Modeling Gross Primary Production by Integrating Satellite Data and Coordinated Flux Measurements in Arid and Semi-Arid China

Assessing large-scale patterns of gross primary production (GPP) in arid and semi-arid (ASA) areas is important for both scientific and practical purposes. Remote sensing-based models, which integrate satellite data with input from ground-based meteorological measurements and vegetation characteristics, improve spatially extended estimates of vegetation productivity with high accuracy. In this study, the authors simulated GPP in ASA areas by integrating moderate resolution imaging spectral radiometer (MODIS) data with eddy covariance and meteorological measurements at the flux tower sites using the Vegetation Photosynthesis Model (VPM), which is a remote sensing-based model for analyzing the spatial pattern of GPP in different land cover types. The field data were collected by coordinating observations at nine stations in 2008. The results indicate that in the region during the growing season GPP was highest in cropland sites, second highest in woodland sites, and lowest in grassland sites. VPM captured the temporal and spatial characteristics of GPP for different land covers in ASA areas. Further, Enhanced Vegetation Index (EVI) had a strong liner relationship with GPP in densely vegetated areas, while the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) had a strong liner relationship with GPP over less dense vegetation. This study demonstrates the potential of satellite-driven models for scaling-up GPP, which is a key component for studying the carbon cycle at regional and global scales.     

Two-Dimensional Scalar Spectra in the Deeper Layers of a Dense and Uniform Model Canopy

The turbulent flow inside dense canopies is characterized by wake production and short-circuiting of the energy cascade. How these processes affect passive scalar concentration variability in general and their spectral properties in particular remains a vexing problem. Progress on this problem is frustrated by the shortage of high resolution spatial concentration measurements, and by the lack of simplified analytical models that connect spectral modulations in the turbulent kinetic energy (TKE) cascade to scalar spectra. Here, we report the first planar two-dimensional scalar concentration spectra (ϕ _cc ) inside tall canopies derived from flow visualization experiments. These experiments were conducted within the deeper layers of a model canopy composed of densely arrayed cylinders welded to the bottom of a large recirculating water channel. We found that in the spectral region experiencing wake production, the ϕ _cc exhibits directional scaling power laws. In the longitudinal direction (x), or the direction experiencing the largest drag force, the ϕ _cc (k _x ) was steeper than and followed an approximate at wavenumbers larger than the injection scale of wake energy, where k _x is the longitudinal wavenumber. In the lateral direction (y), the spectra scaled as up to the injection scale, and then decayed at an approximate power law. This departure from the classical inertial subrange scaling (i.e., k ^−5/3) was reproduced using a newly proposed analytical solution to a simplified scalar spectral budget equation. Near the velocity viscous dissipation range, the scalar spectra appear to approach an approximate k ⁻³, a tantalizing result consistent with dimensional analysis used in the inertial-diffusive range. Implications to subgrid modelling for large-eddy simulations (LES) inside canopies are briefly discussed.     

南京地区蛋鸡生产热应激影响的特征分析

针对南京地区夏季高温高湿的气候特征，分别分析了温度、湿度及温湿综合因子（温湿指数）对蛋鸡生产的影响，确定了该地区热应激发生的时间及强度特征。结果表明：该地区热应激发生于６、７、８月，严重热应激主要集中在７月中旬￣８月上旬，尤其在７月下旬。     

稀疏植被下垫面与大气相互作用研究进展

介绍了国家自然科学基金委员会“十五”重点项目“稀疏植被下垫面与大气相互作用研究”的成果。通过资料分析、数值试验和理论分析。研究干旱地区稀疏植被复杂下垫面上水、热及CO2输运过程的机理;非均匀下垫面的复杂非线性线效应：干旱地区更合理的陆面过程参数化方案以及绿洲的稳定性;强沙尘暴的发展机制和干旱地区生态环境建设对策,主要结果表明：（1）揭示了植物生态生理过程、净第一生产力和生物量对气候的敏感性,为稀疏植被下垫面与大气相互作用研究提供了较好的接口。（2）发展了适用于干旱、半干旱地区土壤中水热输送交叉耦合的物理模型;以能量和物质守恒定律为基础的雪盖物理模型,它显著地改善了陆面过程的模拟效果,是国际上最早开发的同类模型之一。（3）发展了大气非平衡态热力学,证明了非线性区普遍成立的最小熵产生原理,为研究气候和环境复杂系统提供了新思路和新方法;提示了大气辐散和辐合运动对垂直湍流输送的影响,非均匀下垫面地气相互作用,为非均匀下垫面陆面过程参数化提供了物理基础;研究了绿洲稳定性并估算了绿洲临界尺度约3～6km,为绿洲保护和建设提供了理论依据;提出了干旱地区有限水资源条件下增强其稳定性抗干扰能力的生态环境建设对策。（4）发展了强沙尘暴发展的动力学模式,揭示了强沙尘暴发展辐射冷却的正反馈机制。展示了强沙尘暴预报的良好前景。     

