杨树人工林生态系统通量贡献区分析

采取通量源区模型FSAM(Flux Source Area Model)利用2009年北京大兴区杨树人工林生态系统碳水通量涡度相关观测资料,分析了不同大气条件下生态系统的通量贡献区分布特征。研究结果表明:(1)该站通量贡献区随大气稳定条件增强而增大。除326.25°—3.75°方向生长季不稳定条件下外,生长季的通量贡献区范围普遍大于非生长季的贡献区范围;(2)通量贡献区与观测高度、冠层高度、地表粗糙度、风向以及大气稳定度有关,当风速风频较大,大气不稳定时,湍流扩散作用强烈,贡献区范围较小;(3)该观测场在2009年以不稳定大气条件为主,通量信息主要来源于距离观测塔50—400 m范围,且69.3%的信息来源于通量塔偏北风与偏南风方向,其中42.56%的信息来自于偏南风方向;(4)随着大气稳定程度加强,通量来源最少区从塔偏西方转为偏东方,在大气稳定度条件和风向的共同作用下,生长季时主要通量贡献区在塔偏南方向,而非生长季时主要通量贡献区在塔偏北方向。     

华北平原冬小麦农田生态系统通量贡献区

利用2013—2014年涡度相关系统观测的华北平原冬小麦农田生态系统通量数据,结合通量贡献区模型FSAM,分析华北平原冬小麦农田生态系统通量贡献区的时空分布特点,对比研究不同大气稳定层结条件和生长期内通量贡献区的分布差异.结果表明: 在主风风向上,冬小麦整个生育期内大气稳定条件下的通量贡献区范围大于不稳定条件下的贡献区范围.在0°～90°主风风向上,生长初期稳定条件下通量贡献区范围比不稳定条件下大17.8 m左右,生长末期稳定条件下的通量贡献区范围比不稳定条件下大11 m左右.生长初期的通量贡献最大值点位置比生长末期距观测点位置远15 m(大气稳定条件)和12.4 m(大气不稳定条件);通量贡献最大值点在稳定条件下比不稳定条件下距观测点位置远5 m(生长初期)和2.4 m(生长末期).在非主风风向上,当风向为90°～180°时,生长初期和生长末期不同大气条件下的最大通量值分别位于距观测点的67.8、53.4和47.0、30.8 m.当风向为270°～360°时,生长初期和生长末期不同大气条件下的最大通量值位于距观测点的58.8、42和41.1、33.1 m.在整个生育期尺度上,观测塔的通量信息主要来自东北、西南和东南方向,其所占比例分别为35.4%、32.5%和19.4%.冬小麦整个生育期内通量贡献区的主要变化发生在观测点东北方向16.0～173.8 m和西南方向14.7～209 m,通量信息全部来源于农田生态系统.两个典型日期的通量贡献区日变化特征明显,通量贡献区范围随大气稳定条件和风向改变而发生变化.夜晚通量信息全部来源于农田生态系统,白天少部分通量信息来源于居民区和果园.本文的定量化结果可为农田生态系统通量贡献区的研究提供依据.     

陆地生态系统碳水通量贡献区评价综述

综述了通量贡献区研究的基本理论、最新进展、研究热点与难点,旨在促进中国区域碳水通量数据空间代表性的定量评价.通量贡献区是通量观测点上风向的空间代表区域,能够反映代表区域对应下垫面的源区内每一点对观测点的通量贡献权重影响,主要受观测高度、空气动力学粗糙度和大气稳定度等因素的影响.通量贡献区通常随着观测高度的增加、空气动力学粗糙度的降低和大气稳定度的增加而变大,反之则变小.通量贡献区的评价模型包括解析模型、拉格朗日随机模型、大涡模拟和闭合模型四类.通量贡献区的评价结果可以广泛应用于通量数据质量评价、实验设计的指导、与遥感技术结合的区域尺度的总初级生产力的估算、城市CO2通量变化的评估以及能量闭合的评价等研究.最新研究表明,对流边界层的通量贡献区存在负的通量贡献区域;有裸地存在的情况下解析模型通常会低估裸地对观测通量的贡献;与水平地面处的通量贡献区相比,山谷处通量贡献区变小而山脊处的通量贡献区变大.通量贡献区模型研究应进一步考虑大气中的平流效应、湍流的非高斯扩散以及建立冠层内部的通量贡献区模型.解决森林冠层内流场的不均匀性、冠层重叠问题、冠层湍流的不稳定性是建立适合冠层内部通量贡献区模型的前提条件.在理想条件的气体释放验证试验的基础上,需要开展复杂条件下的相关试验.     

