土壤-植物-大气连续体水热、CO2通量估算模型研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)水热、CO2通量的准确估算对理解陆地和大气的物质和能量交换过程有着重要意义.重点阐述了基于过程的土壤-植物-大气连续体水热、CO2通量模型,综述了统计模型、综合模型及基于遥感的模型的发展过程.其中水热通量统计模型包括基于温度和湿度以及基于温度和辐射的方法;CO2通量统计模型包括基于气候因子或蒸散因子以及基于光能利用率的方法.水热通量过程模型包括大叶、双源、多源和多层的水热传输物理模型;CO2通量过程模型包括叶片尺度及由大叶、双叶和多层方法扩展到冠层尺度的生理生态模型以及光合-蒸腾耦合模型.综合模型包括生物物理模型、生物化学模型和生物地理模型.统计模型形式简单,资料易得,对大范围的水热通量模拟具有指导意义;过程模型准确的揭示了水热和CO2通量传输的物理和生理过程,是大尺度综合模型的基础.未来生态系统水热、CO2通量估算模型将集成各种技术手段进行多尺度网络观测和大尺度机理模拟.     

地表蒸散的遥感估算模型及其在农业干旱监测中的应用

蒸散是地表水热交换的主要过程,其空间特征差异明显,而遥感技术的发展与应用使得区域蒸散估算成为现实.本文介绍了基于能量平衡法的单层与双层遥感蒸散模型,并对这2类遥感模型的优缺点分别进行了评述和比较.重点综述了近年来得到发展和应用的大气-陆地交换反演模型(ALEXI),阐述其主要结构、特色和过程.该模型通过耦合双层能量平衡模型(TSEB)和简化边界层模型,减少以往模型对台站气象数据的依赖,明显提高区域蒸散估算精度.研究表明,基于该模型的蒸散胁迫指数(ESI)具有很强的区域干旱监测能力.在今后研究中,多元遥感数据融合技术、陆面数据同化系统与遥感蒸散模型的结合将成为该领域的研究热点.     

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。     

植被层内能量与水分交换的显式解的推导

本文发展了一个求解植被－大气相互作用的稳态分层模式。它结合了Ｎｏｒｍａｎ提出的植被层内辐射能传输模型和Ｗａｓｓｏｎｅｒ及Ｒｅｉｆｓｎｙｄｅｒ提出的求解通量的电路类比模型,推导了来自空中及地表面辐射能在植被层内传递的显式解,还推导了一套通用的联立方程组,把植被层内显热及潜热通量、空气的温度及水汽压等表示为只是叶温的函数。结果避免了以往一些模型不必要迭代．减少了计算机工作量。     

三温模型——基于表面温度测算蒸散和评价环境质量的方法Ⅰ．土壤蒸发

 三温模型是近年提出的测算蒸散量和评价环境质量的一种方法,因为该模型的核心是表面温度、参考表面温度、气温,所以被称为“三温模型”。该文通过理论分析结合实验的方法, 讨论了用三温模型测算土壤蒸发量的方法及其验证。通过引入没有蒸发的参考土壤的概念, 三温模型中用下式计算土壤蒸发量：LE=Rn-G-(Rnd-Gd)(Ts-Ta)/Tsd-Ta 式中,E为土壤蒸发量,L为水汽的汽化潜热,Rn和Rnd为蒸发土壤面和参考土壤面的净辐射, G和Gd为蒸发土壤和参考土壤热通量,Ts、Tsd、Ta分别为蒸发土壤的表面温度、参考土壤表面温度、气温。试验结果表明,在参考土壤和蒸发土壤中,能量通量存在明显差异,参考土壤中的土壤热通量和净辐射通量均小于蒸发土壤,而显热通量则大于蒸发土壤;在一般情况下,参考土壤的表面温度最高,蒸发土壤表面温度次之,大气温度最低,在土壤湿润时,这些差异更为显著。 经过与大型称重式蒸渗仪的实测值比较,三温模型能较好地计算土壤蒸发量,在22 d的实验期间内,绝对平均误差仅为0.17 mm•d^-1,相关系数达r²=0.88。与热电偶测温结果相比较 ,采用红外温度计测温的结果更为精确,和实测值的绝对平均误差仅为每天0.15 mm•d ^-1,相关系数达r²=0.94,表明三温模型有较好的精度。另外,三温模型在计算土壤蒸发量时, 所需要的参数种类少（净辐射、土壤热通量、温度）,不含经验系数,不需要空气动力学阻抗和表面阻抗等参数,因此简便实用,具有较好的应用前景。     

