宁南退耕还草区近地面湍流通量观测初报

根据 2 0 0 2～ 2 0 0 3年小气候考察资料 ,分别分析了四季晴天条件下宁南退耕还草区净辐射、感热、潜热和土壤热通量比例和变化特征。结果表明 ,近地层各通量有较规则的日变化。白天 ,感热通量占净辐射的 5 0 %以上 ,一般达 80 %～ 10 0 %。只有夏季全天和秋季白天的潜热通量为正 ,在春季的早晨和秋季的傍晚潜热通量为负。冬春季节土壤的热量收支大于夏秋季节。     

黄土高原农牧交错带稀疏自然植被生态系统的地表能量特征

基于2011-2012年黄土高原农牧交错带稀疏自然植被生态系统的地表能量通量以及气象数据,对该地区能量平衡各分量(净辐射、感热、潜热和土壤热通量)以及波文比进行日、季节动态的特征分析,研究了潜热通量和感热通量对不同强度降雨事件响应程度的差异,并分析了潜热通量和感热通量的主控因子.结果表明:该地区净辐射、感热、潜热和土壤热通量的日、季节动态曲线均为单峰型曲线,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年平均值分别为78.19、33.32、24.91和2.65 W·m-2.在全年能量收支平衡中,感热通量占净辐射的43％,潜热通量占32％,土壤热通量占3％,表明对于黄土高原农牧交错带自然稀疏灌木生态系统,全年能量主要以感热的形式交换.生长季感热和潜热占净辐射的比例相同(36％);而在非生长季,感热占主导,占净辐射的比例高达54％.潜热通量在强、弱降雨事件发生后明显升高,感热通量则明显下降.潜热通量与净辐射、水汽压差及植被参数均显著相关,感热通量与净辐射及空气温度梯度显著相关.     

新疆艾比湖流域干旱荒漠区湿地地表能量收支特征

利用新疆艾比湖湿地国家级自然保护区通量塔2012年观测数据,比较了流域内荒漠区湿地地表典型日、季节尺度上的能量收支特征,揭示辐射通量、潜热通量、感热通量以及土壤热通量的变化规律、不同季节的能量闭合程度和能量残余累积特征。结果表明:艾比湖流域干旱荒漠区湿地四季典型日能量平衡各分量均表现为昼高夜低、正午高凌晨低的单峰曲线,春季感热通量为主要耗能方式,夏、秋、冬季潜热大于感热;年尺度上潜热通量整体呈春夏增长、秋冬降低,夏季波动较大的趋势,水分是决定感热和潜热通量配比的关键因子;荒漠区湿地地表能量残余量每日变化特征具有显著的时段性,春、夏、秋、冬日平均能量残余量分别为17.77、4.19、171.99和-12.81 W·m~(-2),而季节尺度上能量残余量排序为:冬季春季夏季秋季;相比于干旱区其他下垫面类型,荒漠区湿地潜热通量在能量支出中均占比较高(生长季,LE/R_n=0.803;全年,LE/R_n=0.698),同时其波文比小于干旱区平均水平。     

黄土高原半干旱草地地表能量通量及闭合率

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站)2008年的湍流、辐射、土壤温度和通量梯度观测资料,分析了地表能量通量的日变化、季节变化及能量分配特征,讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响.结果表明:黄土高原半干旱草地全年获得的净辐射约为2.269×103 MJ/m2,感热、潜热和土壤热通量年总量分别为1.210×103 MJ/m2、1.117×103 MJ/m2和0.069×103 MJ/m2;能量平衡各分量季节变化明显,日变化呈单峰型.从各能量分量占净辐射的比例来看,黄土高原半干旱草地净辐射主要以感热形式加热大气.草原生长期的能量闭合率为86.8％,非生长期的能量闭合率为76.5％.与未考虑0-5cm深度的土壤热量储存相比,草原生长期能量闭合率提高了11.3％,非生长期能量闭合率提高了12.0％.     

农田灌溉对印度区域气候的影响模拟

为满足人类对粮食的需求,全球灌溉农田面积迅速扩张,农田灌溉对区域气候的影响引起广泛地关注。利用区域环境系统集成模式(RIEMS2.0)和最新的土地利用变化资料,选取农田灌溉面积最大的印度区域作为研究区域,进行雨养农田和灌溉农田的对比试验,探讨农田灌溉对区域气候的影响。结果表明:(1)农田灌溉使得印度区域年平均气温降低1.4℃,年平均降水率增加0.35mm/d。农田灌溉对印度区域气候的影响存在明显的季节波动,季风前期及6月份该区域气候对下垫面变化的响应最为敏感;7-9月各气候要素变化较小。(2) 农田灌溉使得印度区域地表净辐射增加,且地表净辐射在潜热通量和感热通量之间的分配发生了较大的改变,潜热通量增加,感热通量减少;对地表起冷却作用;同时由于土壤湿度增加,蒸散作用增强,大气中水汽含量增加,潜热不稳定能量增加,导致对流性降水增加。     

