新疆阿克苏河上游高寒草甸蒸散发观测与估算

蒸散发是水循环的关键环节, 是水量平衡的重要组成部分. 由于在高寒山区进行长期野外观测的难度较大, 导致对区域实际蒸散发的认识不清, 从而无法明确区域水资源分配与不同植被的生态水文功能. 在天山山区, 高寒草甸占其总面积近15%, 其对降水的调节作用巨大, 但目前高寒草甸的实际蒸散发量多用潜在蒸散发进行推算, 缺少实际观测数据. 2012年10月-2013年9月, 利用3个小型蒸渗仪观测了阿克苏河上游科其喀尔冰川综合考察站附近山区的高寒草甸的实际蒸散量, 并尝试利用最小二乘支持向量机(LS-SVM)估算实际蒸散发. 结果表明:研究区高寒草甸全年内实测蒸散量511.3 mm, 日均蒸散量为1.4 mm·d^-1; 在不同时期, 蒸散量变化剧烈, 冻结期、生长前期、生长期和生长后期的蒸散量分别为53.9、41.0、363.8和52.6 mm, 分别占全年蒸散量的10.5%、8.0%、71.2%和10.3%. 最小二乘支持向量机对实际蒸散发的估算精度较高, 对观测资料相对缺乏的高寒山区来说, 不失为一种较好的估算蒸散发方法.     

长江源区高寒生态与气候变化对河流径流过程的影响分析

近40 a来长江源区气候变化剧烈,是青藏高原增温最为显著的地区之一,高寒生态系统与冻土环境不断退化.采用多因素逐次甄别方法与半经验理论方法相结合,基于多年冻土的不同植被覆盖降水-径流观测场观测试验结果,分析了长江源区气候-植被-冻土耦合系统中各要素变化对河川径流的不同影响.结果表明:近40 a来长江源区河川径流呈持续递减趋势,年均径流量减少了15.2%,频率>20%的径流量均显著减少,而>550 m³·s^-1的稀遇洪水流量发生频率增加;气候变化与高寒草甸覆盖变化对源区径流变化的影响较大,分别占5.8%和5.5%;气候与植被覆盖变化对径流的显著影响是与冻土耦合作用的结果,但冻土环境与冰川变化对径流的贡献尚不能准确评价.高寒沼泽湿地和高寒草甸生态系统对于源区河川径流的形成与稳定起到关键作用,这两类生态系统的显著退化是驱动河川径流过程中变差增大、降水-径流系数减少以及洪水频率增加的主要原因.保护源区高寒草甸与独特的高寒湿地生态,对于维护源区水涵养功能和流域水安全意义重大.     

青藏高原中部高寒草甸蒸散发特征及其影响因素

蒸散发作为水量平衡和能量平衡的重要组成部分,其变化对于农业、生态和水文具有重要的影响。全球变暖导致青藏高原上冻土活动层加厚,改变大气和土壤的水热交换过程,为明确唐古拉多年冻土区的蒸散发在全球变暖大背景下的变化趋势,依托中国科学院冰冻圈国家重点实验室唐古拉站,利用小型称重式蒸渗仪的观测数据分析了2007-2013年蒸散发的变化特征及其影响因素。结果表明：2007-2013年草地生长季实际蒸散发总量呈现递增的趋势;在草地生长季内,草地生长中期的总蒸散量最大,生长初期的总蒸散量最小,但是日蒸散量则是在生长初期最大,生长后期最小;无降水日,草地的蒸散发主要受到净辐射和气温的影响,降雨日的蒸散发则主要受到净辐射和风速的影响。     

