多套土壤温湿度资料在青藏高原的适用性

利用青藏高原中部和东部土壤温度和湿度观测资料,通过计算两套再分析资料(ERA-Interim和CFSR)和六套陆面模式资料(ERA/land、MERRA/land、GLDAS-NOAH、GLDAS-CLM、GLDAS-M OSAIC和GLDAS-VIC)分别与观测资料之间的平均偏差、偏差标准差、相关系数、标准差比等统计参数,结合Brunke排名法,综合评估了再分析资料和陆面模式资料中土壤温湿度数据在青藏高原的适用性。结果表明:对于土壤温度,CFSR与观测值最接近,其次是MERRA/land和GLDAS-CLM,而ERA-Interim和ERA/land与观测值相差较大;除GLDAS-CLM土壤温度比观测值偏高外,其他资料土壤温度在大部分站点比观测值偏低,其中ERA-Interim和ERA/land土壤温度比观测值偏低较多,部分站点平均偏差超过-20℃。对于非冻结期(5 10月)土壤湿度,GLDAS-CLM与观测值最接近,其次是GLDAS-NOAH或ERA-Interim;与观测值相比,CFSR、ERA-Interim和ERA/land的土壤湿度偏湿,平均偏差大部分在0.05~0.20 m3·m-3之间,而GLDAS-NOAH、GLDAS-CLM和GLDAS-M OSAIC的土壤湿度偏干。     

塔克拉玛干沙漠腹地流沙下垫面土壤呼吸特征及影响因素分析

通过LI-COR8100A土壤碳通量观测系统分别于2013年1月、5月、10月和11月进行了塔克拉玛干沙漠腹地塔中流沙下垫面土壤呼吸速率测定试验,并分析了相应的土壤水热因子对呼吸速率的影响。结果表明:塔克拉玛干沙漠腹地土壤呼吸速率整体偏低,但具有明显的昼夜波动性和季节变化特征。研究区流沙土壤中可能存在的无机碳过程是导致夜间及凌晨的土壤呼吸速率为负值,白天为正值的主要原因。不同时段的土壤呼吸速率(Rs)分别与土壤表层0~5 cm平均土壤温度(T)和湿度(W)间存在较为同步的昼夜变化趋势且具有良好的回归关系。相对于单因素影响的回归分析,土壤温、湿度的协同作用能够从整体角度更好地解释土壤呼吸速率的变化情况。回归方程Rs=a+bT+cW和Rs=a+bT+cW+dTW可解释不同时段土壤呼吸速率76.0%以上的变化情况。这说明土壤温、湿度是控制土壤呼吸速率的主要环境因子。沙漠腹地土壤极低的水分条件成为土壤呼吸的限制性因子,呼吸速率对于作为限制性因子的土壤湿度的变化响应则更加直接,而对于土壤温度变化的敏感性就有所下降,导致土壤呼吸速率与土壤温度回归关系出现明显的时滞环现象。     

松原市土壤墒情监测及干旱预报模型方法研究

基于自动土壤水分观测站数据建立本地土壤水分变化模型,通过人工取土烘干法观测的实际土壤湿度数值对自动土壤水分观测站数据进行修正和校订,再由修正过的自动土壤水分观测站数据作为当日的初始湿度,通过天气预报中无降水日数或降水日期及雨量大小做出未来一段时间内的失墒或增墒的模型,再通过不同的气象条件对增、失墒进行相关订正,做出相应的土壤墒情的预报,最后根据土壤墒情预报结果对照本地的土壤干旱量级指标,从而随时做出快速准确的本地旱情预报,为各级领导组织指挥农业生产、开展人影作业、指导农民进行田间管理等活动提供及时可靠的决策依据。本文通过此模型对2012年松原地区夏季干旱情况进行预报,再通过实际土壤墒情实况进行对比,预报结果基本正确。由于人工测值有一定随机性,所以人工观测值与自动站观测数据的对比只能做为参考而不可能完全吻合。但从长期数据应用情况来看,基于土壤自动水分观测站的土壤墒情监测及干旱预报模型方便稳定,反应水分变化趋势更有连续性。     