低丘红壤区集水区和田块尺度农田能量平衡特征比较

分析农田能量平衡特征及其影响因素对提高红壤地区农业生产和水热资源利用率有重要意义。利用低丘红壤试验区的大孔径闪烁仪、波文比仪和自动气象站观测数据,分析了低丘红壤区集水区和田块尺度农田能量平衡特征及其水热通量与气象要素的相关关系。结果表明:受天气条件影响,两种尺度农田能量平衡分量的日变化呈单峰型趋势,农田潜热通量数值最大,感热通量和土壤热通量数值较小;两种尺度农田能量平衡分量的月变化趋势一致,集水区尺度感热通量小于田块尺度,集水区尺度潜热通量大于田块尺度;相关分析表明,净辐射、气温、相对湿度、大气压、平均风速是两种尺度农田水热通量的主控因子,但水汽压和降水量在两种尺度农田对水热通量有不一致的影响。     

黄河小浪底人工混交林生长季能量平衡特征

利用涡度相关系统和小气候梯度观测系统,对黄河小浪底人工混交林2012年生长季(5—9月)各能量通量进行了连续观测,分析了该生态系统能量平衡各项的变化特征,讨论了能量闭合状况。结果表明:潜热通量、感热通量和土壤热通量均与净辐射有类似的日变化特征。各项的绝对值大小表现为净辐射潜热通量感热通量土壤热通量。受日照时数的影响,5—9月能量平衡各项正值的日持续时间逐渐缩短。生长季,净辐射、感热通量和土壤热通量在6月份最大,最大值分别为418.5、231.4和12.5 MJ m-2month-1);潜热通量在7月份达到最大,最大值为320.8 MJ m-2month-1)。潜热通量、感热通量和土壤热通量占净辐射的比例分别在0.48—0.62、0.15—0.55、0.02—0.05之间。人工混交林生长季的能量分配主要以潜热通量和感热通量为主,且潜热通量为感热通量的2倍。波文比呈单峰曲线:6月最大,8月最小。黄河小浪底人工混交林生长季全天能量闭合度为79%。其中,白天闭合程度较高(81%),夜晚较低(41%)。本研究站点存在21%的能量不闭合。其原因可能与通量源区面积不匹配、忽略冠层热储存、湍流能的相位差等有关。     

亚洲中部干旱区3个典型生态系统生长季水碳通量特征

亚洲中部干旱区地处欧亚大陆腹地, 干旱少雨, 生态环境十分脆弱, 研究该地区大气与地表之间的能量和物质交换对干旱区水资源利用和生态环境保护具有重要意义。该文分析了亚洲中部干旱区荒漠与草地生态系统能量、水汽和CO₂通量的日变化及季节变化特征, 探究了水汽和CO₂通量对主要环境因子的响应。通过分析亚洲中部干旱区3个站点的涡度相关资料发现: 亚洲中部干旱区荒漠和草地生态系统在生长季(4-10月)能量、水汽通量、净CO₂通量和总初级生产力的日变化呈“单峰型”, 而荒漠生态系统呼吸日变化相对稳定; 草地生态系统白天的潜热通量占净辐射通量的比例明显高于荒漠生态系统; 草地生态系统在5-8月呈现较强的碳汇, 而荒漠生态系统表现为弱碳汇。亚洲中部干旱区草地和荒漠生态系统水汽通量和总初级生产力对降水、净辐射通量或光合有效辐射、饱和水汽压差、气温均表现出明显的敏感性。     

Characteristics of water and carbon fluxes during growing season in three typical arid ecosystems in central Asia

亚洲中部干旱区地处欧亚大陆腹地, 干旱少雨, 生态环境十分脆弱, 研究该地区大气与地表之间的能量和物质交换对干旱区水资源利用和生态环境保护具有重要意义。该文分析了亚洲中部干旱区荒漠与草地生态系统能量、水汽和CO₂通量的日变化及季节变化特征, 探究了水汽和CO₂通量对主要环境因子的响应。通过分析亚洲中部干旱区3个站点的涡度相关资料发现: 亚洲中部干旱区荒漠和草地生态系统在生长季(4-10月)能量、水汽通量、净CO₂通量和总初级生产力的日变化呈“单峰型”, 而荒漠生态系统呼吸日变化相对稳定; 草地生态系统白天的潜热通量占净辐射通量的比例明显高于荒漠生态系统; 草地生态系统在5-8月呈现较强的碳汇, 而荒漠生态系统表现为弱碳汇。亚洲中部干旱区草地和荒漠生态系统水汽通量和总初级生产力对降水、净辐射通量或光合有效辐射、饱和水汽压差、气温均表现出明显的敏感性。     