亚热带-暖温带过渡区天然栎林的能量平衡特征

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器观测了我国北亚热带-暖温带气候过渡带(河南南阳)的一片锐齿栎天然林的能量通量及常规气象。以一个完整年(2016年10月—2017年9月)的观测数据为依据,定量分析了此锐齿栎林的能量通量的日变化、季节变化以及各能量分量的分配特征,并计算了能量闭合度以及波文比。结果表明:锐齿栎林观测期间一整年净辐射为2626.17 MJ/m~2,感热通量为867.1 MJ/m~2,潜热通量为1417.25 MJ/m~2,土壤热通量为-2.60 MJ/m~2,土壤为热源;各能量分量日变化基本呈单峰型曲线,季节变化特征明显。非生长季,锐齿栎林的能量主要分配给感热通量,占净辐射的54.18%;生长季,能量主要分配给潜热通量,占净辐射的67.48%。观测期间研究区年降雨量较平均值稍大(1231.8 mm),森林蒸散量为579 mm,仅为降雨量的47%。波文比受森林物候变化影响较大,在非生长季平均值约为2.1,生长季约为0.2。土壤热通量在生长季2017年4—9月份为正值,土壤表现为热汇,其余月份皆为热源。土壤热通量的变化过程主要受净辐射调控,森林物候也起了一定的作用。河南宝天曼锐齿栎森林通量观测站全年能量闭合度为67%,在国际同类观测站的范围之内(55%—99%)。不能完全闭合的原因可能与通量源区面积不匹配、计算能量平衡时忽略冠层热存储等有关。     

重庆缙云山针阔混交林水汽通量特征及其影响因子

利用涡度相关技术于2019年9月-2020年8月在重庆缙云山针阔混交林生态系统观测了水汽通量和其他环境要素。基于观测数据, 分析了水汽通量特征及其与环境因子的关系。结果表明: (1)针阔混交林生态系统能量闭合率为0.77, 且通量足迹高贡献区域所处方向与风玫瑰图的全年主风方向(东北风向)一致, 累计通量贡献区变异系数比较小, 证明涡度相关技术在研究区适应性较好, 数据可靠。(2)缙云山针阔混交林的全年水汽通量基本为正值, 月平均日变化范围为-0.001-6.623 mmol·m^-2·s^-1, 说明研究区为水汽源。水汽通量月平均日变化和季节变化均为单峰趋势。夏季水汽通量平均值最大(4.620 mmol·m^-2·s^-1), 变化趋势强; 冬季水汽通量值最低(2.077 mmol·m^-2·s^-1), 变化趋势弱。(3)该地区全年蒸散总量(792.40 mm)占降水总量(1 489.18 mm)的53.12%, 夏季的蒸散量(325.53 mm)和降水量(680.52 mm)最高, 分别占到全年蒸散量和降水量的41%和46%。缙云山针阔混交林生态系统站点与其他地区不同生态系统站点对比, 得出全年蒸散量为湿地>森林>农田。(4)净辐射、气温、饱和水汽压差和风速对水汽通量的影响在各季节均显著, 净辐射、气温和饱和水汽压差与水汽通量呈正相关关系, R²最大分别为0.85、0.53和0.60, 风速与水汽通量呈负相关关系, R²为0.61, 均是夏季的相关性最高, 其中净辐射和气温是影响水汽通量的最主要因子。     

