基于改进的CASA模型模拟锡林郭勒草原植被净初级生产力

本研究在原来CASA模型的基础上,对模型参数最大光能利用率和水分胁迫系数的算法进行了改进,利用改进后的CASA模型模拟了2010年内蒙古锡林郭勒盟草原植被净初级生产力(NPP),并用地面实测样方数据对改进后的模型进行精度验证。结果表明:改进的CASA模型可应用于内蒙古草原小尺度植被NPP的估测,模拟NPP值与地面实测值之间的相关性达到显著水平(R2=0.829,P0.05);2010年内蒙古锡林郭勒盟草原植被生长季(4—10月)NPP为284.64 g C·m-2·a-1,不同地区年均NPP相差较大,东北部东乌珠穆沁旗草原NPP高达411.11 g C·m-2·a-1,而西北部的二连浩特市草原NPP仅为158.87 g C·m-2·a-1;整体上,锡林郭勒盟草原的NPP由东向西逐步递减,这与该区域水热条件限制基本一致;由于降水量的时滞效应,该年度内NPP出现两次峰值;2010年锡林郭勒境内草原NPP集中分布在250~350 g C·m-2·a-1,草甸草原的NPP最大,典型草原次之,荒漠草原最小。     

植被光合呼吸模型在长白山温带阔叶红松林的优化及验证

植被光合呼吸模型(VPRM)关键参数的确定和优化是准确计算生态系统净CO_2交换(NEE)的基础。利用中国通量观测研究联盟(China FLUX)长白山站温带阔叶红松林2005年的通量观测资料,对VPRM的4个参数(最大光能利用率ε_0、光照为半饱和条件下光合有效辐射值PAR0和呼吸参数(α、β))进行优化,并使用2006年的观测资料对参数优化前后的模拟结果进行评估。结果表明:参数优化后,VPRM能够较好地模拟长白山地区2006年植物生长季NEE的变化。对30min NEE模拟的平均误差为-1.81μmol m~(-2)s~(-1),相关系数为0.72,模拟NEE平均日变化的峰值约为观测值的91%,相关系数为0.97。但在植物非生长季模型对森林NEE的模拟效果较差。模型模拟30min NEE的平均误差为0.39μmol m~(-2)s~(-1),相关系数仅为0.10,并且模拟低估NEE平均日变化白天吸收峰值约82%,日变化模拟值与观测值的相关系数为0.50。通过分析不同天气个例,发现模型可以较好地模拟晴天条件下NEE的变化,而对阴雨天NEE的模拟误差较大。该研究有利于提高VPRM模型对温带落叶阔叶林NEE的模拟能力,对进一步改进区域陆地NEE的模拟具有重要意义。     

一维垂向非饱和土壤水分运动的数值模拟——以长白山北坡山地棕色针叶林土为例

以土壤水分运动基本方程为依据,根据长白山北坡山地棕色针叶林土的实际土壤层结构,建立了该地区一维垂向非饱和土壤水分运动数学模型,并推导了该模型的数值离散方程,编制了用于该模型数值模拟的计算程序.最后通过数值模拟对模型进行验证.结果表明,模拟值与实测值能够较好吻合.     

江西千烟洲地区散射辐射的模拟与验证

散射辐射的准确估算对于评价其对陆地生态系统碳交换的影响具有重要意义.基于我国中亚热带江西千烟洲气象观测场2012年3月1日—2013年2月28日散射辐射实际观测数据对目前常用的5个散射辐射分解模型（Reindl-1、Reindl-2、Reindl-3、Boland、BRL）的模拟结果进行验证.结果表明： 在30 min尺度上,虽然5个模型在总体上都可以较好地模拟该地区的散射辐射,但模型模拟效果随着晴空指数（k_t）的升高而显著降低.特别是当k_t>0.75时,各模型已无法模拟该地区散射辐射.从散射辐射季节变化的模拟来看,5个模型能够很好地模拟大多数月份的散射辐射.5个模型年尺度散射辐射模拟值与观测值的相对偏差最高为7.1%（BRL）,最低为0.04%（Reindl-1）,平均为3.6%.在全年辐射最强、温度最高和降水偏少的夏季,5个模型的模拟值均出现了过高估计.以7月为例,散射辐射被高估14.5%～28.2%,平均高估21.2%.这可能与高k_t条件下散射辐射的估算方法有关,这种不确定性需要在模型应用中做进一步深入评价.根据验证结果并考虑模拟精度和输入变量的易获取性,5个模型的模拟效果依次为BRL>Reindl-3>Reindl-2>Reindl-1>Boland.     

