基于Penman-Monteith-Leuning遥感模型的西南喀斯特区域蒸散发估算

西南喀斯特地区地形起伏大、土壤保水持水性差、生态环境脆弱.准确估算区域尺度蒸散发对研究喀斯特地区植被恢复、水资源管理等具有重要意义.本文以桂西北喀斯特植被恢复区为例,基于野外实测气象和蒸散发数据,采用最小二乘法对Penman-Monteith-Leuning(PML)模型中气孔导度土壤湿度指数进行参数优化,并结合MOD15A2叶面积指数进行空间外推,实现了区域尺度上长时序蒸散发的估算.结果表明: 研究区蒸散发模拟值与实测值有较好的一致性,模型确定系数、纳什系数和均方根误差分别为0.85、0.75和1.56 mm·d^-1.蒸散发表现出季节变化特征,并与植被生长季物候特征一致,夏季蒸散量达到峰值.研究区年蒸散量在534～1035 mm,陆面蒸散发的空间分布呈现差异性,受降水的空间分布影响较大.年蒸散发可能不仅受到降水因素的影响,还与人类活动和土地利用类型有关.     

黑河流域高寒草甸生态系统水分收支及蒸散发拆分研究

水分收支是对水循环要素降水、蒸发蒸腾、径流以及土壤贮储水量变化等的定量刻画,对水资源的可持续开发及利用至关重要。基于黑河流域阿柔观测站2014和2015年水文气象观测数据,运用水量平衡理论,定量的评估了高寒草甸生态系统的水分收支动态,并结合双源模型对高寒草甸生态系统蒸散发(植被蒸腾和土壤蒸发)进行拆分及评价。研究结果表明(1)在生长季(5—9月)植被蒸腾是高寒草甸生态系统主要的耗水形式,2014和2015年生长季平均蒸散比(T/ET)分别为0.74和0.79;(2)土壤水分的剧烈变化主要发生在0—40 cm处,且受冻融过程影响显著;(3)在降水较多的年份(2014)高寒草甸生态系统水分收支基本平衡,且不受冻融影响的月份(6—9)有地表径流产生约42 mm;在正常年份(2015),生态系统呈现水分亏缺,亏缺量约为134 mm,6—9月约亏缺26 mm;(4)模型估算蒸散发(ET)与实测蒸散发具有很好的一致性,相关系数可达0.90,敏感性分析表明模型输入变量对蒸散发(ET)及蒸散比(T/ET)产生的误差较小,双源模型可以很好地实现对高寒草甸生态系统蒸散发(ET)的拆分。     

河套灌区蒸散发时空变化特征及驱动力分析

蒸散发(Evapotranspiration, ET)是陆地与大气系统中水循环与能量交换的重要因素。为了提高估算区域尺度ET的精度, 更加准确的为气候演变研究、水资源管理、环境保护等提供现实数据与理论支撑, 论文基于2017—2018年Landsat8 OLI遥感影像与气象站数据, 运用SEBS (Surface Energy Balance System)模型估算河套灌区日尺度蒸散发, 采用Penman-Monteith公式计算结果对其进行精度验证, 并探讨其时空变化特征及驱动力。结果表明: (1) SEBS模型估算值与彭曼公式计算的5个气象站的平均相对误差分别为15.07%、17.94%、16.17%、9.93%、13.18%, 表明估算研究区日尺度蒸散发可以基于SEBS模型实现, 并且估算效果较好。(2)研究区内ET空间上呈现纬度递减变化, ET随着纬度的降低呈增大的趋势。(3)基于SEBS模型得到的日蒸散量与NDVI、地表反照率、地表温度等3个地表参数拟合系数从大到小依次排序为: 地表温度＞地表反照率＞NDVI。(4)日尺度SEBS模型得到的蒸散发与气象因素进行主成分分析, 与第一主成分密切相关的驱动因子为气温, 方差贡献率为40.434%。综合可见, SEBS模型能够很好的对河套灌区蒸散发进行模拟, 模拟潜在蒸散发量具有明显的年内分配特征, 在4—10月中整体表现为先增大再减小趋势, ET最高值出现在7月, ET的主要特征影响因子为气温。     