内蒙古温带荒漠草原生态系统水热通量动态

基于2008年全年内蒙古温带荒漠草原的水热通量观测数据,对荒漠草原水、热通量的日、季动态进行了分析.结果表明：温带荒漠草原感热通量和潜热通量的日动态均呈单峰型曲线,在12:00-13:30左右达最大值,其与地表净辐射的日变化趋势基本一致,但感热和潜热的峰值出现时间较地表净辐射峰值出现时间滞后约1 h;温带荒漠草原感热通量和潜热通量的日累积最大值分别为319.01和425.37 W·m^-2,分别出现在5月30日和6月2日;月均感热通量与潜热通量的最大值分别出现在5月和6月,最小值分别出现在1月和12月.研究区土壤含水量与降水的相关性较好,表层土壤含水量对降水的反应最敏感,深层土壤水分对降水的反应存在位相滞后.感热通量和潜热通量的季节动态与地表净辐射基本一致,均受降水影响.感热通量受地表净辐射的影响明显,而潜热通量对降水的反应较敏感,且土壤含水量在潜热通量中起主要作用.     

中国典型陆地生态系统波文比特征及影响因素

波文比(β)是陆面过程中的重要参数, 影响着地表和大气间的能量交换, 明确β的空间变异规律和影响因素有助于对地表能量平衡和气候间反馈关系的预测。该研究收集了在中国不同生态系统类型开展的用涡度相关法(EC)测量地表能量平衡的公开发表文献, 构建了β和气象环境因子数据库, 分析了β在生态系统之间的差异、空间变异特征及影响因素。主要结果: (1)所有生态系统β平均值为0.95 ± 0.64, 变异系数67%, 偏度1.58, 峰度3.07, 整体服从对数正态分布, β平均值最高为灌木生态系统(1.26), 最低为湿地生态系统(0.49)。(2) β在生态系统类型间差异显著: 森林和湿地生态系统β无显著差异, 灌木生态系统β >草地生态系统 β >森林和湿地生态系统 β, 农田生态系统β介于草地生态系统与森林和湿地生态系统之间。(3) β随着纬度的增加而增加, 不随经度和海拔变化。纬度每增加1°,β增加0.038。(4) β随着年降水量(MAP)、年平均气温(MAT)、净辐射(R_n)、当年降水量(PPT)、当年平均气温(T_a)和叶面积指数(LAI)的增加而降低。(5)不同生态系统中β对生物和非生物因素的响应存在显著差异: 草地、森林和灌木生态系统的β对生物和非生物因素变化较为敏感, 而农田和湿地生态系统的β与所有生物和非生物因素均无显著相关关系。(6) MAP和R_n是β变化的直接影响因素, LAI通过影响R_n间接影响β。结果表明了植被类型与气候因素之间具有交互作用, 能量分配最主要的影响因素是降水, 叶面积对能量分配的调节作用并不显著。     

地表水热通量研究进展

介绍了当前国内外地表水热通景观测研究的进展及3种不同类型的土壤-植被-大气传输模型（SVAT）：单层模型、双层模型和多层模型。遥感手段常用于监测大面积地表水热通量。基于地表能量平衡方程,现已建立了许多遥感模型以估算水热通量（如简化模型、单层模型、附加阻抗模型、作物缺水指数模型和二源阻抗模型等）,并对这些模型复杂程度及应用范围进行了分析。     

城市公园绿地水、热与CO2通量观测与分析

水、热和CO2通量是评价城市绿地生态效益的重要指标。在北京海淀公园中部和边缘架设涡度相关系统,连续观测和定量研究城市公园绿地影响下的通量变化特征。结果表明,公园绿地所获得的净辐射在植被生长季节大部分用于植被的蒸散作用,潜热大于显热;而在植被非生长季节大部分用于显热,潜热数值非常小。晴天显热与潜热的比值在春季随着植被枝叶的生长逐渐减少,到夏季达到最小值约1/3,在秋季随着植被叶片枯黄逐渐变大,冬季达到数倍。公园绿地能量平衡率在52%～83%,普遍存在能量不平衡。公园中部的潜热观测值大于公园边缘,而显热小于公园边缘;公园中部CO2通量日均值为负,公园绿地是CO2汇。公园绿地在植被生长季节具有明显的降温增湿、吸收CO2等生态效应。     