长江中下游盛夏持续性高温干旱对短期降水影响的数值试验

应用IAP 2-L AGCM模式,并考虑了下垫面异常,模拟了长江中下游盛夏不同强度的持续性地表高温干旱对短期天气的影响。结果表明,这种持续性高温干旱对长江中下游及我国东南沿海短期降水有十分明显的影响,持续高温干旱的强度不同,其影响结果不同。持续性适度高温和严重干旱造成短期降水减少,高温干旱仍继续维持达1个月的正反馈过程。在此持续过程中,土壤湿度变化起主导作用,而土壤热力状况的影响相对较小。     

黑龙江省近50年干旱发展事实及分析

应用实测的降水、气温和土壤湿度资料，分析黑龙江省近50年干旱化的发展趋势。结果表明，用月平均气温、降水量距平和均方差所构造的“干旱指数”以及土壤湿度显示近50年来黑龙江省是向干旱发展的。1990年以来这种干旱化趋势尤为明显，西部亚干旱地区的干旱化相对更严重。在气温和降水两个要素中，气温的升高对干旱化的作用可能更重要。利用CNEP／NCAR的容积式土壤湿度计算了全球50年来干旱的发展趋势，结果表明：黑龙江省近50年干旱的发展是全球气候异常的重要组成部分。这显然与全球气候变暖的大背景有关。为探讨东北区干旱的发展对全球气候变暖的响应，利用Jones等的1951－2000年全球平均气温资料和黑龙江省10个站的干旱指数进行线性回归分析。结果表明：在全球平均温度上升1℃的情况下，黑龙江省的干旱化程度要增加10％左右。这种形势应该引起我们的关注。     

淮河流域冬春季土壤温湿度异常对夏季降水的影响及其应用的研究

夏季降水异常与前期环流、下垫面异常有密切的关系 ,文中重点研究了淮河流域前期下垫土壤温、湿度异常对夏季降水的影响。提出了一种动力与统计相结合寻找影响降水的因子的方法 ,通过将大气中的热量、水汽收支方程与一个简化的两层土壤温度、湿度方程相结合 ,并依据月尺度大气环流的演变特征 ,推导出月降水距平与 5 0 0hPa月平均高度距平场、土壤深浅两层温、湿度的关系 ;并利用台站观测资料 ,使用统计反演方法确定方程中各项的系数和量级 ,从而找出影响降水的主要土壤温、湿度因子 ;利用统计方法建立这些因子与淮河流域夏季降水异常之间的简单线性预报方程 ,并对 1982～ 2 0 0 0年淮河流域夏季降水趋势进行回报 ,结果表明 :对淮河流域夏季降水趋势的预测有很好的效果 ,且更加明确了土壤温、湿度因子与降水异常之间的动力学联系。     

高寒草原不同量级降水对干旱解除的影响

基于2017年3月1日至10月31日逐日每10 min降水量和土壤体积含水率试验数据,分析不同降水量级不同处理对土壤体积含水率的影响,结果表明:(1)小雨仅能提高0～10 cm土壤墒情,且在遮挡率超过30%时,效果明显减弱,同时地表植被覆盖能在一定程度上提高降水利用率。(2)在土壤底墒较差条件下,中雨能改善对照区、遮挡率20%和30%处理下0～10 cm土壤体积含水率;在土壤底墒较好条件下,中雨能有效补充对照区、遮挡率20%、30%和40%处理下0～30 cm土壤水分。(3)大雨条件下,在对照区、遮挡率20%、30%、40%和60%处理下,0～20 cm土壤体积含水率均有明显增加,在20～30 cm土壤层对照区、遮挡率20%、30%、40%处理下增加亦比较明显,大雨能完全解除0～30 cm土壤干旱。(4)短时强降水对土壤水分的补偿十分有限。暴雨对提高0～20 cm土壤体积含水率非常明显,但对提高20～30 cm土壤水分含量不及大雨效果明显。(5)在对照区,0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土层有效降水量阈值分别为2. 5、7. 0和10. 0 mm。(6)特旱、重旱、中旱和轻旱条件下,0～10 cm土层干旱解除所需的最小降水量分别为21. 5、11. 7、5. 0、1. 4 mm,10～20 cm土层所需的最小降水量分别为32. 9、18. 6、8. 6、2. 7 mm。     

