以青藏高原为中心的西南地区的云底较高云体较薄的云,逐步过渡到以东南沿海地区为中心的云底较低云体较为深厚的云,表明不同地形和气候带的差异与不同云类型的分布直接相关。     

郑州春季麦田小气候及地表辐射特征分析

利用郑州生态与农业气象站2008年4月份梯度和涡度观测资料,分析了郑州春季冬小麦田的小气候特征和地表辐射特征,结果表明:近地面层空气温度、湿度、风速和浅层土壤温度都具有明显的日变化特征.白天特别是日出后二氧化碳浓度逐渐减小,下午17时左右达到最小,以后又逐渐增大,最大值出现在早上7时左右.光合有效辐射的日变化曲线是个单峰曲线;地表净辐射不管是晴天还是阴天,其变化趋势都是一致的,也具有明显的日变化特征.     

黄河源高寒湿地-大气间水热和碳交换通量日变化特征的观测分析

黄河源区高寒湿地-大气间的水分和热量及碳交换过程是影响青藏高原气候变化的主要因素之一。本文从2013年7月16日至10月19日期间黄河源区麻多湿地下垫面湍流通量涡动相关系统和气象站观测资料中,每月选取3~4天晴天条件下的观测数据,分析了黄河源麻多湿地-大气间感热通量、潜热通量和CO_2通量的日变化特征,并探讨了近地面能量平衡闭合度。结果表明:黄河源高寒湿地下垫面潜热通量和感热通量有日变化过程,日出后水分和热量交换通量逐渐增高,峰值均出现在12:00—16:00(北京时,下同)。在2013年夏季,黄河源湿地下垫面感热通量的最高值出现在9月15:30,达到了150.0 W·m~(-2),潜热通量的最高值出现在7月16:00,达到了300.0 W·m~(-2)。黄河源高寒湿地生态系统的能量消耗主要以潜热为主,近地面能量的闭合度较差,达到了48.8%。湿地净生态系统的CO_2交换通量日变化特征呈"U"型曲线,在整个植被生长季节的日变化过程中,日出后湿地系统吸收大气中的CO_2,净生态系统CO_2交换量NEE(Net Ecosystem Exchange)为负,中午达负极值,极值为-0.55 mg·m~(-2)·s~(-1),出现在7月21日12:30;夜间下垫面释放CO_2,NEE为正。进一步分析结果表明:CO_2交换通量的变化动态范围受空气温度、太阳辐射和植被冠层的影响明显。     

广西台风极端强降水特征及环境参数异常性分析

利用1981-2020年广西台风逐日降水量和欧洲中心ERA5再分析资料,以1981-2010年30a资料作为历史气候态,采用百分位法定义广西台风极端强降水阈值和区域性极端强降水过程,对广西台风极端强降水特征和区域性极端强降水过程环境参数进行了分析.结果 表明:(1)不同地区极端降水阈值差异很大,基本上呈现出南部沿海地区向内陆减小的趋势,极端降水阈值最大值为最小值的2.5倍多;(2)广西平均每年出现极端强降水的台风个数为2.975个,最多6个;出现台风极端强降水年平均日数为7.8d,最多26d;从变化趋势来看,台风极端强降水在桂中和桂南多有增加,桂北大部地区为减少;(3)对比16个区域性台风极端强降水过程的环境参数,整层大气可降水量、850hPa水汽通量、200hPa散度和700hPa垂直速度均具有显著的极端性,一般偏离气候态2倍标准差,对广西台风极端强降水预报具有一定的指示意义.