青藏高原三江源区退化草地生态系统的地表反照率特征

为了揭示青藏高原三江源区草地退化对生态系统地表反照率的影响,利用2006年12月至2007年11月一整年的观测数据,分析了地表反照率的季和日变化特征及其影响因子。退化草地生态系统的年均地表反照率为0.22,生长季(5～9月)的平均地表反照率为0.18,非生长季为0.25。在植物生长初期的5月,地表反照率主要受土壤水分影响,5月末至6月初出现全年最低值;植物生长旺季的7～8月,受植被的影响地表反照率相对较稳定,并略高于生长季中其它各月。地表反照率的日变化呈"U"型,阴天的地表反照率高于晴天。全年地表反照率出现的最大频率集中在0.20附近,非生长季在0.22附近,生长季在0.18附近。退化草地生态系统生长季地表反照率的变化受土壤水分和植被的的影响,而非生长季受积雪的影响较大。     

宇宙射线中子法土壤水分监测在不同生态系统雨季的适用性

宇宙射线中子法是目前测量中尺度土壤水分的一种新兴方法,通过监测近地表附近中子的数量来监测土壤含水率,理论探测深度12～76 cm。为了评估宇宙射线中子法土壤水分监测在草地、农田和林地3种不同生态系统测量深度适用性和对降水的敏感性。本研究分析了中国气象局自动土壤水分站观测数据和遥感土壤水分监测数据与宇宙射线中子法土壤水分监测数据差异性和相关性。结果显示,宇宙射线中子法土壤水分监测草地0～20 cm效果最优,农田和林地0～30 cm最优;在农田和林地生态系统土壤水分监测结果与自动土壤水分站点差异较小,优于遥感监测;但对于草地生态系统,宇宙射线中子法土壤水分监测结果与遥感监测结果差异比单点自动土壤水分站点监测更小,可能与草地土壤的强异质性有关。宇宙射线中子法土壤水分监测在草地、农田和林地生态系统均可以敏感的响应降水事件,较点尺度自动土壤水分站更易捕捉到区域水分的波动性变化。     

用Priestley-Taylor模式计算棉田实际蒸散量的研究

在农田蒸散试验资料的基础上,综合考虑影响棉田实际蒸散的气象条件,棉花生物学特性和土壤水分等因素,利用Priestley-Taylor模式、棉花叶面积指数和相对有效土壤湿度建立了棉田实际蒸散量的计算模式。该模式仅需常规气象和农业气象资料,具有较高的精度,便于在干旱区推广使用。     

半干旱地区吉林通榆"干旱化和有序人类活动"长期观测实验

简单介绍了吉林通榆"干旱化和有序人类活动"长期观测实验,该实验站同时也是国际协同加强观测计划(CEOP)的地面观测站.分析了2002年10月～2003年3月(CEOP-EOP3)非生长季观测到的近地面层微气象及能量通量资料.结果表明,在非生长季,半干旱地区农田和退化草地下垫面近地面层能量收支基本一致;感热通量占主要地位,占净辐射通量的70%左右;潜热通量及地热流都很小,通常小于30 W m-2.土壤温度日变化主要集中在地表以下20 cm土壤层,20 cm以下土壤温度日变化很小,但存在明显的季节变化.在非生长季,土壤表层10 cm厚度内,草地下垫面土壤体积含水量比农田大;20 cm以下深度土壤体积含水量的日变化很小,同样存在季节变化.     

半干旱区不同下垫面近地层湍流通量特征分析

本文分析了2003～2005年半干旱区退化草地和农田下垫面近地层湍流通量日、季、年的变化特征, 探讨了不同年份的气候背景和下垫面土地覆被对地气交换过程的影响。结果表明: 半干旱区退化草地和农田近地层湍流通量具有明显的日变化、季变化周期; 地气间通量交换年际间的差异主要受当年的气候背景影响, 尤其是降水的影响; 同时还受到下垫面覆被的影响。潜热通量和感热通量的能量分配比率呈反位相变化, 且农田和退化草地的变化趋势相似, 在夏季潜热通量所占比例均超过感热通量; 两种下垫面的波恩比月均值变化趋势十分相似, 量级接近, 夏季低, 春、秋季高; 夏季退化草地和农田下垫面波恩比均小于或等于1。     