珠穆朗玛峰北坡地区近地层及土壤微气象要素分析

利用中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站2005年9月-2006年8月一年的大气与土壤观测资料,初步分析了珠峰地区微气象特征和土壤特征量的变化.结果显示:该地区具有与青藏高原其它地区不同的微气象变化特征,气温在12月最低,6、7月最高,土壤温度呈正弦变化,土壤冻结时间较短等特征.     

共和高寒干旱地区马铃薯生产的气象条件分析

通过2003--2006年青海省共和县马铃薯种植试验,研究了马铃薯的生长发育和产量特征同共和地区高寒干旱气象条件的关系,找到了共和地区马铃薯的适宜播种期,并本着因地制宜的原则提出了实现马铃薯高产稳产的对策和措施。     

我国干旱半干旱区气候变化特征及其对干湿波动的影响

气候干湿状况是表征区域气候特征的重要指标,是在全球气候变暖背景下,水循环与陆面蒸散发作用的综合结果。本文从湿润度指数入手,结合降水与潜在蒸散的时空变化,分析了我国干旱半干旱区气候特点与干湿变化特征及对土壤湿度的影响。分析发现：近50年来,我国干旱与半干旱区均呈变湿趋势。干旱区与半干旱区潜在蒸散与降水月差值在年内出现时间上存在不一致,且干旱区明显大于半干旱区;3～9月为干旱气候区潜在蒸散与降水差值大值期,3～6月半干旱区潜在蒸散明显大于降水,7月起差值明显减小。作用分析表明,在干旱区,降水对湿润度指数的影响更大,而对于半干旱区,降水与潜在蒸散作用相当。长期以来,我国整个干旱与半干旱区大部分土壤湿度在逐渐变干,尤其是农业耕作层的浅层土壤,几乎全区域一致呈现变干趋势,说明我国干旱半干旱区农牧业生产存在较大的潜在干旱风险。     

On Transpiration and Soil Moisture Content Sensitivity to Soil Hydrophysical Data

Sensitivity of evapotranspiration E and root zone soil moisture content θ to the parameterization of soil water retention Ψ(θ) and soil water conductivity K(Ψ), as well as to the definition of field capacity soil moisture content, is investigated by comparing Psi1-PMSURF and Theta-PMSURF models. The core of PMSURF (Penman–Monteith Surface Fluxes) consists of a 3-layer soil moisture prediction module based on Richard’s equation in combination with the Penman–Monteith concept for estimating turbulent heat fluxes. Psi1- PMSURF and Theta-PMSURF differ only in the parameterization of the moisture availability function F_ma. In Psi1,F_ma is parameterized by using Ψ(θ) and K(Ψ) hydrophysical functions; in Theta, F_ma is parameterized by using hydrophysical parameters: the field capacity θ_f and wilting point θ_w soil moisture contents. Both Psi1 and Theta are based on using soil hydrophysical data, that is, there is no conceptual difference between them in the parameterization of E even if in Psi1F_ma depends on 12 parameters, while in Theta only on two soil/vegetation parameters. Sensitivity tests are performed using the Cabauw dataset. Three soil datasets are used: the vG (van Genuchten), CH/vG (Clapp and Hornberger/van Genuchten) and CH/PILPS (Clapp and Hornberger/Project for Intercomparison of Land-surface Parameterization Schemes) datasets. The vG dataset is used in van Genuchten’s parameterization, while in Clapp and Hornberger’s the CH/vG and CH/PILPS datasets are used. It is found that the consistency of soil hydrophysical data in the simulation of transpiration is quite important. The annual sum of E obtained by Psi1E^Psi1, differs from the annual sum of E obtained by Theta, E^Theta, because of the inconsistency between the fitting parameters of Ψ(θ) and K(Ψ) and the θ_f, and not because of the differencies in the parameterization of F_ma. Further, θ_f can be estimated not only on the basis of using soil hydrophysical functions (the θ_f so obtained is θ^Soil_f) but also on the basis of analysing the transpiration process (the θ_fso obtained is θ^tr_f). θ^tr_f values estimated from the condition E^Theta ≈ E^Psi1 are in acceptable accordance with the θ^Soil_f values proposed by Wösten and co-workers. The results are useful in optimizing the parameterization of transpiration in land-surface schemes.     