近40年来青藏高原典型高寒草原和湿地蒸散发变化的对比分析

青藏高原地表蒸散发是决定亚洲水塔水储量变化的关键要素.在快速升温背景下,长时间尺度的青藏高原地表蒸散发如何响应气候变化亟需深入探讨.以青藏高原两种典型高寒生态系统(草原和湿地)为研究对象,以野外观测和互补蒸散发模型为研究手段,利用常规气象资料驱动互补蒸散发模型,应用于青藏高原的典型资料稀缺地区,并就模拟结果进行验证评估,揭示了两种典型高寒生态系统近40年的蒸散发变化特征.结果 表明,校正参数后的非线性互补蒸散发模型可较为准确地模拟两种下垫面的蒸散发,亦即该模型在青藏高原资料稀缺区具有较好的应用潜力.1973-2013年,青藏高原典型高寒草原蒸散发呈不显著的增大趋势,而高寒湿地则以2.0 mm/a的速率显著增大.相关分析表明,高寒草原和湿地蒸散发的年际变化主要与水汽压(即空气湿度)有关.阶段性分析发现,1970s至1990s末期,两种生态系统蒸散发皆在波动中逐渐增大;而1997年以后,高寒草原和高寒湿地蒸散发的变化模式表现出明显差异:前者在波动中逐渐减小,后者则持续增大至2000s中期.造成这种差异的原因可归结为高寒湿地受冰川融水的影响,土壤含水量可维持在较高的水平,加之2000s高寒湿地的水汽压和日照时数增大,使得该时段内地表蒸散发仍呈增大之势,亦即上游的冰川融水对下游的湿地蒸散发有重要影响.结果 表明,空间距离较近的两种典型高寒生态系统,由于所受水源补给不同,局地蒸散发对气候变化的响应模式可能有较大差异.     

三江平原典型沼泽湿地能量平衡和蒸散发研究

基于涡度相关技术对三江平原典型沼泽湿地的水热通量进行了连续观测,研究沼泽湿地能量平衡和蒸散发的季节变化,确定观测期内沼泽湿地总蒸散量,并通过逐步回归方程估算沼泽湿地水面蒸发和植被蒸腾。结果表明,沼泽湿地的能量平衡具有明显的季节变化特征,总体看来,潜热通量是湿地的主要能量支出项,占净辐射的45.5%,感热通量和存储热通量分别占净辐射的27.9%和26.7%。2006年5~10月份沼泽湿地总蒸散量为310.6mm,月均日蒸散量最高值出现在7月。观测期内沼泽湿地水面蒸发量约为221mm,占总蒸散量的71%左右,植被蒸腾量则约占总蒸散量的29%,湿地蒸散发以水面蒸发为主。     

玛纳斯河流域山前平原区蒸散发时空异质性分析

玛纳斯河流域气候干燥、蒸发强烈,准确估算蒸散发量对地下水资源评价及生态环境保护具有重要指导意义。以往蒸散发研究空间分辨率较低,已不能满足各水文地质分区景观格局演变引起的蒸散发细部变化研究,针对以往不足,文章基于SEBAL模型利用Landsat系列影像估算了近30年来玛纳斯河流域山前平原区蒸散发,并进一步探讨不同水文地质分区蒸散发时空分布特征及影响因素。结果表明,蒸散量空间分布按照水文地质分区呈现明显带状性,各水文地质分区日蒸散总量表现为戈壁带<荒漠带<绿洲带,时间尺度上全区蒸散总量呈上升趋势,且增大幅度逐渐变缓,各分区呈现绿洲带蒸散总量递增、戈壁带及荒漠带蒸散总量先减小后增大,各分区蒸散总量变化趋势是由各分区主地物类型蒸散量变化控制;通过对影响因素的分析可知日蒸散发量随气温的升高而升高,各地物日均蒸散发量与全区平均气温变化趋势一致;归一化植被指数与日蒸散发量在戈壁带与绿洲带呈现较好的正相关关系;地下水位埋深与日蒸散发量在绿洲带呈负相关,当地下水位埋深大于5. 5 m时,日蒸散发量趋于稳定。     