城市化对流域生态水文过程的影响研究综述

了解流域水文过程(水量和水质)是流域综合管理的基础。城市化引起的生态环境问题已成为目前和未来一段相当长的时期内人类社会面临的重大问题。然而,城市化(土地利用/覆被变化、新污染物产生)、水文(降水、入渗、蒸散、径流过程)和生态系统服务(产水服务、调节气候、土壤保持、初级生产力、维持生物多样性等)在不同时空尺度之间的相互作用还存在知识空白。从城市化对流域生态系统结构和功能的影响、城市化对地表能量平衡与水量平衡的影响、城市化对水质和水生生物的影响、以及城市土地利用/覆被变化的大气环境效应等多方面系统总结了城市化影响流域生态水文过程的研究进展。研究发现,城市"热岛"、"干岛"、暴雨径流引起的城市内涝、水污染等环境现象都与生态水文过程密切相关。强调现代城市规划需要遵循生态水文学规律,从全流域生态系统角度认识近年来新出现的不同尺度的城市环境效应。城市最佳管理措施应以流域为单元实施,以调节土地利用/覆被、保护湿地(包括自然与人工湿地)为手段,充分发挥自然生态系统调节功能(如植被蒸散和净化水质)。未来城市生态水文学应围绕"低影响开发"以及"基于自然的解决方案"等城市流域管理措施,在稳定城市小气候、缓解洪涝干旱等极端水文气象灾害风险以及减轻城市水污染等方面开展多尺度综合研究。     

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段, 已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用, 长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测, 明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测, 在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征, 揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 并对通量研究发展前景进行了展望。     

Integrating Remote Sensing and Ground Methods to Estimate Evapotranspiration

Evapotranspiraton (ET) is the second largest term in the terrestrial water budget after precipitation, and ET is expected to increase with global warming. ET studies are relevant to the plant sciences because over 80% of terrestrial ET is due to transpiration by plants. Remote sensing is the only feasible means for projecting ET over large landscape units. In the past decade or so, new ground and remote sensing tools have dramatically increased our ability to measure ET at the plot scale and to scale it over larger regions. Moisture flux towers and micrometeorological stations have been deployed in numerous natural and agricultural biomes and provide continuous measurements of actual ET or potential ET with an accuracy or uncertainty of 10–30%. These measurements can be scaled to larger landscape units using remotely-sensed vegetation indices (VIs), Land Surface Temperature (LST), and other satellite data. Two types of methods have been developed. Empirical methods use time-series VIs and micrometeorological data to project ET measured on the ground to larger landscape units. Physically-based methods use remote sensing data to determine the components of the surface energy balance, including latent heat flux, which determines ET. Errors in predicting ET by both types of methods are within the error bounds of the flux towers by which they are calibrated or validated. However, the error bounds need to be reduced to 10% or less for applications that require precise wide-area ET estimates. The high fidelity between ET and VIs over agricultural fields and natural ecosystems where precise ground estimates of ET are available suggests that this might be an achievable goal if ground methods for measuring ET continue to improve.     

Long-term estimation of soil heat flux by single layer soil temperature

Soil heat flux is one of the important components of surface energy balance. In this study, long-term estimation of soil heat flux from single layer soil temperature was carried out by the traditional sinusoidal analytical method and the half-order time derivative method of Wang and Bras [Wang and Bras (1999) J Hydrol 216:214–226]. In order to understand the characteristics of soil heat flux and to examine the performances of the two methods, a field experiment was conducted at a temperate and humid grassland in Cork, Ireland. Our results show that the soil heat flux had the same magnitude as the sensible heat flux at this grassland site. It was also demonstrated that the analytical method did not predict the soil heat flux well because the sinusoidal assumption for the temporal variation in soil heat flux was invalid. In contrast, good agreement was found between the soil heat flux measurements and predictions made by the half-order time derivative method. This success suggests that this method could be used to estimate soil heat flux from long-term remotely sensed surface temperature.     

亚热带毛竹林生态系统能量通量及平衡分析

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器,对亚热带(浙江省)毛竹林生态系统2011年的净辐射、显热通量、潜热通量、土壤热通量以及气温、地温、降雨量等气象要素进行了连续观测,定量分析了毛竹林生态系统能量通量的变化和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:毛竹林全年净辐射为2628.00 MJ/m2,显热通量为576.80 MJ/m2,潜热通量为1666.77 MJ/m2,土壤热通量为-7.52 MJ/m2,土壤为热源,各能量分量季节变化明显,日变化基本呈单峰型曲线变化。显热通量占净辐射的22.0%,潜热通量占63.4%,毛竹林生态系统潜热通量为能量散失的主要形式。波文比逐月变化规律不明显,波动较大,在0.07—1.77之间变化,能量平衡比率法得出毛竹林年能量闭合度为0.85,月平均闭合度为0.84,能量闭合度高于线性回归法计算结果,但仍有15%的能量不闭合。