中国冬季地温场变化特征及与夏季降水场的关系

利用我国141个测站1980－1997年间12月－2月3.2m深度地温资料和中国160个测站1951－1997年间6－8月降水资料，采用主成分、旋转主成分分析，对冬季地温的空间异常特征、时间变化规律以及与夏季降水的关系进行分析。结果表明：未旋转的前3个载荷向量场可以较好地反映中国冬季地温整体异常结构，即全区一致的高温或低温；东西相反的东高（低）西低（高）型；南北相反南高（低）北低（高）型。旋转后的前4个载荷向量场可较好地代表中国冬季地温的4个主要异常敏感区：北方区、淮河区、西北区和江南区。旋转主分量和代表站资料反映出90年代以来西北区、华南区冬季地温呈下降趋势，北方区、淮河区、江南区呈明显上升趋势。当北方冬季地温偏高时，有利于7月黄河以北大部分地方降水偏多；当淮河区冬季地温偏高时，有利于7月江淮流域降水偏多，而使黄河以北、长江以南降水偏少；当西北区冬季地温偏高时，有利于7月江淮流域降水偏少；当江南冬季地温偏高时，有利于7月四川－云南南部降水偏多。     

土壤湿度和土壤温度模拟中的参数敏感性分析和优化

使用一种复杂洗牌算法 (SCE-UA, Shuffled Complex Evolution Algorithm) 对Noah陆面模式中的参数进行敏感性分析和优化,其中水文参数采取直接优化和优化土壤成份的形式,侧重于研究两种水文参数给出方法对土壤湿度和土壤温度模拟的敏感性。结果表明:将土壤湿度和土壤温度作为判据,模式中水文参数敏感性最高,水文参数对土壤湿度的敏感性要高于对土壤温度的敏感性。表层土壤湿度作为判据对土壤水文参数优化后,可以改善土壤湿度和土壤温度的模拟,加入深层土壤湿度同时作为判据后,优化使土壤温度的模拟变差。当土壤成份作为优化的参数,表层和深层土壤湿度作为判据,优化能够同时改善土壤湿度和土壤温度的模拟。单独使用土壤温度作为判据不能达到优化水文参数的目的。将土壤成份作为优化的参数后,土壤湿度和土壤温度的多判据优化效果最好,且减少不敏感参数的个数后对优化结果的影响总体不大。基于以上结果,将土壤成份作为优化水文参数的方法能够更好的考虑不同水文参数之间的约束关系,优化后的水文参数具有很好的一致性,优化效果较直接优化水文参数更好。     

利用气象卫星GMS和AVHRR资料推算地面水分含量的方法

根据GMS红外通道遥感到的土壤表面温度随时间的变化率对土壤水分最敏感,且该变化率又与极轨卫星测到的植被指数存在负相关的事实,提出了一个更能反映土壤表面水分的干旱分级指数（DCI）,对土壤水分按6个等级监测。该指数与江苏、吉林两省实测土壤湿度或降水分级之间的相关系数在0.70以上。     

藏北地区近地层大气和土壤特征量分析

利用"全球协调加强观测期亚澳季风青藏高原试验研究(CAMP/Tibet)"4个台站2003年大气和土壤的观测资料,详细分析了藏北高原不同下垫面上的气温、相对湿度、土壤温度、土壤湿度等的季节变化及年变化特征。近地层大气各气象要素变化剧烈;4个站气温高低的差异显示了纬度和高度的明显影响;各站冻土冻融过程存在地域差别,尤其是春季冻结消融阶段的持续时间相差可达1个月;土壤质地的差别对土壤湿度影响也较大,黏土土壤含水量要高些,粉土和砂土要低些。     

