西藏高原草原化嵩草草甸生态系统CO2净交换及其影响因子

了解生态系统CO2净交换(NEE)的季节变化规律和主要生物因子及环境因子对这些过程的影响将有助于生态系统碳循环过程机理的理解以及大尺度过程的模拟.本研究利用涡度相关技术对位于西藏高原腹地的、世界海拔最高的草地碳通量观测站的NEE及生物和环境因子进行近3年观测,阐明NEE及其组分的动态变化特征和影响因子.草原化嵩草草甸生态系统碳吸收的最大值出现在8月,最大碳排放出现在11月,在生长季初的6月,受降水和植物返青快慢的影响,会出现生态系统碳吸收或排放的年际差异,7～9月表现为碳吸收,其余月份均为碳排放.在生长季,白天的NEE主要受光合有效辐射变化的控制,同时又与叶面积指数交互作用,共同调节光合速率和光合效率的强度.生态系统呼吸主要受温度的控制,同时也受到土壤含水量的显著影响,呼吸商(Q10)与温度呈负相关,而与土壤含水量呈正相关关系.生长季昼夜温差大并不利于生态系统的碳获取.10℃时标准呼吸速率(R10)与土壤水分、温度、叶面积指数和地上生物量呈正相关关系.降水格局影响了土壤水分动态,土壤含水量会显著影响生态系统呼吸的季节变化.生长季初和末期的脉冲性降水会导致生态系统呼吸的迅速上升,从而导致生态系统碳的流失.西藏高原草原化嵩草草甸生长季短,温度低,致使生态系统的叶面积指数偏低,生态系统碳吸收较少,降水格局引起的土壤湿度动态和脉冲性降水将对生态系统呼吸产生了重要影响,从而会影响到生态系统的碳收支水平.     

基于人工神经网络的ChinaFLUX观测站CO2模拟研究通量

涡度相关技术的发展,为准确获取区域尺度的CO2通量分布格局提供了数据基础.但由于涡度相关技术自身的局限性,需要利用模型模拟作为获取区域CO2通量的重要手段.可是CO2通量和其他微气象变量之间的非线性关系给模拟CO2通量的时空动态变化带来了一定的困难.人工神经网络模型为模拟CO2通量与其他微气象变量的非线性关系提供了一种新的手段.在ChinaFLUX三个不同类型(农田、森林、草地)生态系统中,基于2003年6～8月的半小时涡度相关观测数据,采用BP人工神经网络模型,以能量通量(净辐射、潜热、显热和土壤热通量)以及温度(空气温度、土壤温度)和表层土壤水分作为输入变量,模拟了CO2通量的动态变化.结果表明,人工神经网络模型具有较好的模拟结果,其R2系数在0.75与0.866之间.RMSE在0.008 μmol/m2与0.012 μmol/m2之间,MAE在1.38 μmol/m2与3.60 μmol/m2之间,其中农田和森林生态系统的模拟精度略高于草地生态系统.其次,通过比较土壤水分要素是否参与模拟的结果表明,在生长季期间,不存在土壤水分胁迫的情况下,土壤水分的参与并不能显著提供模型模拟的精度.最后,应用连接权重方法进行了神经网络模型不同输入变量的重要性分析,指出神经网络模型不完全是一个黑箱模型,也可以有效地揭示出某些机理性现象.该研究证明,神经网络模型不仅可以有效地模拟CO2通量,也可以揭示出一些机理现象,为通过涡度相关观测与遥感反演技术的集成途径,利用已获取的区域尺度能量通量数据,模拟分析区域尺度的CO2通量分布格局提供了一种有效的方法.     

几种不同下垫面地表粗糙度动态变化及其对通量机理模型模拟的影响

在众多地表通量模拟模型和遥感通量反演模型中,空气动力学粗糙度(z0)是一个重要的地表参数.选取代表典型农田的禹城站,代表复杂下垫面的千烟洲站和代表森林下垫面的长白山站3个通量观测站的风速和温度廓线资料,运用最小二乘法拟合迭代,分别计算得到各站点通量塔所在地的零平面位移和空气动力学粗糙度.在此基础上,分别分析不同下垫面的空气动力学粗糙度随作物高度和叶面积指数(LAI)、风向(地形)、风速、摩擦速度等因子的变化.并采用SEBS模型分析地表空气动力学粗糙度动态变化对地表通量计算的影响.结果表明空气动力学粗糙度随植被特征(如作物高度,叶面积指数等)以及风向、风速和摩擦速度等因子而变化.禹城和长白山站通量塔所在风浪区的空气动力学粗糙度明显随作物生长期植被高度及叶面积指数变化,即先随LAI增加而增加,达到峰值后,随LAI增加而减小;千烟洲叶面积指数变化较小,空气动力学粗糙度随叶面积指数的变化不明显;地形较平坦的禹城和长白山站空气动力学粗糙度随风向变化较小,而地形起伏较大的千烟洲站空气动力学粗糙度随风向变化较大.随着风速的变化,禹城站空气动力学粗糙度没有明显变化,而千烟洲和长白山空气动力学粗糙度表现出随风速增加而减小的趋势.各站空气动力学粗糙度的这种动态变化对模型通量反演有较大影响,通过模型分析,5月1日～6月3日禹城空气动力学粗糙度日平均值、千烟洲及长白山通量塔空气动力学粗糙度5d平均值与模型所取z0值相比,由于z0的动态变化造成相同时间尺度显热通量H的计算相对误差的绝对值最大可分别达到2.726%,33.802%和18.105%.     