基于MOD16的银川平原地表蒸散量时空特征及影响因素分析

地表蒸散发是陆地水文循环的重要组成部分,分析蒸散量时空变化特征是深入了解干旱区水文过程的基础。由于银川平原缺乏区域尺度实际蒸散量的长期观测,很难得到长时间序列蒸散量的时空变化特征。基于MOD16A3地表蒸散量数据及研究区内气象站点实测数据,采用Theil Sen Median趋势度分析、MK突变检验及CA-Markov模型等方法,从时间与空间的角度分析2004—2019年银川平原地表蒸散量的变化特征及影响因素,预测2024年地表蒸散量的发展趋势。研究结果表明:2004—2019年银川平原蒸散量年际波动总体是增加趋势,MK突变检验结果显示2010年是蒸散量时序数据的突变点;银川平原实际蒸散量与潜在蒸散量空间分布格局、变化趋势均存在明显的差异性,蒸散量在近16年呈增加趋势,潜在蒸散量呈减少趋势,符合干旱区蒸散发互补相关理论。采用CA-Markov模型对2024年银川平原地表蒸散量未来发展趋势进行预测,模拟结果显示在未来5年银川平原蒸散量仍呈增加趋势;蒸散量的时空变化受气候与人类活动的共同影响,蒸散量与气温、降水、日照时数呈正相关,与相对湿度呈负相关,土地利用结构影响年蒸散量的空间格局,呈现出水田>旱田>林地>草地>荒漠的规律。     

长江源区不同植被覆盖下土壤水分对降水的响应

土壤水分是连接气候变化和植被覆盖动态的关键因子,以长江源区北麓河一级支流左冒西孔曲典型小流域为研究对象,通过观测降水特征、植被覆盖情况、土壤特性、土壤水分变化、入渗过程以及蒸散发和凝结,分析了不同植被覆盖下土壤水分变化与降水之间的响应关系.结果表明:研究区内高寒草甸土壤水分对降水的响应存在十分明显的滞后现象,滞后时间较长;当植被退化较为严重时,20 cm深度范围内土壤水分对降水有一定响应,深层土壤比较干燥,对降水的响应微弱;在保持其原有植物建群和较高覆盖度时,土壤持水能力增强,深层土壤含水量明显提高,土壤水分变化剧烈,对降水的响应深度达到40 cm以下.较高的植被覆盖能有效改善土壤物理结构、提高土壤有机质含量,促进降水入渗.植物根系导致的较大孔隙优先流运动以及根系吸水作用影响了土壤水分对降水的响应和土壤水分的空间分布.不同植被覆盖度下,土壤水分的蒸散发与凝结具有明显差异,高覆盖度的高寒草甸土壤,蒸散发量较小,凝结水量较大.     

基于MOD16产品的淮河流域实际蒸散发时空分布

蒸散发是陆面过程中的重要环节,联系着陆面水循环和地表能量平衡.淮河流域地处中国南北气候过渡带,对淮河流域实际蒸散量时空变化的研究,有助于深入理解中国气候过渡带水循环对全球气候变化的响应.应用遥感技术对淮河流域MOD16_ET数据进行精度验证,并分析2000-2014年淮河流域蒸散发时空分布特征.结果表明:MOD16_ET产品在淮河流域内的精度总体上符合要求;淮河流域多年平均蒸散发的空间分布整体上呈南高北低,季节蒸散量的空间分布与年蒸散量的空间分布大体一致;近15 a淮河流域平均的实际蒸散量变化范围为531.7~634.0 mm,且存在不显著的下降趋势,实际蒸散量的季节变化大致呈单峰型分布,且季节变化较为明显,夏季(257.2 mm) >春季(143.7 mm) >秋季(120.7 mm) >冬季(66.6 mm);淮河流域西北部,夏、秋、冬三季的季节蒸散量变化速率对年蒸散量变化速率的贡献较大;淮河流域东部,春季的蒸散量变化速率占年蒸散量变化速率的比重较大.研究结果对于淮河流域内水资源短缺问题的解决、有限水资源的合理利用以及旱涝灾害的监测和预警有着重要的意义.     