太阳辐射对稻田甲烷排放的影响

太阳辐射减弱是气候变化的主要特征之一,而太阳辐射减弱对稻田甲烷(CH4)排放的影响尚不明确,且缺少高光谱遥感用于估算稻田CH4排放的研究.通过田间模拟试验,研究了不同遮阴强度对稻田CH4排放和水稻冠层光谱特征的影响,并基于冠层高光谱数据估算了CH4排放通量.采用单因子试验设计,遮阴强度设3个水平,即对照(不遮阴,CK)、轻度遮阴(S1,单层遮阴,遮阴率为60%)和重度遮阴(S2,双层遮阴,遮阴率为84%).结果表明:与对照相比,遮阴明显降低了稻田CH4排放,但重度遮阴下CH4排放高于轻度遮阴;近红外波段水稻冠层反射率表现为CK>S2>S1;水稻冠层光谱反射率(699~1349 nm)与CH4排放通量呈极显著正相关,最高相关系数达0.64,6种植被指数与CH4排放通量也呈极显著相关,其中比值植被指数(RVI)与CH4排放通量的相关系数最大,达0.84;建立了以RVI、归一化植被指数(NDVI)和507 nm原始反射率(ρ507)为参数估算CH4排放通量的逐步回归模型,决定系数R2分别为0.86和0.85,利用该模型可为开展区域稻田温室气体排放的遥感监测提供试验依据.     

植被层内能量与水分交换的显式解的推导

本文发展了一个求解植被－大气相互作用的稳态分层模式。它结合了Ｎｏｒｍａｎ提出了植被层内辐射能传输模型和Ｗａｇｇｏｎｅｒ及Ｒｅｉｆｓｎｙｄｅｒ提出的求解通量的电路类比模型，推导了来自空中及地表面辐射能在植被层内传递的显式解，还推导了一套通用的联立方程组，把植被层内显热及潜热通量、空气的温度及水汽压等表示为只是叶温的函数。结果避免了以往一些模型不必要迭代，减少了计算机工作量。     

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.     

喀斯特城市地表水热通量的时空变化研究

针对我国西南地区桂林喀斯特城市近20多年来快速扩展所引发的热环境问题,改进METRIC模型使其适用于喀斯特城市实际状况,利用模型和1994—2015年5景Landsat遥感图像反演地表水热通量,分析通量时空变化规律。结果表明,潜热通量从高到低依次为水体、喀斯特山峰阳坡植被、地面植被、喀斯特山峰阴坡植被、建筑/道路和裸土、喀斯特山峰裸岩,显热通量从高到低依次为喀斯特山峰裸岩和建筑/道路、裸土、喀斯特山峰阳坡植被、地面植被、喀斯特山峰阴坡植被、水体。水热通量随时间的变化受地表覆盖变化的影响,研究区波文比(显热通量与潜热通量比值)在1994年最高,达到1.62,2000年下降到1.24,之后逐渐升高至2015年的1.51。城市扩展过程出现的显热高值区和潜热低值区比例低于10%,其变化引发显热中低值区和潜热中高值区比例的变化,显热高值区最高比例在1994年(10.0%),2000年下降到5.4%,之后至2010年逐渐上升到9.4%,但2015年下降到7.1%,潜热低值区比例的变化趋势与显热高值区比例基本相同。植被覆盖度(Vegetation fraction,Pv)在0.1—0.8范围时对水热通量的影响相对更显著,Pv增加0.1,显热通量降低8—27 W/m~2,而潜热通量升高8—24 W/m~2。喀斯特山峰植被保护和城区地面绿化建设对喀斯特城市热环境的改善至关重要。     