定量遥感反演作物蒸腾和土壤水分利用率的区域分异

首先讨论了在农业生态站建立的行之有效的、以遥感数据为主体的作物蒸腾二层模型.重点阐明了以多时相辐射温度和热惯量信息为基础的作物地表混合像元（视场）温度的分解模型,在遥感反演过程中提出了一些在模型和算法方面的优化和改进:提出了一个区域比辐射率估算的算法、提出了运用地表温度的静态反馈算法和扩展生态台站的空气温度到区域的算法.并在LUCC分类技术的支持下,提出了以地面粗糙度和辐射温度为参数的地面2m高的气温和风速的空间扩展算法.最后应用 NOAA-AVHRR和地面同步观测及其定标,按像元逐点运算,反演了华北地区农田作物蒸腾和水分利用率的区域分布.揭示了春天华北地区水资源在农业上的利用效率,为采取有效的节水措施提供了科学依据.     

一种可操作的区域尺度地表通量定量遥感二层模型的物理基础

以修正的二层模型耦合机制,提出了PCACA算法以及理论定位算法,结合干点和湿点定标场的参数测定值,推算到4个极端的混合像元真实温度.提高了干线和湿线的定位的可靠性.并且提出了二层分层能量切割算法,算法简捷明了,具有物理基础.摆脱了难以逐个像元获取的通量阻力网参数.对平流的影响提出了新的思考.又以PCACA算法分解了混合像元的反照率.联合二层分层能量切割算法,分解了混合像元的净辐射通量.克服了传统以Beer定律分解净辐射通量的不确定性.通过反演结果的验证分析,方法是可行的也是易于操作的.在论述上述算法可操作性的同时也客观地指出了不确定性.     

中亚热带人工针叶林CO2通量组分统计不确定性分析

以ChinaFLUX千烟洲中亚热带人工针叶林2003—2005年连续3a涡度相关C02通量观测数据为基础,采用“单塔日变化法（Daily-differencing approach）”分析了CO2通量观测数据的随机误差,研究比较了不同生态过程模型、不同参数优化方法对模型关键参数及CO2通量组分（Reco,NEE,GEE）的影响,并利用不确定性分析方法——自助法（Bootstrapping）统地分析了生态过程参数和CO2通量组分的不确定性．结果表明：（1）CO2通量观测随机误差更多服从双边指数分布（Laplace分布）,而不是高斯正态分布;（2）不同参数优化方法获取的生态过程参数存在明显差异,最大似然参数优化方法获取的参数结果不确定性低于普通最小二乘参数优化方法;（3）最大似然参数优化方法与普通最小二乘参数优化方法模拟的如。,NEE,GEE结果分别相差12．18％（176．47g C．m^-2．a^-1）,34．33％（79．175g C．m^-2．a^-1）,5．4％（91．955g C．m^-2．a^-1）;而TW_model与T_model模拟Reco,NEE,GEE结果分别相差1．31％（17．825g C．m^-2．a^-1）,2．1％（5．745g C．m^-2．a^-1）,0．26％（4．28g C．m^-2．a^-1）．这说明参数优化方法的选择对C02通量的影响高于模型的选择,因此选择适当的误差分布假设（参数优化方法）对CO2通量的确定和评价很重要;（4）最大似然法参数优化方法获取结果的相对不确定性低于普通最小二乘法参数优化方法．且CO2通量组分估计结果的不确定性随时间尺度变化,时间尺度越大,CO2通量的相对不确定性越小．Reco,NEE,GEE年尺度上的相对不确定性分别为4％～8％．7％～22％．2％～4％．     

非同温系统中基尔霍夫定律的适用性和热量平衡原理

根据地物界面热量平衡原理, 提出了在非同温系统中地物热辐射的相互作用的基本方程, 该方程的解比传统的表面温度冷却(增温)过程解更全面地考虑到了显热通量和潜热通量的作用, 并以北京小汤山实验数据进行了论证. 指出基尔霍夫定律在非同温系统中的不适用性的同时, 明确了在非同温系统中比辐射率的可测性. 提出的通风补偿法和延时补偿法, 克服了比辐射率测定中由于非同温物体的相互作用而增温和降温所引起误差. 以基本方程的解为准则, 对定量热红外遥感界理解和应用基尔霍夫定律中所存在的不确切和模糊的认识, 进行了分析和论述.     