南京地区蒸散发降尺度研究--基于增强型时空自适应反射融合模型

蒸散发是水文循环的重要组成部分,获取高时空分辨率的数据能够更加精细化蒸散发的时空变化规律,对于水资源管理、生态水文过程量化具有重要意义。由于单一传感器反演的蒸散发无法同时具有高空间和高时间分辨率,以南京地区为例,首先结合Landsat-8遥感影像数据和气象数据,采用基于能量平衡原理的SEBS模型估算日蒸散量。在此基础上,选取典型区域采用基于增强型时空自适应反射融合模型(ESTARFM)将估算的蒸散发结果与低空间分辨率的MOD16A2蒸散发产品数据进行时空融合降尺度研究,并评价模型的融合精度。结果表明:(1)SEBS模型估算的蒸散发结果与蒸发皿折算后的数据、MOD16A2产品数据的平均相对误差分别为0.14 mm/d和0.22 mm/d。(2)南京地区蒸散量季节差异明显,表现为夏季＞秋季＞冬季;各区在夏季的日平均蒸散量差异也较大,六合区蒸散量最大,秦淮区最小;另外,蒸散量分布受土地利用类型的影响,总体上表现为水域＞林地＞耕地＞草地＞其他,且植被覆盖度较高的区域蒸散量较大。(3)基于ESTARFM模型融合的蒸散发结果与基于Landsat-8遥感影像反演的蒸散发数据在空间分布上具有相似性,二者相关系数为0.74。在全球气候变化的背景下,本研究可为蒸散发数据集时空分辨率的提高提供参考,同时也能够为南京地区水循环过程和水资源管理研究提供数据支撑。     

千烟洲森林生态系统蒸散发模拟模型的适用性

基于2003–2007年千烟洲涡度相关通量塔观测的气象数据和蒸散发数据, 评价了常用的蒸散发模型模拟森林生态系统蒸散发的适用性, 包括Priestly-Taylor、Blaney-Criddle、Hargreaves-Samani、Jensen-Haise、Hamon、Turc、Makkink和Thornthwaite模型。结果表明, 日尺度上Priestly-Taylor模型的模拟效果较好, 相关系数达0.953; 月尺度上Makkink模型的模拟效果较好, 相关系数达0.995; 而Thornthwaite模型在月尺度上模拟误差较大, 均方根误差与平均偏差分别为15.559和13.436; Jensen-Haise模型在日、月尺度上模拟效果均较差。采用偏相关法分析气象因子与蒸散发值的关系, 得出森林生态系统蒸散发驱动因子的贡献排序为: 辐射>温度>水气压>风速>土壤温度>相对湿度>白天时长, 即辐射对蒸散发的影响较为显著, 与基于辐射法的Priestly-Taylor和Makkink模型分别在日、月尺度上适用性较好的结论一致。     

基于数据同化的哈佛森林地区水、碳通量模拟

模型模拟和站点观测是陆地生态系统水、碳循环研究最主要的两种手段,但各有优势和不足,若二者相互结合,则能更准确地反映生态系统水、碳通量的动态变化.数据同化为模型与观测结合提供了一条有效的途径.本文采用哈佛森林环境监测站相关数据,利用集合卡曼滤波同化算法,将实测叶面积指数(LAI)和遥感LAI同化进入Biome BGC模型中,对该地区水、碳通量进行模拟.结果表明：与未同化模拟相比,将1998、1999和2006年实测LAI数据同化后,模型模拟碳通量(NEE)与通量观测NEE的决定系数(R²)平均提升8.4%;蒸散发(ET)的R²平均提升10.6%;NEE的绝对误差和(SAE)和均方根误差(RMSE)平均下降17.7%和21.2%,ET的SAE和RMSE平均下降26.8%和28.3%.将2000-2004年MODIS LAI 产品与模型同化后,NEE、ET模拟值与观测值间的R²分别提升7.8%和4.7%;NEE的SAE和 RMSE分别下降21.9%和26.3%,ET的SAE和 RMSE分别下降24.5%和25.5%.无论实测LAI还是遥感观测LAI,同化进入模型都能不同程度地提高水碳通量的模拟精度.     