通用风速廓线模型在山区森林的适用性

基于莫宁-奥布霍夫相似理论的解析方程(风速廓线模型)自20世纪70年代以来一直被用于平坦地形上的风速预测,成熟且准确,但在非平坦地形适用性尚不清楚。其适用性标志着对非平坦地形近地层空气动力学参数(如零平面位移高度及粗糙度)估计的准确性,将决定基于涡度协方差法计算碳水及痕量气体通量中频率修正及其源区分析的准确性。因此,风速廓线模型在非平坦地形的适用性评价是确认通量模型是否需要改进的前提。本研究利用辽东山区清原森林站科尔塔群测量三维风速数据,并与辽河平原盘锦农田站同类数据相比较,评估了以莫宁-奥布霍夫相似理论为基础建立的通用风速廓线模型在非平坦地形上的适用性。结果表明：通用风速廓线模型无法准确预测清原森林站3座通量塔所在地的风速,不适用于复杂地形。在非生长季和生长季,清原森林站3座通量塔实际观测与模型预测风速的决定系数(R²)为0.12～0.30,观测数据与预测值的标准误超过2 m·s^-1,模型风速约为实际观测风速的2.0倍,显著高估。然而,该模型可准确预测盘锦农田站平坦农田景观的水平风速,实际观测风速与模型预测之间的R²为...     

Kubelka—Munk模型下的兔血管对He—Cd激光的散射与吸收特性

测量了兔动脉和静脉夺He-Cd激光的反射和透射传输特性。实验采用两积分球系统及波长为441.6nm的He-Cd激光器,并根据测量数据及采用Kubelka-Munk模型分析和计算了兔动脉和静脉组织对该波长激光的吸收系统、散射系数及总的光强I（x）及前向散射通量i(x)和后向散射通量j(x）随厚度的变化情况。结果表明,兔动脉和静脉的温反射率和透射率有明显差别,而且,动脉对激光的吸收系数明显较静脉的要小,耐动脉对激光的散射系数却明显较静脉的要大,在动脉和静脉组织中总的光强I(x)及前向散射通量i(x)和后向散射通量j(x)随厚度的变化情况也有明显的区别。     

暖温带地区3种森林群落叶面积指数和林冠开阔度的季节动态

以辽东栎(Quercus liaotungensis)为主的落叶阔叶林、华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)林和油松(Pinus tabulaeformis)林是暖温带林区具有代表性的森林群落类型。该研究应用国内外流行的半球图方法,通过对这3种森林群落叶面积指数和林冠开阔度的测定和综合比较,分析了叶面积指数和林冠开阔度的季节动态,揭示了暖温带地区不同类型森林群落叶面积指数和林冠开阔度的特征。研究结果表明,落叶阔叶林(优势种为辽东栎、棘皮桦(Betula dahurica)和五角枫(Acer mono))和华北落叶松林两种落叶森林群落的叶面积指数值均随生长季的到来而呈现增长的趋势,最大值出现在8月;林冠开阔度值随着生长季的到来而下降,最大值出现在11月。落叶阔叶林的叶面积指数和林冠开阔度的季节动态较之华北落叶松林明显。油松是常绿树种,其群落叶面积指数和林冠开阔度的变化程度均不明显,但林冠开阔度的变化趋势也是与叶面积指数的变化趋势相反。通过计算得出叶面积指数和林冠开阔度相关显著,并且呈现指数回归的关系。此研究结果为以遥感途径获取暖温带地区叶面积指数提供了地面校正依据,为研究该地区植被林冠的异质性及其造成的影响,以及进一步对该地区林分、景观和区域尺度上碳、水分和通量等方面的模拟提供了基础数据。     

南京秋季裸地臭氧干沉降通量观测及土壤阻力模拟

利用涡度相关系统配合快速臭氧浓度脉动仪在南京地区裸地上观测臭氧浓度及沉降通量,分析臭氧浓度、沉降通量与气象条件的相关性,揭示沉降通量和速率的变化特征,利用模拟的土壤阻力计算臭氧沉降通量和速率并与观测结果进行对比.结果表明: 2015年9月25日至10月28日,臭氧浓度日变化呈单峰型分布,并且因辐射的增强而升高.秋季裸地臭氧沉积通量主要受臭氧浓度影响,平均日变化-31.4～-156.8 ng·s^-1·m^-2(负号表示方向向下).因裸地无植被的缓冲作用,臭氧沉降通量受环境因素影响更为明显.臭氧沉降速率为0.09～0.30 cm·s^-1.臭氧在大气传输中湍流交换起主要作用,裸地臭氧干沉降的下垫面条件尤为重要,土壤阻力(R_s)随相对湿度(RH)的增加呈指数上升,其关系模型为R_s=89.981e^0.0246RH,模拟的臭氧通量和沉积速率与观测的通量和速率的一致性较好.     

