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。     

青海三江源区高寒植被地表反照率变化及其辐射温度效应

地表反照率是影响地表辐射收支与能量平衡的重要地表物理参数,是区域和全球气候变化研究中的一个关键要素。以三江源为案例区,基于2001—2018年生长季(6—8月)中分辨率成像光谱仪(MODIS)地表反照率(MCD43C3)产品,以及同期气候和植被指数数据,应用随机森林回归算法量化植被和气候对地表反照率时空变化的影响分析了土地利用/覆被变化导致的地表辐射特性参数(地表反照率)的改变引起的辐射温度效应。结果表明：三江源区域生长季地表反照率在空间上呈自东南向西北递增的特征,其均值为(0.163±0.027),集中分布在0.12—0.18。长江源园区、黄河源园区以及澜沧江源园区地表反照率差异较大,分别是(0.177±0.036)、(0.153±0.037)和(0.156±0.002)。从年际变化来看,研究区地表反照率以每10年(0.152±0.763)%速率不显著下降(P=0.47),但其变化趋势存在明显空间分异,其中显著减少(增加)的区域占8.4%(1.9%),长江源园区、黄河源园区以及澜沧江源园区以不同速率下降,分别为每10年下降(0.078±0.900)%、(0.215±0.740)%、(...     

青藏高原三江源区人工草地能量平衡的变化特征

为揭示建植人工草地对青藏高原三江源区能量平衡的影响,利用涡度相关和微气象系统的观测数据定量分析了该区域人工草地能量收支及其各分量的变化特征。结果表明:太阳总辐射(R_s)和净辐射(R_n)的日最高值分别为33.6和19.1 MJ m~(-2)d~(-1),年累计值分别为6789.4和2773.3 MJ/m~2;全年R_n与R_s的比值(R_n/R_s)为0.41,但生长季的R_n/R_s(0.54)明显高于年均值;显热(H)与潜热(LE)通量呈明显的季节变化,H最低值出现在12月,之后随R_s的增强而增加,但进入生长季后呈下降趋势,7月中旬出现次低值;而LE在冬季维持较低值,3月以后迅速增加,最高值出现在生长旺季的7月。在能量分配上,可利用能量主要消耗于LE和H,年均LE/R_n,H/R_n,G/R_n分别为0.46,0.45和-0.13。但能量分配的季节变化差异明显,波文比(β=H/LE)在冬季、春季、夏季和秋季的平均值分别为3.33、0.68、0.42和1.29。受植被叶面积指数(LAI)等生物因素以及土壤含水量(SWC)、饱和水汽压差(VPD)等环境因素的共同影响,冠层导度(g_c)和解耦系数(Ω)的年最大值均出现在夏季,其平均值分别为16.22mm/s和0.70,表明在植被生长盛期LE仍受R_n的控制,其它季节Ω均值低于0.5,说明LE更多的是受VPD调控。本研究说明,虽然三江源区接收的太阳总辐射较强,但R_n/R_s相对较低,生态系统能量平衡中各分项的变化主要受植被、土壤含水量以及净辐射的控制,在退化草地恢复过程中,由于建植人工草地增加了植被覆盖度,进而改变了能量收支过程及能量平衡各分项。     