温室环境不同灌水水平条件下DSSAT-CROPGRO-Tomato模型的调参与验证

在沈阳地区日光温室试验的基础上,利用番茄生长模型DSSAT-CROPGRO-Tomato模拟了不同灌水水平条件下温室番茄的生长发育和产量形成过程,并确定了参数估计和模型验证的最优方案.试验设4个处理,全育期的灌水上限均为计划湿润层田间持水率,灌水下限分别为计划湿润层田间持水率的50%(W₁)、60%(W₂)、70%(W₃)和80%(CK).利用DSSAT-GLUE参数估计模块得到遗传参数的不同估计结果,通过对比分析番茄物候期、冠层高度、地上干物质量、鲜果产量、叶面积指数(LAI)、土壤含水率的模拟值与实测值之间的差异,来确定该模型模拟精度.结果表明: 番茄遗传参数--最优条件下最终果实负载所需光热时间(PODUR)的估计值具有较大变异性,变异系数为11.5%,将CROPGRO-Tomato模型应用于不同地区日光温室时,应对此参数进行充分估计,否则会影响其模拟精度.在模型应用过程中,应选用充分灌水处理的观测数据进行遗传参数估计,可以提高模型的模拟精度.此时的绝对相对误差和标准均方根误差值分别为8.7%和10.5%.对作物LAI和土壤含水率动态模拟结果可以看出,灌水水平越高,模型模拟精度越高.留一交叉验证法的总体模拟误差在10.5%～12.5%.说明DSSAT-CROPGRO-Tomato模型可以较为准确地模拟沈阳日光温室不同灌水水平条件下番茄生长发育和产量形成过程.     

东海原甲藻与中肋骨条藻的种间竞争数值模拟

研究探讨了两个零维箱式模型在东海典型赤潮藻东海原甲藻和中肋骨条藻竞争与演替研究中的应用。模型在采用不同接种密度下的单种培养实验数据进行参数校正后,被用来模拟不同N/P条件下单种培养实验以及两藻种共培养竞争实验,并以实验数据对其结果进行了验证。模拟结果表明,在单种培养条件下,模型能够较好地重现两种藻在不同N/P环境中的生长及对营养盐的利用;共培养实验的模拟结果显示,在所有初始细胞密度比例条件下,中肋骨条藻的最终密度均会超过东海原甲藻,且PO4的消耗主要源于中肋骨条藻的利用,与实验结果一致,表明模型能够很好地体现两种藻的竞争结果及对营养盐的竞争关系;由于模型不足以模拟除营养盐竞争以外的藻间相互作用,模拟结果未体现东海原甲藻细胞数迅速衰减这一现象,有待进一步研究。     

高层住宅小区建筑形态对微气象影响研究

以北京逸成东苑小区为原型, 基于ENVI-met 构建塔式建筑群和板式建筑群模型, 对其在典型春季、夏季各一天1.50 m 处微气象特征进行模拟分析。结果表明, 除夏季风速外, 两季节塔式和板式建筑群模型其他各微气象要素时间序列模拟结果变化趋势基本相同, 两模型春季模拟结果差异较小, 而夏季模拟结果差异较大。春季, 塔式建筑群比板式建筑群平均温度高0.16 ℃, 平均相对湿度低0.89%, 平均风速高0.18 m·s^–1, 平均辐射温度高2.21 ℃。夏季, 塔式建筑群比板式建筑群平均温度低0.18 ℃, 平均相对湿度低16.35%, 平均风速低0.14 m·s^–1, 平均辐射温度高1.24 ℃。春季板式建筑群的室外热舒适度优于塔式建筑群, 而夏季塔式建筑群的室外热舒适度优于板式建筑群。该结果可为住区规划、提高居民热舒适度等提供参考。     

奎屯河流域春季融雪期SCS-CN模型参数取值方法

水资源是保障我国西北干旱半干旱地区生态环境安全的关键因素。以新疆奎屯河流域为例,通过修正SCS模型土壤持水量及初损率参数计算方法,寻找适用于干旱半干旱地区山区典型流域春季融雪期径流模拟模型,为流域掌握水资源量及生态用水提供决策依据。与以往研究不同之处在于:首先,引入度-日模型修正降水量参数,以满足流域降雨-融雪混合补给径流特征。其次,利用多期MODIS数据驱动的TS/VI特征空间理论结合土壤水分吸收平衡原理计算土壤持水量参数(S);再运用聚类分析法对初损率(λ)取值方法进行改进。通过参数算法改进后的SCS模型,参数率定期和验证期纳什效率系数和相对误差系数分别为0.92和0.64,0.7%和-1.5%。结果表明:1)参数算法改进后SCS模型能实现奎屯河流域春季融雪期日径流模拟。2)利用遥感大尺度地表信息参数化技术反演SCS模型参数,实现了遥感数据为SCS模型提供大尺度空间数据的同时,间接实现了模型参数由点状数据向面状数据转化的可能;3)初损率(λ)多组取值法可有效提高干旱半干旱地区大尺度流域径流模拟精度。     