黑河流域山区植被带草地蒸散发试验研究

利用Penman-Monteith(PM)、 ASCE-Penman-Monteith(ASCE-PM)和Priestley-Taylor(PT)公式以及两个小型蒸渗仪SW10与N6的实际观测,计算了黑河流域山区试验草地2002年夏季的蒸散发. PM与PT方法验证了其中的一个小型蒸渗仪SW10的蒸散量, 也能验证小型蒸渗仪N6的蒸散量. 研究表明, 这种小型蒸渗仪在测算内陆河山区草地蒸散量的适用性比较强. 热量平衡要素计算结果表明, 山区草地的热量主要消耗于蒸散发.     

青藏高原高寒草甸土壤水分运移机制

查明青藏高原高寒草甸区土壤水分运移机制,对正确理解土壤水分迁移过程、提高高寒草甸重建效率具有重要指导意义。通过开展土壤剖面负压、地温观测等原位试验,结合气象资料,对土壤剖面地温、含水率及总水头特征进行分析。结果表明,土壤的冻结期起始于10月,解冻期起始于4月;地温最高值出现在植物生长旺盛期8月,最低值出现在1月;1～3月土壤水分呈固态,6～10月土壤水分呈液态,处于稳定变化阶段,4～5月、11～12月土壤水分呈固液转化态,含水率变化幅度较大,处于过渡阶段。随着气温升高及降水量增加,6～8月水热同季有利于高寒草甸生长,属于高寒草甸主要生长阶段;春季土层由表及深土壤解冻,冻土层滞水性能保障了返青期春旱牧草生长的水分需求;深秋季节的由表及深的土壤冻结,深层土壤水分随水汽发生的表聚作用保障了牧草生长的水分需求,也是高原生态系统能够维持稳定的原因之一。     

高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环影响研究

土地覆盖变化对流域水平衡的影响是流域水学和生态水学研究的关键问题之一。以黄河源区两个典型小流域为研究对象，通过对流域不同植被类型与植被覆盖土壤的水分含量、入渗过程、蒸散发特征的测定，研究了高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环的影响．结果表明：广泛分布于青藏高原河源区的高寒草甸草地，植被覆盖度与土壤水分之间具有显的相关关系，尤其是20cm深度范围内土壤水分随植被盖度呈二次抛物线性趋势增加；在保持其原有的植物建群和较高覆盖度时，土壤上层具有较高持水能力，降水通过表层向深层土壤的渗透速度缓慢，且具有较均匀的土壤水分空间分布，水源涵养功能明显；高寒草甸草地退化后的高山草甸土壤趋于干燥，持水能力减弱，即使进行人工改良以后，土壤水分含量与持水能力也不会有明显改善．保护河源区原有高寒草甸草地对于河源区水过程意义重大。     

西北典型内陆流域地下水与湿地生态系统协同演化机制

以生态输水为代表的湿地修复工程在西北内陆流域得到了广泛应用,生态输水情形下地下水与湿地植被的交互作用决定着湿地生态系统的演化过程。以西北典型内陆流域—石羊河流域青土湖湿地为研究区,基于地下水-湿地生态系统多要素一体化动态监测网络,结合稳定同位素和卫星遥感技术手段,分析生态输水情形下的地下水动态变化与湿地植被恢复情况,从水文地质角度揭示地下水与湿地生态系统的协同演化机制。结果显示:夏季末和秋季生态输水时,湖水补给地下水且土壤含水率增大,最大土壤含水率可达0.45 m³/m³;冬季湿地湖面和表层土壤冻结,湖水对地下水补给量减少,春季冻土和湖面消融导致地下水略有回升,同时增大土壤含水率;夏季在下次生态输水前湖面面积最小(湖面面积最小约为1 km²,地下水水位最大埋深为3.6 m),部分区域地下水补给湖水,此时表层土壤含水率也最低(最小土壤含水率为0.01 m³/m³);夏季末和秋季生态输水通过将生态水储存在地下水和土壤中进而作用于次年的植被恢复与生长,增大生态输水所形成的湖面面积有助...     