2002—2018年滇池外海蓝藻水华暴发时空变化特征及其驱动因子

为弄清滇池外海蓝藻水华暴发时空变化规律及其影响因素，将滇池外海分为北、中、南3个区域，基于2002—2018年期间中分辨率成像光谱仪(MODIS)反演的水华面积，分析了上述3个区域蓝藻水华的时空变化特征。基于2007—2018年水文、气象和出入流数据，构建了外海三维水动力生态模型(AEM3D),并计算了各区域的水力滞留时间。通过冗余分析(RDA)、随机森林(RF)和斯皮尔曼相关分析方法，分析了影响以上区域蓝藻水华暴发的主要驱动因子。结果表明：2002—2018年期间，整个滇池外海区域年平均水华面积比(水华面积占该区域总面积比例)呈缓慢下降趋势，空间上由北向南依次递减，整个外海水华暴发面积最大主要发生在秋季。在外海北部区域，其东部水华较西部更为严重，而在中部和南部区域，呈现西部水华较东部更为严重的空间分布模式。通过对各影响因子的统计分析发现，风速、水温和日照时长是上述各区域中蓝藻水华暴发的主要决定性因素。水华暴发期间以西南风为主导风向，且上述区域的水华面积比随风速增加呈下降趋势。在外海各区域，水力滞留时间与水华暴发面积均呈显著正相关，空间上水力滞留时间由北向南逐渐增大，风速和风向是影响蓝...     

凤阳山针阔混交林通量观测源区分布及特征

基于涡度相关技术的通量观测要求下垫面均匀一致,然而在实际观测中,地形往往非常复杂。尤其是丘陵山区森林植被覆盖的区域,不同植被类型的空间分布对该区域的碳通量观测影响很大。本研究利用Kljun模型和ART Footprint Tool,对浙江凤阳山针阔混交林森林生态系统2017年全年的观测数据进行分析,探究该区域涡度相关系统在不同季节、不同大气稳定度条件下的通量源区变化情况。结果表明：受地形的影响,研究区内全年盛行东北风（0-90°）和西南风（180-270°）;因此,通量的源区分布也主要在东北和西南方向;当通量贡献率达到90%时,源区长度最大不超过7000m,当通量贡献率在80%时,源区长度不超过3000m;在大气稳定条件下,其源区分布范围总是比大气不稳定条件下的源区范围广。在该源区分布范围内,主要以针阔混交林分为主,也分布有少量杉木、柳杉和毛竹等纯林,源区贡献从大到小依次为针阔混交林、阔叶林、杉木林、毛竹林、柳杉林、黄山松林。     

人工林冠层的湍流微气象特征

利用涡动相关系统测定黄河小浪底森林生态系统定位研究站人工林在萌芽期(2015年3月15日至4月15日,春季)和叶片成型期(2015年7月15日至8月15日,夏季)的微气象数据,分析了冠层湍流微气象特征、湍流强度、湍流风速标准差和总体输送系数,旨在深入了解森林生态系统的微气象特征,为进一步研究能量平衡与物质交换提供工作基础.结果表明: 冠层湍流谱在低频部分具有峰值频率,惯性副区具有明显的耗散趋势,基本符合-5/3规律.冠层结构对湍流强度影响明显,春季湍流旺盛时,风速小于3 m·s^-1,而夏季时风速小于2 m·s^-1.湍流风速标准差符合1/3次幂相似规律,且水平方向比垂直方向的拟合效果好.冠层风速在u、v、w 3个方向分量的风速标准差与摩擦风速比值在春季为2.55、2.06和1.30,在夏季为2.61、2.45和1.21.总体输送系数随稳定度的增加而逐渐减小,在不稳定层结和稳定层结条件下可相差1～2个量级,冠层结构对各方向的湍流风速具有直接影响,从而改变物质能量在冠层的扩散方向.     

大气热层结条件对林冠显热的影响

应用欧拉二阶闭合模型研究了大气热层结条件下森林冠层显热通量源汇分布和通量特征.结果表明:白天,冠层上的不稳定层结和冠层下的稳定层结是森林冠层大气层结的一种特有现象;温度廓线的变化表明林冠高度2/3处存在较强的热源;冠层内大气处于弱稳定状态时,热量继续向上输送,呈现出热通量的反梯度输送.显热通量日变化的模拟值与实测值吻合,其R2=0.9035(P0.01).在显热收支方程中添加浮力项,可提高反演模型在实际大气中的模拟精度,从而改善模型对热通量收支的模拟能力.     