红河流域“通道-阻隔”作用下2000-2014年植被EVI变化趋势与驱动力

红河流域地表生态、水热分布格局等受到"通道-阻隔"作用的显著影响,以MODIS EVI数据作为植被定量研究指标,结合全国1：100万植被类型图、红河流域内部以及周边气象数据和研究区的DEM数据,利用趋势分析和相关性分析法,探讨在"通道-阻隔"作用的影响下流域内2000-2014年植被EVI时空变化趋势及其驱动力,重点研究了植被EVI变化对气候因子的响应规律。结果表明：（1）2000-2014年间,红河流域生长季植被EVI整体上以-0.15%/a的年际变化率呈波动减少趋势,空间异质性明显。EVI呈减少趋势区域主要集中在绿春县中部和金平县西南部;EVI呈增加趋势区域集中分布在墨江县、文山县,麻栗坡中部、广南-富宁南部区域、红河-元江一带以及藤条江西南部地区。（2）通过对生长季EVI指数与四个不同时间序列的月平均气温和月累积降水量的相关分析可知,生长季EVI指数与同期气温相关性较好;与降水量呈现明显的滞后性,滞后时间约为1个月。（3）相关分析表明,整体上红河流域生长季植被EVI与气温呈负相关关系,与降水呈正相关关系。在0.05显著性检验水平下,红河流域生长季植被EVI变化受气候影响的区域占3.11%,气温以负向驱动型为主,面积约占1.26%,降水以正向驱动型为主,面积约占0.46%,气温降水联合驱动以弱驱动为主,面积约占1.39%;大部分地区表现为受非气候因子驱动。     

近40年青藏高原植被动态变化对水热条件的响应

植被对水热条件的响应因生态系统的空间异质性而具有显著的差异。基于GIMMS NDVI3g和MODIS NDVI逐旬数据集,通过数据融合构建的青藏高原1982—2020年的植被时间序列,利用Mann-Kendall趋势法分析近40年植被动态变化及其对温度、降水和辐射等水热条件的响应,并划定了植被动态的主要水热驱动因子分区。结果表明：(1)近40年青藏高原植被生长季平均NDVI呈现显著上升趋势,增速为0.006/10a,植被NDVI显著增加和减少的区域分别占青藏高原总面积的73.97%和18.38%;(2)青藏高原植被对水热条件的响应在静态上表现为高原腹地较高原边缘更加明显;在动态上表现为不同植被类型区对水热因子的响应关系、方向、程度均有所不同;整体上除森林和灌丛外,所有高寒植被类型与降水的响应程度要优于温度和辐射;(3)青藏高原植被生长受水热因子驱动的区域占高原总面积的55.95%,其中42.72%以上的区域气温、降水和太阳辐射的驱动作用是互补的,13.23%的区域由多个水热因子联合驱动;44.05%的区域为非气候驱动区。     

中天山地区草地地表辐射收支演变规律

地表辐射对研究地表能量平衡及气候形成机制具有重要意义。利用中天山乌拉斯台地区陆气相互作用观测站2018年5月至2019年4月地表辐射数据,分析了中天山草地不同时间尺度和不同天气条件下的地表辐射与反照率变化特征。结果表明：(1)地表辐射月平均日变化除大气长波辐射较弱外,其余分量均呈单峰型,极值大小及时间存在差异,太阳总辐射与净辐射最大日峰值均出现在6月,为920.9与603.3 W/m~2,大气与地表长波辐射分别出现在7月和8月,为327.5 W/m~2与471.7 W/m~2,而反射短波辐射则出现在2月,为520.6 W/m~2。(2)太阳总辐射、反射短波辐射、大气与地表长波辐射年曝辐量分别为6860.62、2101.72、7171.25、10089.69 MJ/m~2;就季节变化而言,反射短波辐射曝辐量在冬季明显高于其它季节,其它分量则均表现为夏季>春季>秋季>冬季。(3)不同月份地表反照率日变化均呈“U”型曲线,年均值为0.393,最大与最小月均值分别出现在12月与8月,为0.760与0.217。这种变化体现在季节上则为冬季>秋季>春季>夏季。(...     