辽河口芦苇湿地蒸散试验研究

在研究区用带有地下水补给的芦苇培养箱测量蒸散量,同时,采用PM-5型稳态气孔计测量了不同水深条件下芦苇的蒸腾速率,并与同一实验条件下的水面蒸发和裸地蒸发进行对照,分析了辽河口芦苇湿地区的蒸散耗水规律。研究结果表明:当控制水位在地表以上10 cm时,芦苇蒸腾速率曲线呈"单峰"型,而且芦苇的蒸腾作用在这种地表积水情况下随着栽培时间的延长受到抑制;当控制水位在-5 cm、-20 cm、-40 cm和-60 cm时,芦苇蒸腾速率变化曲线呈"双峰"型,并且出现明显的"午休"现象。芦苇群落的蒸散发比值有一个极小值埋深,在-20～-40 cm。地表积水时芦苇群落的蒸散量是自由水面蒸发量的2倍左右,水位在地表以下时芦苇群落蒸散量是裸地蒸发量的3.0～3.5倍。芦苇蒸散影响量与日均光合有效辐射、日均大气温度和日均相对湿度有很好的相关性。在以后的研究中,当无实测芦苇蒸散量数据时,可以通过建立芦苇蒸散影响量与气象因素的相关关系式,根据裸地蒸发量得到芦苇的蒸散量值。     

陇东黄土高原土壤储水量与蒸发和气候研究

利用长期土壤湿度和气候观测资料，分析了陇东黄土高原陆面蒸发和土壤储水量的年际变化及其与气候因素的关系。在近20年来，陇东黄土高陆面蒸发和土壤储水量的年际变化主要表现为逐年减少的趋势，个别季节表现为增加的趋势；年际变化的速率具有季节和空间差异性。陆面蒸发和土壤储水量随着温度的升高而减少，随着降水的增加而增加。但是陆面蒸发和土壤储水量与温度的关系不密切，与降水的关系密切。变暖不是陇东黄土高陆面蒸发和土壤储水量逐年减少的气候因素，降水的逐年减少才是陇东黄土高原陆面蒸发和土壤储水量逐年减少的气候因素。陇东黄土高原的土壤干旱化与地表蒸发关系不大，降水的逐年减少可能是土壤干旱化的根本原因。     

黑河源区高山草甸的冻土及水文过程初步研究

介绍了黑河源区野牛沟流域在试验点尺度和山坡尺度上所开展的冻土水文过程初步结果.冻土水文观测场建于最大冻结深度约为3.0 m的季节冻土区,近50 a来,该区降水量变化不大,器测蒸发量(Φ20)和风速呈明显的降低趋势,而气温和地表温度则分别上升约1.0℃和1.7℃.研究区季节冻土冻结上限和下限深度均与地表温度呈二次多项式关系,这表明地表温度与冻结或融化区地温变化之间有一个滞后过程.在地表融化季节,季节冻土存在两层现象.当融化深度接近最大冻结深度时,存在向上和向下的双向融化现象,但自下而上融化速率较慢.2005年9月-2006年9月,具有较高代表性的3个山坡径流场均没有观测到产流量,结合蒸散发观测和野外调查,发现夏季高山草甸具有明显的地表径流拦蓄和水源涵养作用.COUP模型能够较好的连续演算试验场生长季节高山草甸-季节冻土-大气-维水热传输和耦合过程,但因其土壤完全冻结临界温度阀值设置偏高,影响了非生长季节的计算精度.     