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。     

基于模型数据融合的千烟洲亚热带人工林碳水通量模拟

人工林生态系统是我国森林生态系统的重要组成部分,在全球碳平衡中的作用越来越受到重视.利用千烟洲亚热带人工针叶林通量观测站的碳水通量和气象观测数据,通过模型数据融合方法对碳水循环过程模型——SIPNET模型关键参数进行反演,模拟了2004-2009年千烟洲人工林生态系统的碳水通量.结果表明:仅用碳通量观测数据优化模型参数时,净生态系统碳交换量(NEE)模拟效果较好(R2=0.934),而生态系统蒸散(ET)模拟效果较差(R2=0.188);同时用碳水通量观测数据优化时,NEE模拟效果稍差(R2=0.929),但ET模拟效果显著提升(R2=0.824),说明利用碳水通量观测数据同时优化,SIPNET模型才能较好地模拟试验站点碳水通量.在此基础上,开展了人工林生态系统碳通量对降水变化响应的敏感性分析,发现降水量减少对光合作用的影响比对呼吸作用的影响更为强烈,且碳水通量同时参与优化时模型才能较好地模拟碳通量随降水减少而快速降低的趋势,表明如果不能同时利用碳水通量进行参数优化,模型无法正确揭示生态系统碳循环对降水变异的响应.     

灌丛化的蒸散耗水效应数值模拟研究——以内蒙古灌丛化草原为例

灌丛化是干旱半干旱草原一种常见的全球性变化现象,由于野外土壤、灌丛和草本的蒸散耗水难于拆分的限制,关于灌丛化蒸散耗水效应的研究较少。该文将已有的二源模型应用于我国内蒙古灌丛化草原估算其蒸散发,并用波文比系统观测结果对模型进行了率定。研究结果表明改进的模型可以较好地重建灌丛化草地的蒸散发特征;敏感性分析结果表明模型输入变量及参数对蒸散发组分拆分结果产生的误差较小。在此基础上进行了灌丛化的情景模拟,研究其耗水效应。结果表明:灌丛化对蒸散发总量影响较小,而对蒸散发组分影响较大。灌丛化初期盖度5%、中期盖度15%及后期盖度为30%的情境下,对应的生长季内蒸散发(ET)平均值分别为182.97、180.38和176.72 W·m~(–2);土壤蒸发(E)占蒸散发比率(E/ET)平均值分别为52.9%、53.9%和55.5%。灌丛化从初期到中期、中期至后期,蒸散发降幅平均值分别为0.34%和0.44%,E/ET升幅分别达2.04%及3.25%。该研究结果表明在内蒙古太仆寺旗站点灌丛化导致的土壤水分差异并不明显,但随着灌丛化加剧,灌丛逐渐替代草本,改变了原有的生态系统结构,植被叶面积指数变小,导致冠层导度降低。研究结果强调我国半干旱草原区灌丛化加剧对生态系统总蒸散耗水量影响不大,但其土壤蒸发无效损耗快速增加会导致系统水分利用效率降低。     