内蒙古荒漠草原地表反照率变化特征

基于2008年全年内蒙古荒漠草原的气象观测数据对荒漠草原地表反照率的变化特征分析发现,内蒙古荒漠草原的地表反照率在晴天呈早晚高、正午前后低的U形变化特征,降水引起的土壤含水量变化将导致地表反照率减小,云对地表反照率的影响比较复杂。荒漠草原地表反照率的月平均日变化类似于晴天条件下的日变化,大多数月份呈现早晚高正午前后低的U形变化趋势,仅在1-2月份及11-12月份呈现V形。地表反照率的季节变化较为明显。在生长季,由于存在植被覆盖使得地表反照率较低;而在冬季,地表反照率较高,特别是1\,2月份,其月均值分别为0.56和0.48,甚至高于沙漠。9月份地表反照率月均值达到最小值0.230, 7、8\,9月份地表反照率接近,分别为0.236、0.232和0.230。而且在生长季,荒漠草原的地表反照率高于退化草地、农田及麦田,低于沙漠的地表反照率,但是荒漠草原的地表反照率除7-10月份明显低于沙漠地表反照率外(相差大于0.02),生长季的其它月份与沙漠相差不大。晴天地表反照率随太阳高度角的增大而减小,当太阳高度角大于40°时,地表反照率趋于稳定,其与太阳高度角呈指数关系。土壤含水量的增大会导致地表反照率的减小,地表反照率与土壤含水量呈指数或线性关系。根据地表反照率与这两个因子之间的单因子关系式,建立了内蒙古荒漠草原晴天地表反照率随太阳高度角与土壤含水量变化的双因子参数化公式,而且太阳高度角和土壤含水量两者共同解释了地表反照率变化的68%左右。该公式可以较好地模拟内蒙古荒漠草原晴天地表反照率的变化。该公式是否可以进一步耦合到天气或气候模式中,还需要借助更多代表性的观测资料的验证,但是本研究无疑对陆面模式中地表反照率更准确的参数化及模拟提供了参考依据。     

不同降水梯度下草地生态系统地表能量交换

通过对不同降水梯度下的蒙古中部针茅草原(KBU)、内蒙古羊草草原(NM)、海北高寒灌丛草甸(HB)和当雄高寒草甸草原(DX)4个草地生态系统的能量通量连续4-5 a的测定,分析了影响青藏高原和蒙古高原草地生态系统生长季中地表能量交换的主要因素。研究表明:相对于KBU、NM和DX,HB高寒灌丛草甸NDVI(0.58)和土壤含水量(28.3%)最大,因而地表短波反射率(αk)最低(0.12),从而获得了最大的净辐射(Rn)。KBU、NM和DX 3个草地生态系统生长季中αk随着植被的生长而降低,在生长季末期,随着植被的凋落而增加;HB的αk季节变化趋势与其它生态系统相反。从蒙古高原(KBU和NM)到青藏高原(HB和DX),随着降水量的增加,波文比(β)逐渐减小(2.25-0.53),即生态系统与大气的能量交换从显热(H)占主导转变为潜热(LE)占主导。植被状况对草地生态系统与大气之间能量交换的季节动态有重要的调控作用,在NDVI较低的时候,4个生态系统H/Rn都大于LE/Rn,LE/Rn随着NDVI的增加而增加,而H/Rn呈现出与LE/Rn相反的季节变化趋势。     

北方地区典型林草地物候时空变化特征及其对气象因子的响应

为探究北方地区典型植被林地、草地物候特征及其对气候变化的响应,本文基于1982—2015年的GIMMS NDVI 3gv1数据集和气象资料,采用动态阈值法提取植被物候,应用线性回归和偏相关分析法分析林、草地物候时空变化特征及其与气候变化的关系。结果表明：(1)林地生长季长度(LOS)以0.32d/a的速率极显著延长,整体表现为生长季始期(SOS)以-0.18d/a极显著提前,生长季末期(EOS)以0.14d/a极显著推迟。林地SOS提前、EOS推迟和LOS延长的区域面积占比分别为93.3%、90.4%和96.3%。(2)草地LOS以-0.01d/a的速率不显著缩短,表现为SOS以-0.09d/a不显著提前,EOS以-0.10d/a不显著提前。SOS提前、EOS提前和LOS缩短的区域占比为67.5%、69.1%和50%。(3)林地SOS主要受冬末春初的气温升高和降水增加而提前,EOS受夏季气温升高、秋季以及冬末春初降水增加而推迟。(4)草地SOS主要受春季气温升高和短波辐射减少而提前,EOS受秋季气温升高和短波辐射减少而提前,草地物候与气象因子的响应时长小于林地。     