基于3PGS-MTCLIM模型模拟根河林区火后植被净初级生产力恢复及其影响因子

林火是大兴安岭林区主要的干扰因子,且对森林生态系统的碳平衡有着重要影响.火干扰强度以及不同地形条件所导致的山地气候差异是影响火后植被净初级生产力恢复过程的主导因素.本研究以内蒙古根河林区为例,使用多时相的Landsat TM遥感数据(2008—2012年)和1980—2010年间的气象资料,结合山地小气候模型MTCLIM与光能利用效率模型3PGS,模拟森林火后植被净初级生产力(NPP)的时空恢复过程,并探讨不同火烧强度和地形因子对NPP恢复进程的影响.结果表明: 3PGS-MTCLIM模型能够较准确地在小尺度范围内模拟NPP的空间分布格局,模拟结果与样地具有较好的对应关系,R²=0.828;3PGS-MTCLIM模型模拟火后NPP下降百分比在43%~80%,相对于火前NPP水平该区域的平均恢复周期大约为10年;火烧强度对火后恢复具有显著影响,火烧强度越强,NPP恢复所需要的周期越长,火后NPP恢复速度呈现先快后慢的增长趋势;地形因子中,海拔对火后NPP恢复程度的影响最明显,其次为坡度,而坡向的影响最小.     

基于CA-Markov模型的安溪县茶叶种植区动态变化

安溪县是山地茶叶经济的典型代表和成功范例,了解安溪县茶叶种植区域时空扩张对于我国山地茶叶经济发展模式具有借鉴意义。本研究对安溪县1991、1998、1999、2006、2007、2010和2015年的遥感影像进行解译,分析不同时期茶叶种植区域扩张动态变化。同时,运用CA-Markov模型与Logistic回归模型对2015年土地利用类型进行模拟,预测结果与实际解译结果的Kappa系数为0.787,说明模拟结果可信。在此基础上,运用CAMarkov模型对2020年土地利用变化进行模拟。结果表明,安溪县茶叶种植区主要由林地转化而来,其面积呈现明显的阶段上升状态,可以分为1991—1999、1999—2007、2007—2015年3个上升时段。总体上,安溪县茶叶种植区域属于慢速变化型,茶园土地利用动态度指数为14.88%。茶叶种植区域呈现出从早期以东北部为主向全县扩张变化的趋势,至2020年还会向安溪县的西南方向进一步扩张,原来零散的茶园变成聚集的规模种植园区。模拟结果可为安溪县的茶叶种植规划布局提供参考。     

华北平原冬小麦农田蒸散量

以华北平原冬小麦农田为研究对象,采用涡度相关技术和热红外遥感技术,研究了不同环境条件下土壤含水量与农田蒸散量及作物冠层温度的关系.结果表明,冬小麦在农田郁闭(LAI≥3)、晴天和土壤相对含水量低于田间持水量65%的情况下,蒸发比值日变化正午前后出现相对较低且平稳的变化趋势.在晴天情况下,农田潜热通量与作物冠层温度日变化和季节变化均呈极显著的非线性相关关系,而冠气温差、农田相对蒸散量则与0～100 cm土层的土壤相对含水量密切相关.以13:30～14:00的平均冠层温度值T_c、日最高气温T_{a max}和日净辐射总量Rn_d为统计数据,确立了冬小麦农田日蒸散量ET_d （mm）估算简化模式参数.     

2008-2014年新疆艾比湖流域土壤水分时空分布特征

传统的土壤水分模拟研究难以从土壤水分变化的时空双向出发表达其连续演变的过程,存在时空尺度效应问题。借助SWAT模型模拟的长时间序列优势,结合高分辨率卫星影像和遥感技术,力图在时空尺度效应问题上取得突破。并利用长时间序列的模拟结果分析流域土壤水分的空间格局和不同维度时空异质性。结果表明：（1）2008-2014年间艾比湖流域土壤水分主要受气温、降水及人类活动影响,呈波动变化,总体偏低且具有逐年减小趋势。（2）受降水、地形及土地覆被影响,土壤水分分布呈现出由山区向两侧平原减少的特点,且林地 > 农用地 > 草地 > 稀疏植被。（3）近10年间土壤水分低值区由原来的北部山区及平原向东部、东南部平原区及南部山区迁移,东部减少最为明显。（4）流域四季土壤水分变化差异显著。其中,春季主要受融雪影响;夏季、秋季主要受降雨量和气温影响;冬季主要受固态降雪和气温影响;且不同年份、相同季节、相同子流域土壤水分变化趋势表现一致。     