气候变化对农业生产与粮食安全影响的新认知

IPCC第二工作组在第五次评估报告中客观而审慎地评估了气候变化已经发生和潜在的影响、各个领域与区域的敏感性和脆弱性。针对农业生产与粮食安全,报告表明,气候变化对全球大部分地区作物、畜牧、渔业产生了影响,且负面影响更普遍;不仅影响到生产过程,也影响到非生产系统因素,但这些影响存在区域差异。极端事件（如极端高温）对作物产量、品质及市场价格的负面影响明显。大气中CO2浓度增高有利于作物产量提高,但是与温度、臭氧以及水分利用、病虫草害等协同效应仍然不明确。增强适应可以克服增温对农业的负面影响,并减少粮食损失。关于气候变化对粮食安全非生产系统因素的影响及如何开展适应,还需要搜集更多的证据。     

NCEP/NCAR再分析温度资料在农业气象中的应用可行性

为探讨NCEP/NCAR再分析温度网格资料在农业气象研究中的应用价值,以北京、南京、广州、昆明、郑州和三亚6个气象台站的实测地面气象资料为依据,证明了NCEP/NCAR再分析温度网格资料的可靠性。进一步用Cressman插值、双线性二次插值、抛物线二次插值以及先抛物线插值后线性插值等4种插值方法,用NCEP/NCAR再分析温度网格资料对上述6站的地面日平均气温进行了插值计算,并对不同插值方法的结果作了比较。结果表明,站点纬度较高时(30°N以北),应用双线性二次内插法插值效果较好,精度略低;站点纬度较低时(30°N以南),应用Cressman插值法插值效果好,精度也高。这可能是较高纬度缺测资料较多造成的。利用NCEP/NCAR再分析网格温度插值资料分析两系法杂交水稻在泰国的制种气候适应性证明该资料在农业气象研究中是可以应用的。     

江苏省棉花丰欠年天气气候型的对比分析

利用江苏省1965~2004年的棉花产量,用灰色系统模型逐段滑动平均,得到了棉花的依社会生产水平变化的趋势产量和随气象条件变化的气候产量。通过对棉花气候产量与生育期气象条件的对比分析,表明了夏季光温水匹配是棉花优质高产的关键因子。分别对历史上棉花典型丰产年和欠产年500 hPa高度场距平的合成分析表明,丰产年500 hPa高度场表现为中高纬度以纬向环流为主,冷空气势力偏弱,而欠产年冷空气和副高势力都偏强,冷暖空气交汇在苏北。2003年和2004年分别是近30 a典型的棉花欠产年和丰产年,分析其6~9月500 hPa高度场、-8℃线、低空水汽通量、水汽通量散度等要素场逐日天气演变和环流特征分别得出,2003年夏季活跃的季风和冷空气、面积大势力强的副高,造成低温阴雨寡照,是当年棉花严重减产的原因;而2004年冷空气势力弱,季风不活跃,没有明显连阴雨及大的气象灾害,是当年棉花优质高产的原因。     

太湖梅梁湾水体中初级生产力的光学检测

研究了1998年5月,10月,12月。1999年8月以及2001年7月和9月的太湖梅梁湾的初级生产力和光照时发现,在不同水层中,20cm左右的水深处初级生产力最大,最大初级生产力与叶绿素a的关系是Pm=0.012[Chla]-0.028[Chla](n=30）,在叶绿素a与光谱之间关系以及初级生产力与光强之间关系的基础上,建立了初级生产力与光谱之间的关系,在蓝光光谱波段和红光光谱波段的Kd较大,较大,而550nm的Kd最小。     

CO2和O3浓度倍增及其交互作用对大豆影响的试验研究

以大豆“中黄-14”为试验材料, 利用OTC-1型农田开顶式气室, 首次模拟研究单独CO₂和O₃浓度倍增及其交互作用对大豆生物量、产量及其构成因子、同化产物分配形式和收获指数的影响。与未通CO₂和O₃的处理相比, 单独CO₂浓度倍增对生物量、产量、荚果串数、荚数、籽粒数、籽粒重具有正效应, O₃为明显的负效应, 通气时段越长效果越明显; 持续的CO₂浓度和O₃浓度倍增交互作用表现为CO₂的影响大于O₃; CO₂和O₃交互作用逐渐达到浓度倍增的处理, 由于O₃剂量逐渐累积和阶段性增加, 对大豆刺激逐渐增强, 最终O₃的负效应与CO₂的正效应相近。单独O₃浓度倍增抑制光合产物向根和籽粒的输送, 向叶茎的输送明显增强, 使根冠比 (RSR)、子粒与茎杆比 (GCR) 明显下降, 长期作用可使大豆收获指数 (HI) 减小, 叶重比 (LWR) 显著增加, 且随通气时间的延长影响增大; CO₂浓度倍增及其交互作用对RSR、LWR、GCR和HI影响相对较小, 仅在±10%左右。     

植被生态动力学模式中萌衍方案的研究进展

萌衍模块是植被生态动力学模式中群体动力学方案的重要组成部分,主要用于描述种子的生产、萌芽以及最终发展成新个体等一系列过程,对植被群落结构和演替起着至关重要的作用。然而,目前其参数化方案较不成熟,不同模式的方案差异较大,且存在众多不确定性。因此,为了提出更加合理的萌衍方案,作者首先从观测角度总结了影响种子生产和传播、种子库以及种子萌发和幼苗存活的各种因素;然后围绕森林林窗模型和全球植被动力学模式的萌衍方案进行较为全面的介绍和评述,重点关注对幼苗个体数增量的计算方案;最后讨论其中存在的不确定性和今后的发展方向。