运用SAR图像和TM热红外图像定量反演地表空气动力学粗糙度的二维分布

在分析“陆地表面与大气相互作用”研究领域对地表空气动力学粗糙度二维分布的科学需求后, 确定以SAR (Synthetic Aperture Radar)图像的后向散射系数与地表的几何特征参数、介电常数等参数具有定量关系的SPM(Small Perturbation Model)模型为基础, 提出了运用TM热红外图像和地面同步观测的微气象数据相结合的热惯量-土壤湿度反演模型, 获取了试验区内土壤表层的湿度信息, 通过与介电常数的链结, 从SAR图像的后向散射的复合信息中解析出像元尺度的非体散射地表的几何特征信息; 经过形态因子的转换, 在SAR图像和TM图像空间尺度转换的基础上得出非植被区的等效几何粗糙度信息. 再应用作物高度的光谱模型, 计算出试验区的作物高度后, 转换为等效几何粗糙度. 采用分层镶嵌等图像处理方法, 生成了试验区像元尺度的地表等效几何粗糙度的二维分布图. 根据大气湍流理论和大气稳定度订正方法, 对测量的大气温度剖面数据和风速剖面数据进行迭代运算, 获取了试验区内裸土及小麦植被等类型地表风浪区的空气动力学粗糙度实测值. 在分析风浪区等效几何粗糙度、动力因子、热力因子对空气动力学粗糙度的共同作用后, 建立了由地表等效几何粗糙度向空气动力学粗糙度转换的尺度转换模型. 运用实测值验证了这一系列模型最终反演结果, 表明整个研究思路是可行的, 并可望应用于与空气动力学粗糙度有关的地-气相互作用的区域化研究领域.     

用微气象方法估算淮河流域能量平衡（HUBEX／IOPl998／99）的统计分析和比较研究

利用1998和1999年HUBEX强化观测期在安徽寿县用微气象方法(波比-能量平衡法和涡度相关法)观测的资料，分析了该地区的能量平衡特征，同时与其他地区的结果进行了初步比较，结果表明：(1)用涡度相关方法测定的感热和潜热之和(H E)ec与下垫面有效能量(Rn-G)的一致性比较好，但用波比方法估算的潜热通量Ebr比用涡度相关法测定的潜热通量Eec略高(约10％)。(2)大部分净辐射能用于了地表蒸发，1998和1999年，净辐射通旦的平均日总量分别是13．89MJm^-2d-1和11．83MJ m^-2 d^-1；两年的平均波比分别是0．14(杂草)和0．06(稻田)。(3)波比在日出和日落时数值大且不稳定，白天比较小且比较稳定，另外，1999年在稻田上观测到明显的局地平流现象。(4)通过与我国其他地区的观测资料比较，淮河流域稻田的波比最小(0．06)，在内蒙古草原观测的波比值最大(0．57)。波比值的大小主要与土壤水分有关。     

地下水典型非水相液体污染运移模拟的尺度提升研究

在地下水数值模拟中,模型参数的网格尺度一般大于参数的测量尺度,为此涉及到参数的尺度提升。合理的尺度提升方法既能有效提高计算效率,又能保证模拟精度。在概略介绍拉普拉斯-外壳法的基础上,将其引入到地下水典型非水相液体(non-aqueous phase liquids,NAPLs)污染运移数值模拟的非均质渗透系数场尺度提升,并与尺度提升前的小尺度模型及基于算术平均的尺度提升模拟结果进行对比。研究表明:采用UTCHEM建立的典型NAPLs污染物运移模型,无论是单一污染源还是双重污染源,基于拉普拉斯-外壳法提升尺度后的大尺度模型都能较好地刻画污染羽的空间矩(包括零阶矩、一阶矩和二阶距)随时间的变化,其零阶矩的模拟相对误差小于0. 25%,在水流方向上利用拉普拉斯-外壳法建立的模型对质心位置与污染羽范围的估计均优于算术平均尺度提升法所建模型,且随着含水介质非均质性的增大,拉普拉斯-外壳法的优越性越为明显;而且大尺度模型还能大幅减少计算时间,耗时约为小尺度模型的3%,值得推广应用。