内蒙古雨养农业区土壤水分动态监测模式

文章根据多年实际观测资料,在土壤水分平衡参数模拟方法的基础上,利用初始土壤有效水分贮存量、降水量和实际蒸散量3要素,建立了0～50 cm土层的土壤水分动态监测模式,确定了各项参数的计算方法。通过11个站点两年的检验和试用,对主要农作物春小麦和春玉米农田的水分状况监测准确率达80%以上。同时,对两个站点的土壤水分进行了预报,准确率平均为92%。     

中国黄土高原塬区表层土壤水分盈缺状况的研究

陆地表层水分的盈缺直接关系到局地气候变化.本文利用黄土高原塬区初夏至盛夏期两次陆面过程野外试验(LOess Plateau land surface process field EXperiment 2005,LOPEX05和LOPEX06)的野外试验观测资料,分析了试验期间黄土高原白庙塬区不同下垫面的水分蒸散和表层土壤水分盈缺状况.结果表明:在土壤水分比较充足的条件下,植被蒸腾增加量在正午时的峰值为0.05 mm·h-1,而较大降水发生后的首个晴日.冬小麦地和裸地的蒸散分别可达4.60 mm·d-和3.70 mm·d-1.局地降水是影响陆面蒸散量变化的主要因素,而植被冠层的存在增加了陆面蒸散发量中的植物蒸腾量值.2006年4月下旬到7月中旬,裸地的水分缺失为16.3 mm·m2,冬小麦地的水分缺失为39.9mm·m2.其中缺失最严重的时间段为5月下旬到6月上旬,最大旬缺失量达16.5 mm·m2,7月上旬和中旬,由于降水季节来临,土壤水分有少量盈余.在2005年7月中旬至8月下旬,玉米地和裸地的水分盈余分别为17.9 mm·m2和25.3 mm·m2.不同时间尺度的统计均表明,降水不仅是影响陆面蒸散量的主要因素,而且也是表层土壤水分盈缺的决定性因子.     

半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量的日变化及季节变化

采用涡动相关方法连续观测2002年10月到2003年12月半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量变化,分析水汽和二氧化碳通量的季节和日变化规律,同时比较农田和退化草地两种不同下垫面物质和能量通量交换过程的差异,得到如下一些主要结果:(1)半干旱地区湿季,相距5 km的两种不同下垫面,即使在同一天气过程控制下,不同植被下垫面的降雨分布仍不尽相同,甚至相差很大.这表明降雨空间的分布是很不均匀的,具有很强的局地特征.(2)在干季近地面层能量收支中,两种不同下垫面上的有效能量(净辐射与地表热流量之差)主要分配为感热通量,潜热通量在非生长季(干季)通常很小.在湿季(生长季),潜热通量与感热通量相当,但农田下垫面的潜热通量大于退化草原下垫面.(3)土壤的温度和湿度日变化主要集中在0～20 cm土壤层内,在湿季农田下垫面土壤的湿度有明显的跳跃,这与降雨过程有很好的相关.(4)在非生长季,两种不同下垫面地气间二氧化碳通量差别不大,都很小.白天由于光合作用,在生长季农田下垫面吸收CO2通量较退化草原大,但比湿润地区稻田下垫面小一个量级,远小于森林生态系统.     

锦州地区玉米农田生态系统水汽通量变化特征及其调控机制

基于2014年辽宁省锦州地区雨养玉米农田生态系统涡度相关观测数据,分析了锦州地区玉米农田生态系统水汽通量的变化特征,并结合小气候观测数据探讨了水汽通量的调控机制。结果表明:2014年锦州地区玉米农田生态系统各月水汽通量均呈明显的单峰型变化规律,玉米农田生态系统生长季日平均水汽通量可达非生长季的10.31倍。锦州玉米农田生态系统7月水汽通量最大,日最大水汽通量可达0.1202 g·m-2·s-1。玉米农田年蒸散量为417.37 mm,非生长季蒸散总量为49.57 mm,略大于同期降水量;生长季前期5月和6月玉米农田蒸散量占降水量的比例分别为52.0%、71.0%;7月、8月和9月玉米农田的蒸散量大于降水量,其中7月玉米农田的蒸散量为降水量的3.00倍,而此期间正值玉米开花授粉阶段,水分胁迫严重影响玉米产量。玉米农田生长季的水汽通量与净辐射存在显著的正相关关系,同时水汽通量在一定程度上受气温和饱和水汽压差的调控影响。     