温室番茄蒸腾量与其影响因子的相关分析及模型模拟

采用盆栽方法,研究不同灌溉量处理下温室番茄日蒸腾量与单株总叶面积、土壤相对含水量、空气温度、空气相对湿度、太阳辐射等因子的相关关系,并建立日蒸腾量的回归模型.结果表明：番茄日蒸腾量与单株总叶面积、土壤相对含水量、空气温度、空气相对湿度和太阳辐射等因子呈显著的线性关系,各因子之间存在复杂的相互作用;土壤水分状况是番茄蒸腾量的主要决策因子,决策系数为27.4%;日最低空气相对湿度是主要限制因子,决策系数为-119.7%;番茄日蒸腾量预测值和实测值的回归系数平方值(R²)为0.81,回归估计标准误差(RMSE)和相对误差(RE)分别为68.52 g和19.4%.根据通径分析筛选主要影响因子建立的番茄日蒸腾量回归模型能够较好地模拟温室番茄日蒸腾量.     

温室番茄蒸腾量与其影响因子的相关分析及模型模拟

采用盆栽方法,研究不同灌溉量处理下温室番茄日蒸腾量与单株总叶面积、土壤相对含水量、空气温度、空气相对湿度、太阳辐射等因子的相关关系,并建立日蒸腾量的回归模型.结果表明:番茄日蒸腾量与单株总叶面积、土壤相对含水量、空气温度、空气相对湿度和太阳辐射等因子呈显著的线性关系,各因子之间存在复杂的相互作用;土壤水分状况是番茄蒸腾量的主要决策因子,决策系数为27.4％;日最低空气相对湿度是主要限制因子,决策系数为-119.7％;番茄日蒸腾量预测值和实测值的回归系数平方值(R2)为0.81,回归估计标准误差(RMSE)和相对误差(RE)分别为68.52 g和19.4％.根据通径分析筛选主要影响因子建立的番茄日蒸腾量回归模型能够较好地模拟温室番茄日蒸腾量.     

Evaluation of integrating topographic wetness index with backscattering coefficient of TerraSAR-X image for soil moisture estimation in a mountainous region

The estimation of soil moisture by using the backscattering coefficient of radar in a mountainous region is a challenging task due to the complex topography, which impacts the distribution of soil moisture and changes the backscattering coefficient. Complicated terrain can disturb empirical moisture estimation models, thereby, the resulting estimates of soil moisture are very unlikely reliable. This article proposed an innovative way of integration of the topographic wetness index (TWI) and the backscattering coefficient of soil obtained from the TerraSAR-X image, which improves the accuracy of measurement of the soil moisture. The standard estimation error and the coefficient of determination from the model were used to evaluate the performance of TWI. Our results show that the standard estimation error was decreased from: (1) 4.0% to 3.3% cm³ cm⁻³ at a depth of 5 cm and (2) 4.5% to 3.9% cm³ cm⁻³ at a depth of 10 cm. The most reliable estimation was observed at a depth of 5 cm, when it was compared with those of 0–5 cm, 10 cm and 15 cm. The TWI from the digital elevation model (DEM) is useful as a constraint condition for modeling work. This article concludes that the integration of the backscattering coefficient of soil with TWI can significantly reduce the uncertainty in the estimation of soil moisture in a mountainous region.     

Responses of a Specialized Insectivorous Mammal (Myrmecophaga tridactyla) to Variation in Ambient Temperature1

This study reports the effect of daily mean ambient temperature on daily activity and habitat use by the giant anteater (Myrmecophaga tridactyla) in the Pantanal wetlands of Brazil. We equipped 11 giant anteaters with a global position system collar programmed to acquire a location every 10 min for 15 d. A temperature data logger left in the meteorological station at the study site registered data on ambient temperature. Giant anteaters were mainly active in open fields except during the coldest days, when they sought protection inside forests. Giant anteaters also used open habitats for resting but during the hottest or chilliest days they sheltered in forests. In the Pantanal, where temperatures are usually high, giant anteaters were active all night long, but as daily average ambient temperature decreased anteaters began and finished activity progressively earlier and reduced total activity. As a consequence, time spent active at daylight increased progressively and time spent active during the night decreased progressively, probably to allow the anteaters to expose themselves to solar radiation and to avoid heat loss during the night.     