毛乌素沙地油蒿-杨柴灌丛生态系统蒸散组分分配及其影响因子

蒸散发(ET)是生态系统水分循环和能量流动的重要组成部分,准确估算ET及其各组分,对认识生态生理过程对水分平衡和植物水分利用策略的影响具有重要意义。本研究于2019年5月20日至9月15日,利用涡度相关技术和微型蒸渗仪对毛乌素沙地油蒿-杨柴灌丛生态系统ET、蒸发(E)和蒸腾(T)进行测定和估算,量化了油蒿-杨柴灌丛生态系统ET组分,并分析ET及其组分的季节特征及影响因素。结果表明: T为毛乌素沙地油蒿-杨柴灌丛生态系统生长季ET的主要组分,T/ET为53.1%。T/ET值随降水减少而升高,E/ET值随降水减少而减少,蒸散组分分配主要受降水调控。在季节尺度上,E与10 cm深处土壤含水量(SWC₁₀)和太阳净辐射(R_n)呈显著正相关,其中,SWC₁₀是E的主要影响因素;T随R_n和叶面积指数(LAI)的升高而升高,随30 cm处土壤含水量(SWC₃₀)的升高呈先升高后降低的单峰趋势,受到SWC₃₀、R_n和LAI的共同影响;水分是ET的主要影响因素。生长季蒸散/降水量(ET/P)为109.2%,5月ET/P为250.5%,表明生长季初期ET耗水部分来自非生长季降水。     

长白山生态功能区气候变化特征

为探究长白山生态功能区气候变化特征,本研究利用区域内及周边36个气象站数据与CN05.1格点数据集,采用线性倾向估计法、Mann-Kendall突变检验、累积距平法、Morlet小波分析等方法研究1961—2016年长白山生态功能区内温度(平均气温、四季气温、极端气温)、水分(年降水量、四季降水量、降水日数、相对湿度)、光照(日照时数与日照百分率)和风速因子的时空变化规律.结果表明: 1961—2016年,长白山生态功能区气温升高、日照减少、风速减弱、降水量周期振荡变化.其中,冬季气温[0.45 ℃·(10 a)^-1]与最低温度[0.74 ℃·(10 a)^-1]大幅上升.年平均风速显著降低[-0.21 m·s^-1·(10 a)^-1]但并未发生气候突变.年降水日数大幅降低[-7.01 d·(10 a)^-1],使其与东北地区气候变化特点有所不同.虽然功能区内年降水量倾向率为16.06 mm·(10 a)^-1,但不能以简单的趋势增加或减少来描述降水量变化特征,功能区内降水量变化以26年长周期叠加3年的短周期为主.研究结果对区域生态评估、生态系统响应气候变化、物候变化等研究具有指示意义.     

东北三省水稻生长季农业气候资源及障碍型冷害的时空特征

基于东北三省1981—2017年逐日地面观测资料和农业气象观测站水稻生育期资料,结合水稻障碍型冷害指标,分析东北三省水稻生长季特别是孕穗-开花期光、温、降水资源以及障碍型冷害的时空分布特征。结果表明: 1981—2017年,东北三省水稻生长季农业气候资源呈暖干变暗趋势,≥10 ℃活动积温和日照时数增幅分别为73.5 ℃·d·(10 a)^-1和17.7 h·(10 a)^-1,降水量减幅为8.9 mm·(10 a)^-1。水稻孕穗期,农业气候资源呈暖干变暗趋势,日平均温度升幅为0.27 ℃·(10 a)^-1,日照时数和降水量降幅分别为2.06 h·(10 a)^-1和1.90 mm·(10 a)^-1;水稻开花期,农业气候资源呈暖湿变暗趋势,日平均温度增幅为0.12 ℃·(10 a)^-1,日照时数减幅为0.83 h·(10 a)^-1,与孕穗期相反,水稻开花期降水量呈增加趋势,增幅为1.35 mm·(10 a)^-1。气候变暖背景下,水稻障碍型冷害发生频率和强度在大部分地区呈减少趋势,发生频率和强度存在显著的年代际变化特征。研究期间,黑龙江省孕穗开花期发生障碍型冷害次数最多,强度最高,吉林省次之,辽宁省最少。     