对土壤水分指标的研究

在研究土壤水分时,人们经常使用土壤饱和含水量、田间持水量、凋萎系数、土壤有效水最大存贮量等来表征土壤水分性状。土壤有效水固然是植物根系能吸收的水分,但是当植物蒸腾强烈时,植物对接近凋萎系数的土壤水的吸收速率,远远不能满足叶片蒸腾的需要,植物仍然受到干旱的威胁,因此有必要寻找能表征与作物生长联系得更密切的土壤水分指标。农田实际蒸散量与最大蒸散量之比能反映作物需水与土壤供水的关系,作物层温度与气温差则反映了植物蒸腾强度的变化。晴天白昼,蒸腾是维持叶温较低的重要原因。土壤供水不足,蒸腾速率     

Three-year Variations of Water, Energy and CO$_2$ Fluxes of Cropland and Degraded Grassland Surfaces in a Semi-arid Area of Northeastern China

Based on 3 years （2003-05） of the eddy covariance （EC） observations on degraded grassland and cropland surfaces in a semi-arid area of Tongyu （44°25′N, 122°52′E, 184 m a.s.1.）, Northeast China, seasonal and annual variations of water, energy and CO2 fluxes have been investigated. The soil moisture in the thin soil layer （at 0.05, 0.10 and 0.20 m） clearly indicates the pronounced annual wet-dry cycle; the annual cycle is divided into the wet （growing season） and dry seasons （non-growing season）. During the growing season （from May to September）, the sensible and latent heat fluxes showed a linear dependence on the global solar radiation. However, in the non-growing season, the latent heat flux was always less than 50 W m^-2, while the available energy was dissipated as sensible, rather than latent heat flux. During the growing season in 2003-05, the daily average sensible and latent heat fluxes were larger on the cropland surface than on the degraded grassland surface. The cropland ecosystem absorbed more CO2 than the degraded grassland ecosystem in the growing season in 2003-05. The total evapotranspiration on the cropland was more than the total precipitation, while the total evapotranspiration on the degraded grassland was almost the same as the total annual precipitation in the growing season. The soil moisture had a good correlation with the rainfall in the growing season. Precipitation in the growing season is an important factor on the water and carbon budget in the semi-arid area.     

黄土高原陆面水分的凝结现象及收支特征试验研究

中国黄土高原是全球独特的地理区域,其陆面水分过程比较特殊。利用黄土高原陆面过程试验研究(LOPEX)的陇中黄土高原定西陆面过程综合观测站的资料,分析了陆面水分凝结现象及其出现频率与局地微气象条件的关系,研究了露水(霜)量及其出现频率的季节分布特征以及受降水和天气阴、晴的影响规律。同时,对比分析了降水、露水、雾水和土壤吸附水对陆面水分的贡献率,讨论了涡动相关法、蒸渗计和蒸发皿观测的陆面蒸发量的差别及其与陆面水分来源的年平衡关系,给出了半干旱区陆面水分平衡的日循环特征。发现露水对风速、大气湿度、近地层温度梯度的依赖很强,一般在风速为1.5 m/s、相对湿度大于80%和逆温强度为0.25℃的情况下露水(霜)量最大;刚降水后的晴天露水量比较大;实际蒸散量与蒸发力的差距十分明显,陆面水分平衡特征表现为一个"呼吸"过程。     

Satellite-Based Monitoring of Decadal Soil Salinization and Climate Effects in a Semi-arid Region of China

Soil salinization is a common phenomenon that affects both the environment and the socio-economy in arid and semi-arid regions; it is also an important aspect of land cover change. In this study, we integrated multi-sensor remote sensing data with a field survey to analyze processes of soil salinization in a semi-arid area in China from 1979 to 2009. Generally, the area of salt-affected soils increased by 0.28% per year with remarkable acceleration from 1999 to 2009 (0.42% increase per year). In contrast, the area of surface water bodies showed a decreasing trend (-0.08% per year) in the same period. Decreases in precipitation and increases in aridity due to annual (especially summer) warming provided a favorable condition for soil salinization. The relatively flat terrain favored waterlogging at the surface, and continuous drought facilitated upward movement of soil water and accumulation of surface saline and calcium. Meanwhile, land-use practices also played a crucial role in accelerating soil salinization. The conversion to cropland from natural vegetation greatly increased the demand for groundwater irrigation and aggravated the process of soil salinization. Furthermore, there are potential feedbacks of soil salinization to regional climate. The salinization of soils can limit the efficiency of plant water use as well as photosynthesis; therefore, it reduces the amount of carbon sequestrated by terrestrial ecosystem. Soil salinization also reduces the absorbed solar radiation by increasing land surface albedo. Such conversions of land cover significantly change the energy and water balance between land and atmosphere.     