1982—2012年新疆植被NDVI的动态变化及其对气候变化和人类活动的响应

植被在调节陆地碳平衡、气候系统中发挥了重要作用,并在生态系统服务功能提供方面占据主导地位,因此,监测植被生长变化意义重大.基于AVHRR GIMMS NDVI和MODIS NDVI数据集,在区域、像元两个空间尺度,研究了中国典型干旱区新疆1982—2012年间植被生长的动态变化,探讨了气候变化和人类活动对植被生长的影响.结果表明: 区域尺度,1982—2012年生长季植被NDVI呈极显著增加趋势(4.09×10^-4·a^-1);NDVI变化趋势存在明显阶段性,1998年前后分别呈极显著增加(10×10^-4·a^-1)和显著减少(-3×10^-4·a^-1);生长季NDVI变化趋势的逆转主要发生在夏季,其次是秋季,而春季不存在逆转.像元尺度上,农业区NDVI增加趋势显著;NDVI变化呈两极分化现象,剧烈变化区域多随时段长度延长而增加,尤其是显著减少区域范围快速扩张,导致区域尺度NDVI增加的停滞或放缓.研究区域植被生长受水热条件、人类活动共同控制.春、秋季的气温发挥主导作用,而夏季主要受到降水量的影响.大量施肥、灌溉面积增加等生产活动提高了农田植被覆盖,种植结构、灌溉方式等的改变降低了春季农田NDVI值,载畜量的增加则降低了部分草地的NDVI.     

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％.     

我国亚热带毛竹林生长季能量通量过程及闭合度分析

为探讨我国亚热带毛竹林(Phyllostachys edulis)生长季的能量平衡关系,利用开路涡度相关法,对2011年毛竹林生长季的能量通量的变化特征进行了研究,并应用能量平衡比率法和线性回归2种方法,分析了能量闭合的特点。结果表明,我国亚热带毛竹林生长季的净辐射总量为1738.2 MJ m–2,显热通量为354.3 MJ m–2,潜热通量为1146.0 MJ m–2,土壤热通量为58.9 MJ m–2,土壤为热汇,显热通量占净辐射的20.4%,潜热通量占65.9%,土壤热通量占3.4%。毛竹林生长季的能量闭合度为0.89,月平均闭合度为0.91,但仍有11%的能量不闭合。可见,毛竹林生长季以潜热能量散失形式为主,各能量分量均以净辐射变化为基础,且日变化基本呈单峰型曲线。     

Phenology and species determine growing‐season albedo increase at the altitudinal limit of shrub growth in the sub‐Arctic

Arctic warming is resulting in reduced snow cover and increased shrub growth, both of which have been associated with altered land surface–atmospheric feedback processes involving sensible heat flux, ground heat flux and biogeochemical cycling. Using field measurements, we show that two common Arctic shrub species (Betula glandulosa and Salix pulchra), which are largely responsible for shrub encroachment in tundra, differed markedly in albedo and that albedo of both species increased as growing season progressed when measured at their altitudinal limit. A moveable apparatus was used to repeatedly measure albedo at six precise spots during the summer of 2012, and resampled in 2013. Contrary to the generally accepted view of shrub‐covered areas having low albedo in tundra, full‐canopy prostrate B. glandulosa had almost the highest albedo of all surfaces measured during the peak of the growing season. The higher midsummer albedo is also evident in localized MODIS albedo aggregated from 2000 to 2013, which displays a similar increase in growing‐season albedo. Using our field measurements, we show the ensemble summer increase in tundra albedo counteracts the generalized effect of earlier spring snow melt on surface energy balance by approximately 40%. This summer increase in albedo, when viewed in absolute values, is as large as the difference between the forest and tundra transition. These results indicate that near future (<50 years) changes in growing‐season albedo related to Arctic vegetation change are unlikely to be particularly large and might constitute a negative feedback to climate warming in certain circumstances. Future efforts to calculate energy budgets and a sensible heating feedback in the Arctic will require more detailed information about the relative abundance of different ground cover types, particularly shrub species and their respective growth forms and phenology.     