3PG碳生产模型在长白山阔叶红松林总初级生产力估算中的应用

利用ChinaFLUX长白山站阔叶红松林的通量观测数据以及同期卫星遥感数据,对3PG模型中的植被光合模型(VPM)、光能利用率模型(EC-LUE)、陆地生态系统模型(TEM)、卡内基-埃姆斯-斯坦福方法模型(CASA)4种模型进行参数重组,通过对比通量观测值与估算值的均方根误差、决定系数及平均误差确定模型的最适合参数;并利用实测的通量观测数据对优化后的模型进行拟合度验证,以提高其估算长白山阔叶红松林总初级生产力(GPP)的准确性.结果表明: 采用温度、增强植被指数、地表水分指数分别表征原模型中的温度限制因子、光合有效辐射吸收比例、水分限制因子估算长白山阔叶红松林GPP时,结果最优,优化后模型的精度(R²=0.948,RMSE=0.035 mol·m^-2·month^-1)明显优于原模型(R²=0.854,RMSE=0.177 mol·m^-2·month^-1),且能够有效改善原模型生长季明显高估的现象;通过敏感性分析可知,温度是对GPP估算不确定性影响最大的参数,其次为增强型植被指数和光合有效辐射,地表水分指数最小,且变量间的交互作用对GPP估算不确定性也存在影响.     

Regional atmospheric cooling and wetting effect of permafrost thaw‐induced boreal forest loss

In the sporadic permafrost zone of North America, thaw‐induced boreal forest loss is leading to permafrost‐free wetland expansion. These land cover changes alter landscape‐scale surface properties with potentially large, however, still unknown impacts on regional climates. In this study, we combine nested eddy covariance flux tower measurements with satellite remote sensing to characterize the impacts of boreal forest loss on albedo, eco‐physiological and aerodynamic surface properties, and turbulent energy fluxes of a lowland boreal forest region in the Northwest Territories, Canada. Planetary boundary layer modelling is used to estimate the potential forest loss impact on regional air temperature and atmospheric moisture. We show that thaw‐induced conversion of forests to wetlands increases albedo: and bulk surface conductance for water vapour and decreases aerodynamic surface temperature. At the same time, heat transfer efficiency is reduced. These shifts in land surface properties increase latent at the expense of sensible heat fluxes, thus, drastically reducing Bowen ratios. Due to the lower albedo of forests and their masking effect of highly reflective snow, available energy is lower in wetlands, especially in late winter. Modelling results demonstrate that a conversion of a present‐day boreal forest–wetland to a hypothetical homogeneous wetland landscape could induce a near‐surface cooling effect on regional air temperatures of up to 3–4 °C in late winter and 1–2 °C in summer. An atmospheric wetting effect in summer is indicated by a maximum increase in water vapour mixing ratios of 2 mmol mol^?1. At the same time, maximum boundary layer heights are reduced by about a third of the original height. In fall, simulated air temperature and atmospheric moisture between the two scenarios do not differ. Therefore, permafrost thaw‐induced boreal forest loss may modify regional precipitation patterns and slow down regional warming trends.     