The role of rainfall in the thermal-moisture dynamics of the active layer at Beiluhe of Qinghai-Tibetan plateau

The active layer in permafrost regions plays an important role in energy exchange between permafrost and atmosphere. Rainfall is one of the dominant factors affecting thermal-moisture dynamics of the active layer. To better understand the thermal-moisture dynamics and the interaction between rainfall and the active layer in-detail, in situ experiment was carried out and soil temperature, soil moisture and soil heat flux of the active layer were measured from 2007 to 2009. The observation data demonstrated that the volumetric soil water content of the active layer remained fairly constant during the winter and had a notable fluctuation resulted from evapotranspiration and rewetting from rainfall events in summer. The daily variation amplitude of soil temperature and soil heat flux in summer was bigger than that in winter. Soil moisture content increased and soil temperature decreased after rainfall. Rainfall in summer led to the change of surface energy balance and caused subsurface soil cooling. The convective heat transfer from water infiltration reduced the temperature gradient along depth and changed near-surface heat fluxes. The increase in rainfall may mitigate permafrost degradation on the Tibetan Plateau.     

基于多源卫星观测的中国土壤湿度时空特征分析

为了揭示中国表层土壤湿度的时空分布特征及主要影响因子,通过SMAP、SMOS、AMSR2、FY3B和FY3C 5个卫星平台的遥感信息,采用集合平均法合成了2015-2016年中国25 km、逐日表层土壤湿度信息,通过比较5套产品之间的差异来分析卫星产品的不确定性,分析了中国土壤湿度的空间和季节分布特征以及同降雨量和蒸散发量的关联。结果表明:中国表层土壤湿度呈较明显带状分布,与干湿气候带的分布基本一致,总体由西北向东南和东北增加;土壤湿度在大部分地区呈现明显季节变化,主要表现为夏高冬低,不同地区的季节变化特征有所不同;中国60%以上地区,土壤湿度受同步和前期降雨量的强控制影响;中国87.5%的地区土壤湿度和蒸散发呈显著正相关和强依存关系。     

Hydrothermal pattern of frozen soil in Nam Co lake basin,the Tibetan Plateau

Hydrothermal processes and the regimes of frozen soil formed in alpine regions with glaciers and lake area are complex and important for ecological environment but have not been studied in Tibet. Based on soil temperature and moisture data from October 2005 to September 2006 collected in the Nam Co lake basin, Tibetan Plateau (TP), those questions were discussed. The mean annual air temperature was −3.4°C with 8 months below 0°C. Air and soil temperature varied between −25.3~13.1°C and −10.3~8.8°C, respectively. Soil moisture variations in the active layer were small with the minimum value of 1.4%, but were influenced greatly by snowmelt, rainfall and evaporation, varying up to 53.8%. The active layer froze later, thawed earlier and was thinner, however, the lower altitude limit of permafrost is higher than that in most areas of TP. The effects of soil moisture (unfrozen water content) on soil temperature, which were estimated through proposed models, were more significant near ground surface than the other layers. The surface soil temperature decreased with snowcover, the effect of cold snow meltwater infiltration on soil thermal conditions was negligible, however, the effect of rainfall infiltration was evident causing thermal disruptions.     

冻融期东北农田土壤温度和水分变化规律及影响因素分析

为了更好地认识季节性冻融区冻融过程对农田土壤温度和水分的影响, 以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象, 监测了冻融期流域内玉米田和水稻田土壤温度和水分的变化过程。结果表明： 冻融期表层土壤温度主要受积雪厚度影响, 深层土壤温度主要受土壤初始含水率影响。冻结期, 冻结层含水率几乎都呈增加趋势, 其中浅层土壤增幅最大; 冻结速度慢、 初始含水量低、 相邻土层含水量高的土层冻结过程水分增加量更大, 反之则小。融化期, 各下垫面、 土层土壤含水率基本呈下降趋势, 且主要集中在表层0 ~ 30 cm, 水分损失以蒸发为主, 冻结层对土壤蒸发有抑制作用; 冻结层的融化是造成各下垫面不同土层土壤含水率差异, 以及各土层在不同融化阶段土壤含水率差异的主要原因。