森林生态系统与大气边界层相互作用的数值模拟

基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理,建立了一个森林生态系统与大气边界层相互作用的数值模式．应用该模式模拟了森林生态系统的热量平衡、植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征,及森林生态系统下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和廓线的日变化特征．该模式还可应用于不同下垫面,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其区域气候效应的研究,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础．     

农林复合生态系统与低层大气间的通量研究

根据近年在黄淮海平原大面积农林复合区的观测资料,采用简单的一维模型,讨论了此类复合系统与低层大气之间的热量、动量和水汽通量,比较了不同的结构林网形成的通量差异。结果表明,由于林冠层的摩擦作用,农林复合生态系统上空风速随高度增大较快,动量输送总是向下的。在层结稳定的夜间,其数值较大,而在湍流比较活跃的正午前后,由于垂直风切变减弱,动量输送也相应减小。夜间农林作物冠层的辐射冷却加强,近地层逆温梯度增大,加之作物冠层内部因辐射冷却而造成水汽凝结,冠层上部水汽大于冠层内部,此时热通量和水汽通量均向下。这一现象在白天日出后开始逆转,日出后,地面升温加快,并逐渐形成超绝热梯度,致使热量通量向上。此时农林作物蒸腾加剧,冠层高度范围内水汽含量增大,造成水汽向上输送。文中还讨论了一维模式的缺点,指出了进一步研究生态系统与大气相互作用的重要性.     

湿地松林叶面积指数测算

对湿地松（Pinus elliotii）当年生和多年生两针一束、三针一束叶片的长度、宽度、厚度和重量分别进行量测,据此探讨不同类型叶片的叶形和比叶面积差异,并结合样地调查数据对中科院千烟洲试验站湿地松人工林的叶面积指数进行计算。结果表明：湿地松三针一束叶片合拢后横切面基本呈圆形,当年生叶和多年生叶的平均直径分别为1．688mm和1.706mm;两针一束叶片合拢后从统计学上讲横切面不是圆形,而是椭圆形,叶片厚度方向直径大于宽度方向（当年生叶厚度和宽度方向直径分别为1．580ram和1．422mm,多年生叶分别为1．568mm和1.410mm）,但如果把厚度和宽度方向直径的平均值近似成圆柱体直径计算时误差在3％以内;如果只用厚度或宽度方向直径代表平均直径计算结果会有2％。10％的误差;当年生叶和多年生叶、两针一束叶和三针一束叶之间比叶面积差别很大,计算的三种比叶面积（投影比叶面积、圆柱面比叶面积和比表面积）中,当年生叶的比叶面积明显大于多年生叶,三针一束叶片的投影比叶面积和比表面积都大于两针一束叶片,但圆柱面比叶面积恰好相反。湿地松林的叶面积指数若按投影叶面积算为3．61,按圆柱面的外表面算为5．12,按总表面积的一半算为4．52,比利用冠层分析仪测量的结果略大。     

二氧化碳储存通量对森林生态系统碳收支的影响

涡度相关系统观测高度以下的CO₂储存通量对准确评价森林生态系统与大气间净CO₂交换量（NEE）有着重要的影响.本研究以长白山阔叶红松林为研究对象,利用2003年的涡度相关观测数据以及CO₂浓度廓线数据,分析了CO₂储存通量的变化规律及其对碳收支过程的影响.结果表明：涡度相关观测高度以下的CO₂储存通量具有典型的日变化特征,其最大变化量出现在大气稳定与不稳定层结转换期.利用涡度相关系统观测的单点CO₂浓度变化方法与利用CO₂浓度廓线方法计算的CO₂储存通量差异不显著.忽略CO₂储存通量,在半小时尺度上会造成对夜间和白天的NEE分别低估25%和19%,在日和年尺度上,会对NEE低估10%和25%;忽略CO₂储存通量,会低估Michaelis-Menten光响应方程及Lloyd-Taylor呼吸方程的参数,并且对表观初始量子效率α和参考呼吸R_ref的低估最大;忽略CO₂储存通量,在半小时、日及年尺度上,均会对总光合作用（GPP）和生态系统呼吸（R_e）低估约20%.