季节性干旱对中亚热带人工林显热和潜热通量日变化的影响

植被与大气间的显热和潜热通量的日变化是大气过程和植被生理过程的显著标志。本研究利用ChinaFLUX千烟洲站典型的夏季雨热不同季的季节性干旱的试验条件,探讨了2003年季节性干旱对该生态系统显热和潜热通量日变化变异幅度和峰值时间的影响。研究表明：显热通量的日变化变异幅度年平均值为176 W/m2。潜热通量的日变化变异幅度年平均值为171 W/m2。显热通量到达日变化峰值的时间平均为11:57。全年潜热通量的日变化都在午后达到峰值,平均值为12:33。季节性干旱造成显热通量的日变异幅度明显增大,从144W m-2增加到321 W m-2。而潜热通量的日变异幅度明显降低,从324 W/m2减小到198 W/m2。,显热和潜热通量日变异幅度的相对变化明显增大,从-165 W/m2增加到76 W/m2,气温和饱和水汽压差是影响显热和显热日变异幅度及其相对变化的主要控制因素。干旱胁迫期,深层水对显热通量日变化变异幅度及其与潜热通量日变化变异幅度的相对变化的作用更显著,而潜热通量日变化变异幅度与气象要素关系不显著。季节性干旱造成显热通量日变化的峰值时间和显热和潜热通量日变化峰值时间的相对变化明显向下午偏移,显热通量日变化的峰值从上午11:31到中午12:17,相对变化从1小时到1小时20分钟。季节性干旱对潜热通量日变化峰值时间没有显著的影响。非干旱胁迫期,显热通量日变化峰值时间和显热及潜热通量日变化峰值时间的相对变化均与气温负相关,而干旱胁迫期,则与气温正相关。潜热通量日变化峰值时间与气象要素关系均不显著。该生态系统显热和潜热通量日变化峰值的相对变化主要受降水量的季节分配控制,在干旱胁迫期降水的作用更加明显。潜热和显热通量日变化峰值时间的相对变化总体上都受植被与大气间的耦合程度控制。     

陆地植被水碳通量模型模拟与数据同化研究进展

精确估算水碳通量对陆地水碳循环研究意义重大,同时也极具挑战性。目前的估算精度有待进一步提高。传统的模型模拟和站点观测两种估算方法各有优势和不足,二者需结合进行研究。数据同化将观测融合到基于物理规律的模型中,尽可能得到模型状态变量和参数的最优估计,为模型和观测的结合提供了一条有效的途径。本文追踪陆地植被水碳通量过程模型与多源观测信息数据同化的研究进展;从植被水碳通量过程模型、数据同化算法、水碳通量模型数据同化3方面梳理了国内外相关研究进展,总结了研究中可能存在的问题:多源观测数据协同不足、同化策略相对简单、同化模型缺乏融合、同化尺度有待扩展;并从同化策略、模型选择、数据扩展、尺度效应、科学计算5个方面对今后的发展方向和趋势进行了分析和展望,以期为该领域研究者提供较全面的背景资料和信息,同时引发更多学者的关注。     

城市水体对热岛的缓冲性能沿河岸距离的变化规律

城市水体包括城区内的自然水体和人工水体两大类。作为城市生态系统的重要组成部分,水体在缓解城市热岛效应(Urban Heat Island, UHI)上具有重要作用。研究城市热岛效应的现状,探讨水体对城市热岛的缓冲效应,为改善城市热岛效应和生态环境,并对城市进行合理的改造和规划提供理论依据。以长沙市中心城区为研究区域,以南北向贯穿长沙市的湘江河道作为主要研究对象,基于长沙市2016年7月Landsat 8 TIRS遥感影像采用大气校正法反演地表温度(Land Surface Temperature, LST),利用监督分类法获取其同步的城市化进程和土地利用类型,分析市区内地表温度及热岛效应的空间分布特征。同时,通过在湘江两侧建立多个尺度的缓冲区,并将其与地表温度分布及土地利用类型叠置,分析湘江为主的水体对长沙市热环境及各缓冲区的缓冲效应,结果表明:(1)长沙市城市建设格局与热岛效应空间分布基本相似,建筑用地热岛效应更高,极端地表温度达到53.8℃;水体、绿地和裸地的热岛效应相对较低,最低地表温度为16.0℃;(2)湘江对长沙市热岛效应具有缓冲作用,对长沙市热岛效应的平均缓冲距离为400 m;(3)湘江对热岛效应的缓冲能力与水体周边土地利用类型有关,对河东区的缓冲作用小于河西区,对沿江休闲区的缓冲效应大于沿江住宅区。综上所述,长沙市热岛效应强度与用地类型相关,建筑用地热岛效应严重;水体对热岛的缓冲效应显著,但不同缓冲区内缓冲距离存在差异,因此对城市生态格局进行小规模改造可增强水体缓冲作用,缓解城市热岛效应。     