高分辨率WRF模式中土壤湿度扰动对短期高温天气模拟影响的个例研究

本文利用WRFV3.6中尺度预报模式就土壤湿度扰动对2003年7月22~23日和29~30日短期高温天气过程的影响进行了高分辨率模拟研究。结果表明:(1)WRF模式地表气温对土壤湿度扰动有较强的敏感性,且随着土壤湿度的增加(减小)而降低(升高)。同时,模式中土壤湿度对地面气温影响的强度对模式分辨率具有较高的依赖性。(2)不同模式分辨率下气温随土壤湿度变化的规律一致;由于更高分辨率的地形资料的应用,提高分辨率可在较大程度上改善模拟效果。(3)不同土壤湿度试验模拟的地表感热、潜热通量可直接影响气温变化;(4)土壤湿度扰动通过间接影响高温发展的近地层各物理过程使得地表气温发生变化。这些过程中,对流(平流)过程在全天表现为增温(冷却)的作用,强度在白天均随土壤湿度的减小而增加。在较干的土壤条件下,非绝热增温在白天的主导地位加强;在夜间,非绝热冷却的强度减弱,且小于占据主导的对流绝热增温的强度。以上结果表明,在模拟和预报高温天气时土壤湿度非常重要,也意味着通过土壤湿度扰动的集合预报方法来改进模式高温模拟预报具有较大的潜力。     

黄河源区土壤温湿和大气参量变化特征

利用中国科学院西北生态环境资源研究院玛曲土壤温湿观测网2008-2009年、2013-2014年数据验证了3套再分析资料ERA-Interim,CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）和JRA-55（Japanese 55-year Reanalysis）在黄河源区的适用性,结合中国气象数据网玛曲气象站1980-2014年观测资料与CLM4.5（Community Land Model 4.5）进一步分析了黄河源区近35年气候变迁、土壤温湿分布和变化,结果表明:CFSR能够较好地描绘黄河源区土壤湿度变化,ERA-Interim对于土壤温度刻画能力更强,JRA-55效果较差;35年来气温、土壤温湿总体呈上升趋势且发生突变;近年来10 cm土壤温湿有暖干化趋势,降水量稍有增加,土壤冷季冻结周期变短,暖季持续时间拉长;CLM4.5模拟精度高,能够较好地刻画源区土壤温湿变化细节,两湖及黄河周边暖季为冷湿中心,冷季为暖干中心。     

用气象卫星监测土壤水分的试验研究

该文从土壤的热性质出发，阐述了目前国内外用气象卫星监测土壤湿度的研究中存在的问题，并提出了解决的方法，在解热传导方程的基础上，引入了“遥感土壤水分最大信息层”概念，并以此为理论依据建立了多时相的综合土壤湿度统计模型。为了在业务中有效地使用所有卫星资料，还提出获得日较差的几种方法。      

郑州冬麦田底墒推算方法初探

根据1991～1996年郑州冬小麦播种前0～200 cm的土壤水分观测资料,应用3次多项式模拟了底墒的垂直分布。结果表明土壤水分随土层深度增加的变化趋势,0～50 cm土壤水分与0～200 cm的底墒相关达到0.01显著水平,可以用0～50 cm土壤水分推算0～200 cm土层底墒。     

不同下垫面条件下土壤含水量时空变化特征的对比分析

根据淮河三站1998-05-21－08-31逐日土壤水分6层观测资料和黑河1991-06-20－08-21、1990-12-17－1991-02-15逐日土壤水分4层观测资料，分析了邻近绿洲的沙漠区、河网区（湿润区）几种典型下垫面土壤水分含量的时空变化特征。结果表明，不同类型的下垫面条件下，夏季土壤水分在湿润研究区呈明显的单峰偏态分布，且以β分布拟合效果为最好；而在邻近绿洲的沙漠研究区则呈多峰分布，冬季呈Γ分布，且湿润的研究区域夏季土壤水分在时间上呈显著的10－25d的周期变化。