Heat and water transfer in a rotating drum containing solid substrate particles

In previous work we reported on the simulation of mixing behavior of a slowly rotating drum for solid-state fermentation (SSF) using a discrete particle model. In this investigation the discrete particle model is extended with heat and moisture transfer. Heat transfer is implemented in the model via interparticle contacts and the interparticle heat transfer coefficient is determined experimentally. The model is shown to accurately predict heat transfer and resulting temperature gradients in a mixed wheat grain bed. In addition to heat transfer, the addition and subsequent distribution of water in the substrate bed is also studied. The water is added to the bed via spray nozzles to overcome desiccation of the bed during evaporative cooling. The development of moisture profiles in the bed during spraying and mixing are studied experimentally with a water-soluble fluorescent tracer. Two processes that affect the water distribution are considered in the model: the intraparticle absorption process, and the interparticle transfer of free water. It is found that optimum distribution can be achieved when the free water present at the surface of the grains is quickly distributed in the bed, for example, by fast mixing. Alternatively, a short spraying period, followed by a period of mixing without water addition, can be applied. The discrete particle model developed is used successfully to examine the influence of process operation on the moisture distribution (e.g., fill level and rotation rate). It is concluded that the extended discrete particle model can be used as a powerful predictive tool to derive operating strategies and criteria for design and scale-up for mixed SSF and other processes with granular media.     

Estimation of surface heat flux and temperature distributions in a multilayer tissue based on the hyperbolic model of heat conduction

In this study, an inverse algorithm based on the conjugate gradient method and the discrepancy principle is applied to solve the inverse hyperbolic heat conduction problem in estimating the unknown time-dependent surface heat flux in a skin tissue, which is stratified into epidermis, dermis, and subcutaneous layers, from the temperature measurements taken within the medium. Subsequently, the temperature distributions in the tissue can be calculated as well. The concept of finite heat propagation velocity is applied to the modeling of the bioheat transfer problem. The inverse solutions will be justified based on the numerical experiments in which two different heat flux distributions are to be determined. The temperature data obtained from the direct problem are used to simulate the temperature measurements. The influence of measurement errors on the precision of the estimated results is also investigated. Results show that an excellent estimation on the time-dependent surface heat flux can be obtained for the test cases considered in this study.     

1957-2007年云南省森林火险变化

当前以变暖为主要特征的气候变化已对全球林火的发生产生重要影响.本文基于日气象数据(气温、降水量、空气相对湿度、风速),按照加拿大火险天气指数的计算方法,计算了云南省1957-2007年间每日的森林火险天气指数,分析了该省50年来森林火险的变化趋势.结果表明:云南省的火险期为上年11月至当年6月,持续期约8个月;林火数据(林火数量、过火面积和受害森林面积)与火险天气指数的相关性显著,半腐层湿度码(DMC)的火险期平均值和火险期严峻度(SSR)可作为不同火险期火险状况比较的良好指标.1957-2007年云南省森林火险状况呈现2种变化趋势:1)总体上周期性变化趋势明显,在周期性变化的同时呈上升趋势,表现为1991-2007年的火险状况比1961-1990年的火险状况略有升高;2)1991-2007年各火险期火险状况的波动性下降,火险状况异常严峻的火险期数量比1961-1990年减少.

Abstract：

Climate warming has already made great impact on forest fires. Based on the daily me-teorological data (temperature, precipitation, relative humidity, and wind speed), and by using the Canadian Fire Weather Index calculation formula, the daily forest fire weather indices (FWIs) of Yunnan Province in 1957-2007 were calculated, and through the statistical analysis of FWIs, the forest fire trends in this province over the past 50 years were studied. In the past 50 years, the forest fire season in Yunnan Province was from previous year November to current year June, lasting 8 months. Fire data (fire numbers, burned area, and burned forest area) had sig-nificant relationships with fire weather indices. The average daily duff moisture code (DMC) in whole fire season and the seasonal severity rating (SSR) were the good indices to evaluate the fire danger conditions among different fire seasons. The forest fire danger in Yunnan Province in 1957-2007 showed two change trends. One showed a clear cyclical change and a weak upward trend, i. e. , the fire danger conditions in 1991-2007 was slightly severer than that in 1961-1990 ; and the another was that the fluctuation of forest fire danger conditions among different fire seasons decreased in 1991-2007, and the number of abnormal severe fire seasons was less than that in 1961-1990.