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。     

Impacts of elevated CO2 concentration on the productivity and surface energy budget of the soybean and maize agroecosystem in the Midwest USA

The physiological response of vegetation to increasing atmospheric carbon dioxide concentration ([CO₂]) modifies productivity and surface energy and water fluxes. Quantifying this response is required for assessments of future climate change. Many global climate models account for this response; however, significant uncertainty remains in model simulations of this vegetation response and its impacts. Data from in situ field experiments provide evidence that previous modeling studies may have overestimated the increase in productivity at elevated [CO₂], and the impact on large‐scale water cycling is largely unknown. We parameterized the Agro‐IBIS dynamic global vegetation model with observations from the SoyFACE experiment to simulate the response of soybean and maize to an increase in [CO₂] from 375 ppm to 550 ppm. The two key model parameters that were found to vary with [CO₂] were the maximum carboxylation rate of photosynthesis and specific leaf area. Tests of the model that used SoyFACE parameter values showed a good fit to site‐level data for all variables except latent heat flux over soybean and sensible heat flux over both crops. Simulations driven with historic climate data over the central USA showed that increased [CO₂] resulted in decreased latent heat flux and increased sensible heat flux from both crops when averaged over 30 years. Thirty‐year average soybean yield increased everywhere (ca. 10%); however, there was no increase in maize yield except during dry years. Without accounting for CO₂ effects on the maximum carboxylation rate of photosynthesis and specific leaf area, soybean simulations at 550 ppm overestimated leaf area and yield. Our results highlight important model parameter values that, if not modified in other models, could result in biases when projecting future crop–climate–water relationships.     

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.     

Energy and Mass Exchange Over Incomplete Vegetation Cover

Competition for fresh water between agriculture and domestic and industrial uses is increasing worldwide. This is forcing subsistence and commercial agriculture to produce more with less water. Consequently, it is crucial to properly and efficiently manage water resources. This requires accurate determination of crop water loss into the atmosphere, which is greatly influenced by the exchange of energy and mass between the surface and the atmosphere. Measurement of these exchange processes can best be accomplished by micrometeorological methods. However, most micrometeorological methods are very expensive, difficult to set up, require extensive post-data collection corrections and/or involve a high degree of empiricism. This review discusses estimation of evapotranspiration using relatively inexpensive micrometeorological methods in temperature-variance (TV), surface renewal (SR) and mathematical models. The TV and SR methods use high frequency air temperature measurements above a surface to estimate sensible heat flux (H). The latent heat flux (λE), and hence evapotranspiration, is calculated as a residual of the shortened surface energy balance using measured or estimated net radiation and soil heat flux, assuming surface energy balance closure is met. For crops with incomplete cover, the disadvantage of these methods is that they do not allow separation of evapotranspiration into soil evaporation and plant transpiration. The mathematical models (single- and dual-source) involve a combination of radiation and resistance equations to determine evapotranspiration from inputs of automatic weather station observations. Single-source models (Penman-Monteith type equations) are used to determine evapotranspiration over homogeneous surfaces. The dual-source models, basically an extension of single-source models, determine soil evaporation and plant transpiration separately over heterogeneous or sparse vegetation. These mathematical models have also been modified to accommodate inputs of remotely-sensed radiometric surface temperatures that enable estimation of evapotranspiration on a regional and global scale.