气候变化背景下甘肃农牧交错带玉米气候生产潜力和资源利用效率变化特征

为评估辐射、积温、降水和气候资源变化对甘肃农牧交错带玉米气候资源利用效率的影响,基于研究区45个气象站点1971—2020年玉米生育期内气象资料,结合玉米生育期数据,利用作物生产潜力逐级订正模型和指数化处理方法对研究区玉米气候生产潜力损失率以及光能、热量、降水和气候资源综合利用效率的变化特征进行分析。结果表明: 研究期间,甘肃农牧交错带玉米生育期内太阳总辐射量以-22.03 MJ·m^-2·(10 a)^-1的速率呈波动下降趋势,≥11 ℃积温以60.89 ℃·(10 a)^-1的速率呈显著上升趋势,降水量以2.05 mm·(10 a)^-1的速率呈缓慢上升趋势。甘南地区和陇中北部地区分别因温度和降水限制导致玉米气候生产潜力损失率较高,陇东大部分地区玉米气候生产潜力损失率较低;除中部地区和陇东部分地区外,研究区其他地区因温度和降水限制导致的气候生产潜力损失率分别以-2.0%·(10 a)^-1和-0.6%·(10 a)^-1的速率呈下降趋势。陇中北部、南部以及甘南部分地区为光能和热量资源利用效率的低值区,甘南地区为降水资源利用效率的低值区,兰州市和白银市气候资源综合利用效率较低,分别为0.41和0.47;陇东地区最适宜玉米种植,该地区4种气候资源利用效率均最高,然后依次为甘南和陇中地区;研究区光能、热量、降水以及气候资源综合利用效率的平均倾向率均呈上升趋势,分别为0.1%·(10 a)^-1、0.07 kg·hm^-2·℃^-1·d^-1·(10 a)^-1、1.17 kg·hm^-2·mm^-1·(10 a)^-1和0.05 ·(10 a)^-1,表现出玉米增产的良好潜力。     

1980—2019年南太行地区气候变化趋势

南太行地区是我国黄河重点生态区的重要组成部分,研究该区域气候变化趋势对我国黄河流域生态安全维护、重大生态工程计划决策具有重要意义。本研究以南太行地区济源市为研究区,基于1980—2019年气象资料,分析了该地区气候变化趋势。结果表明: 研究期间,济源气候变化整体趋于暖湿化,气温和降水量的变化率分别为0.48 ℃·(10 a)^-1、14.21 mm·(10 a)^-1。春、夏季增温高于秋、冬季,春季气候变化趋势为暖干化,夏、秋、冬季趋于暖湿化。潜在蒸散和干燥度分别为增加和下降趋势,均值分别为748 mm、1.36。≥10 ℃初、终日每10年分别提前3 d、延迟1 d,≥10 ℃有效积温、≥10 ℃持续日数和高温日数的变化趋势分别为116.57 ℃·(10 a)^-1、4 d·(10 a)^-1和5 d·(10 a)^-1。20世纪90年代是研究期间济源最干旱的10年,升温最快,有一半年份表现出半干旱区气候特征。2010—2019年,济源气候暖湿化趋势明显加快,为研究期间最暖最湿润的10年,这10年的≥10 ℃持续日数增长28 d,有效积温增加389.36 ℃,高温天气发生频率和强度明显增加。     

晋南地区冬小麦生育期气候变化特征及其对产量的影响

明确气候变化特征及其对小麦生产的影响,有助于为农业适应气候变化方案的制定提供理论依据.本研究分析了晋南小麦主产区临汾、运城市1957-2015年降水量、气温、日照时长、潜在蒸散量、干燥度等变化及其对冬小麦生育期及产量的影响.结果 表明:1957-2015年,临汾、运城市全年降水量和冬小麦生育期日照时长均呈下降趋势,冬小...     

延安市安塞区极端降水变化特征

以1980—2019年安塞气象站的日降水资料为基础选取11个极端降水指标,从降水强度和降水频率的角度对安塞区的极端降水数据进行分析,并对未来极端降水趋势进行预测。结果表明: 1980—2019年,安塞区极端降水指标总体呈现下降趋势,其中,大雨以上日数和普通日降水强度的下降趋势达到显著水平,其气候倾向斜率分别为-0.65 d·(10 a)^-1和-0.32 mm·d^-1·(10 a)^-1。除持续湿润日数和极端降水总量外,其余极端降水指标均存在突变点,突变之后各指标多呈下降趋势,且年降水量、中雨以上日数、大雨以上日数、暴雨以上日数、异常降水总量、普通日降水强度的下降趋势达到显著水平。持续干燥日数与其他指标的相关性较低且与一些指标呈负相关,而持续湿润日数只与少数几个指标具有相关性,此外,其他极端降水指标之间均呈显著相关。Hurst指数分析表明,未来安塞区极端降水总体变化趋势具有持续性。     