2008年7—9月中国北方不同下垫面晴空陆面过程特征差异

采用2008年7—9月观测的中国干旱/半干旱区实验观测协同与集成研究资料,选取了9个下垫面(包括裸地、草地、森林和农田),分析了中国北方不同下垫面以及不同地区同类下垫面的晴空陆面辐射平衡和热量平衡日变化特征差异。结果表明,不同下垫面以及不同地区同类下垫面的地表辐射和能量过程特征差异明显,而这种差异主要源于下垫面的光学特性、水热特性以及局地陆-气系统中可利用水分的不同。在辐射平衡的比较方面,荒漠沙地发射的长波辐射最大,高寒森林的长波辐射最低,农田下垫面发射的长波辐射总体低于草地;荒漠沙地、草地、农田和高寒森林的反射率依次减弱;荒漠沙地、草地、农田、森林下垫面的净辐射依次增大。在能量平衡方面,荒漠区沙地可利用能量大部分(约80%)用于加热大气,约20%消耗于蒸发和加热土壤;草地下垫面可利用能量中用于加热大气的能量比蒸发水分消耗的能量高,但高寒草甸例外;农田下垫面可利用能量的大部分消耗于蒸发,消耗于加热大气的能量不到20%。水含量越高,潜热通量越大,能量闭合率越低,能量过程也更复杂。     

内蒙古半干旱草原土壤－植被－大气相互作用综合研究

为深化对中纬度半干旱草原气候-生态相互作用过程、机制及其对全球变化的响应与贡献的认识,一项名为“内蒙古半干旱草原土壤-植被-大气相互作用(IMGRASS)”的基金重大项目于1997~2001年在内蒙古锡林郭勒草原执行。IMGRASS计划在1998年草原生长季节在所选定的以典型草原为主,包括草甸草原、稀疏沙地草原等在内的中尺度试验区开展了多点、多要素的综合观测。观测内容包括土壤、植被、大气的相关要素和发生于地-气界面的潜热、感热通量,还包括N2O,CH4,CO2等微量气体交换量、辐射与降水分布。除1998年中尺度观测试验外,1999~2001年在代表性地点进行了微量气体收支、遥感和沙尘天气相关的专项观测,结合草原站已进行的长期监测资料,分析气候-生态长期相互作用,特别是人类活动干预的影响。在分析观测结果的基础上,对该地区的气候-生态相互作用进行了数值模拟研究。文章简要介绍IMGRASS计划目标和初步成果,包括:计划目标与实验区背景;半干旱草原不同地表陆气相互作用特征;浑善达克沙地及其沙尘气溶胶特征;半干旱草原温室气体收支与碳循环测量分析;人类活动干预下半干旱草原生态退化与恢复演替规律;半干旱草原的遥感测量。     

Simulating evapotranspiration in a semi-arid environment

Summary In this work, simulations with the mesoscale meteorological model FOOT3DK for a semi-arid research site in southern morocco are presented. The main aim of this study is to introduce two different ways to improve the soil moisture distribution towards a more realistic pattern. One of them resembles the availability of groundwater resources below the lower boundary of the soil part of the model, the other one resembles irrigation practices in the region. Additionally, we introduce a newly derived land use/land cover data set obtained from analysis of LANDSAT data and compare the simulation results to those obtained with the USGS GLCC data. To evaluate the results with the refinements in soil moisture and land use/land cover, we focus on evapotranspiration, as the quantity which is most tentative to the changes in soil moisture and is an important part of the local hydrological cycle. To evaluate the importance of sub-grid scale surface heterogeneity in soil moisture and land use/land cover, we present simulations with enhanced surface resolution. Simulation results are compared to point measurements at different sites in the research area for validation.The results show, that a deep groundwater table and irrigation of parts of the research area can be represented by the methods we used. Simulated transpiration is overestimated compared to measured values, but this is due to the maximum approach used in this work. Finer tuning of the artificial enhancement of soil moisture with the two methods presented here are expected to lead to realistic distributions of evapotranspiration and related quantities, therewith drastically enhancing simulation accuracy for this site. As uncertainties of soil moisture distribution and restricted representation of soil moisture dynamics in meteorological models is a common problem especially for arid and semi-arid sites, we expect our results to be useful for meteorological simulations in other arid or semi-arid areas as well.