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。     

Albedo estimates for land surface models and support for a new paradigm based on foliage nitrogen concentration

Vegetation albedo is a critical component of the Earth's climate system, yet efforts to evaluate and improve albedo parameterizations in climate models have lagged relative to other aspects of model development. Here, we calculated growing season albedos for deciduous and evergreen forests, crops, and grasslands based on over 40 site‐years of data from the AmeriFlux network and compared them with estimates presently used in the land surface formulations of a variety of climate models. Generally, the albedo estimates used in land surface models agreed well with this data compilation. However, a variety of models using fixed seasonal estimates of albedo overestimated the growing season albedo of northerly evergreen trees. In contrast, climate models that rely on a common two‐stream albedo submodel provided accurate predictions of boreal needle‐leaf evergreen albedo but overestimated grassland albedos. Inverse analysis showed that parameters of the two‐stream model were highly correlated. Consistent with recent observations based on remotely sensed albedo, the AmeriFlux dataset demonstrated a tight linear relationship between canopy albedo and foliage nitrogen concentration (for forest vegetation: albedo=0.01+0.071%N, r²=0.91; forests, grassland, and maize: albedo=0.02+0.067%N, r²=0.80). However, this relationship saturated at the higher nitrogen concentrations displayed by soybean foliage. We developed similar relationships between a foliar parameter used in the two‐stream albedo model and foliage nitrogen concentration. These nitrogen‐based relationships can serve as the basis for a new approach to land surface albedo modeling that simplifies albedo estimation while providing a link to other important ecosystem processes.     

Distinct patterns of changes in surface energy budget associated with forestation in the semiarid region

Land use and land cover changes greatly influence surface energy balance and consequently climate, and are likely to be associated with the persistent predictions of warming and drying throughout the Mediterranean and other regions. We specifically address the question of how the high radiation load and suppressed latent heat flux, intrinsic to dry regions, interact with land use changes and climate in these environments. We use for this purpose a detailed 6‐year (2003–2008) study of the redistribution of the radiation load in an open‐canopy pine forest. The results show that compared with the background shrubland, there was a 23.8 W m^?2 increase in shortwave radiation load on the forest (to a mean annual net solar radiation of 211 W m^?2) associated with a decrease in albedo of 0.1. Surface (skin) temperature in the forest was lower than in the shrubland (by ～5 °C on average) due to an efficient ‘convector effect’ and the production of a large sensible heat flux (up to 926 W m^?2 in summer), which effectively shifted heat from the canopy to the overlying boundary layer. The cooler forest skin temperature resulted in suppression of upwelling longwave radiation (by 25 W m^?2, annual average), further increasing the forest radiation load (mean annual net radiation of 116 and 67 W m^?2 for forest and shrubland, respectively). This suppression also resulted in a local ‘canopy greenhouse effect’, where upwelling longwave radiation from the ground to the canopy was larger than from the canopy to the atmosphere (by up to 150 W m^?2 in summer) and was associated with ～3 °C warming below the canopy. The ability of the dry productive forest to deal with the high radiation load indicates the potential for afforestation in dry areas.     

土壤-植物下垫面对微生态环境的影响

综述了土壤植物下垫面对辐射平衡、热量条件、土壤侵蚀、土壤肥力、光能利用率等微生态环境的影响．结果表明,有植被下垫面的反射率、有效辐射、土壤热通量的日变幅和感热通量均小于荒坡裸地;坡地植草和减少翻耕次数有利于水土保持;下垫面栽种牧草可提高土壤肥力和光能利用率．这对合理开发和利用土地资源具有一定的参考价值