2000-2017年新疆天山植被水分利用效率时空特征及其与气候因子关系分析

水分利用效率(WUE)是衡量生态系统碳水循环耦合程度的重要指标, 估算新疆天山及南北主要绿洲的植被WUE并分析其时空变化规律, 探索其影响因素, 对该区域生态系统保护、农业水资源的合理利用与开发等方面具有重要的意义。基于MODIS遥感数据、气象数据和土地利用类型数据, 分析新疆天山近18年植被WUE时空变化特征以及与气候因子的关系。结果表明: (1) 2000-2017年新疆天山植被WUE变化范围为0.84-1.34 g·mm ^-1·m ^-2, 多年均值为1.11 g·mm ^-1·m ^-2, 整体呈减少趋势, 变化率为-0.014 1 g·mm ^-1·m ^-2·a ^-1; 空间分布具有较强的垂直地带性规律, 1 000 m以上的区域随着海拔的升高而减少。(2)植被WUE年内变化呈单峰型变化格局, 具有明显的季节性差异, 表现为: 夏季>春季>秋季>冬季。(3)相关分析和统计结果表明, 新疆天山植被WUE时空变化受到气温影响的区域占33.23%, 受降水影响的区域占8.57%, 受气温和降水综合强影响的区域占5.63%, 气温和降水综合弱影响的区域占13.13%; 因此气候因素中气温在新疆天山植被WUE的变化中起到主导作用。(4)水田与旱地水分利用效率随着时间变化呈持续减少趋势, 并且这些区域基本上受到非气候因子的影响, 说明当地人类活动存在不合理性。     

近20年内蒙古鄂托克旗草地降水利用效率时空演变的驱动力量化

降水利用效率(PUE)是评价干旱半干旱地区草地生产力与降水关系的有效指标。为进一步探究气候变化和人类活动对草地PUE的驱动机理,本研究采用改进的CASA模型估算了2001—2020年鄂托克旗草地净初级生产力(NPP),结合同期降水量的空间插值数据获取了研究区草地PUE,利用简单线性回归和分段线性回归分析了PUE的时空演变特征及其空间格局对6类气候因子的响应,并引入基于偏导数的量化分析方法定量评估了气候变化和人类活动对PUE动态的相对贡献。结果表明: 鄂托克旗草地PUE多年均值为0.748 g C·m^-2·mm^-1,年际波动呈显著下降趋势,下降速率为0.014 g C·m^-2·mm^-1·a^-1;PUE在空间上西低东高,沿气温、降水、相对湿度、日照时数和ET₀的增长梯度呈显著的单峰分段线性模式,而沿风速梯度表现为先快后慢的持续显著增长模式;研究区94.3%的草地表现为PUE衰减态势,且有43.6%为严重衰减,这一突出问题是气候变化和人类活动共同作用导致的,二者的贡献分别为-1.162×10^-2和-0.240×10^-2 g C·m^-2·mm^-1·a^-1,而气候变化是首要驱动力,其中降水是关键气候驱动因子。     

怀牛膝细胞悬浮培养条件的优化

为进一步优化怀牛膝(Achyranthes bidentata)细胞悬浮培养条件,对接种量、继代周期、pH、光照及Cu2+等多种影响因子的作用效果进行了研究,以提高怀牛膝细胞生长量及牛膝多糖含量。结果显示,接种量50 g·L^–1、继代周期14天,pH5–6和光照培养可以使细胞保持良好的生长状态及多糖合成能力;添加50μmol·L^–1 Cu^2+,细胞的干重最大,可达44.63 g·L^–1,多糖含量也最高,为4.02 mg·g^–1。