用光合-蒸散耦合模型模拟冬小麦CO2通量的日变化

根据 SPAC理论建立了一个冬小麦光合和蒸散的耦合模型。冬小麦 CO2 通量包括冠层光合、呼吸和土壤呼吸。冠层光合采用了 Farquhar光合作用生化模型 ,并通过冠层阻力的参数化将光合作用与蒸腾作用耦合起来。用涡度相关方法观测了 CO2通量 ,对模型进行了验证 ,结果显示模型可以较好地模拟 CO2 通量日变化过程。对模型的敏感性分析发现日间 CO2 通量最敏感的参数是初始量子效率。其次 ,CO2 通量对光响应曲线凸度、CO2 补偿点、凋萎点和叶面积指数的变化也有着较强的敏感性 ;夜间 CO2 通量敏感的参数是最适温度下 Rubisco催化能力和暗呼吸参数     

用光合-蒸散耦合模型模拟冬小麦CO2通量的日变化

根据SPAC理论建立了一个冬小麦光合和蒸散的耦合模型.冬小麦CO2通量包括冠层光合、呼吸和土壤呼吸.冠层光合采用了Farquhar光合作用生化模型,并通过冠层阻力的参数化将光合作用与蒸腾作用耦合起来.用涡度相关方法观测了CO2通量,对模型进行了验证,结果显示模型可以较好地模拟CO2通量日变化过程.对模型的敏感性分析发现日间CO2通量最敏感的参数是初始量子效率.其次,CO2通量对光响应曲线凸度、CO2补偿点、凋萎点和叶面积指数的变化也有着较强的敏感性;夜间CO2通量敏感的参数是最适温度下Rubisco催化能力和暗呼吸参数.     

温带阔叶红松林生态系统潜热通量模拟——气孔导度组合模型在Shuttleworth-Wallace双源模型中的应用

叶片水平的气孔导度组合模型已被成功扩展到冠层水平,并被应用于冬小麦生态系统潜热通量的模拟研究,但该研究仅基于1a的数据,有必要研究模型在更长时间尺度和其它生态系统类型的适用性.以长白山阔叶红松林(CBS)为研究对象,将组合模型进一步应用于Shuttleworth-Wallace双源模型,模拟了CBS 3a生长季内的潜热通量,利用涡度相关系统观测的潜热通量数据对模型进行验证,并对比了双源模型与单源模型的模拟结果.结果显示,双源模型较单源模型能取得更高的模拟精度,生长季不同时期的潜热通量模拟值和实测值的日变化较一致.对双源模型模拟值和实测潜热通量的相关分析显示,二者直线回归斜率和R2分别为0.96和0.72.对长白山阔叶红松林生态系统的蒸散和植被蒸腾的季节和年际变异分析发现,影响冠层蒸散和植被蒸腾季节动态的主要因素是饱和差和辐射,而影响它们年际动态的主要因素则是饱和差和温度.     

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。     

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.     

华北平原冬小麦冠层导度的环境响应及模拟

通过引入叶面积指数，将叶片水平的气孔导度组合模型扩展到冠层水平，建立了冠层导度环境响应组合模型，组合模型所需参数较少，且均可在冠层水平直接测量，便于应用；模型由潜在气孔导度（PSC）和相对气孔开度（RDO）组成，二者分别由环境变量的日际（inter-day）和日间（intra-day）的值决定。分析表明，冠层导度在日际尺度和日间尺度上对环境变量具有多尺度响应特性，在日际尺度上，温度是影响冠层导度的主要因子，在日间尺度，光是影响气孔开闭的主要因素。利用以温度和光合有效辐射为输入变量构建的组合模型，模拟了华北平原冬小麦农田生态系统的冠层导度，并用Penman-Monteith方程估算的表面导度进行验证。结果显示，在不同天气情况下，二者的日变化均具有较好的一致性；将组合模型与电学类比模型结合，进一步估算了拔节．灌浆期的冠层潜热通量，利用涡度相关系统观测的潜热通量数据进行验证，结果表明对冬小麦冠层潜热通量模拟精度较高，直线回归斜率为0．7054，R^2=0．7894。     

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.     

长白山阔叶红松林生长季热量平衡变化特征

根据长白山阔叶红松林2001年5月下旬至10月上旬微气象梯度观测资料和辐射、土壤热通量资料,用波文比-能量平衡方法(BREB方法)计算了森林的显热通量和感热通量,并计算了森林大气和植被体的储热量,分析了阔叶红松林热量平衡各项的日变化和季节变化,结果发现,热量平衡(净辐射)与太阳总辐射呈线性关系;热量平衡各项都与净辐射有相同的日变化特征,为昼正夜负的曲线．各项的绝对值一般表现为净辐射>潜热通量>感热通量>储热变化．受日照时间的影响,6～10月各分量正值的日持续时间逐渐缩短．月平均结果,白天净辐射6月份最大,10月上旬最小,变化于0～527W·m^-2,夜间的净辐射在0～-121W·m^-2．潜热通量白天和夜间分别在0～441、0～-81W·m^-2,感热通量昼夜分别在0～80、0～-26W·m^-2．储热变化则为0～44、0～-26W·m^-2．白天潜热通量占净辐射的比例8～10月逐渐下降,而感热通量和储热变化的比例9～10月明显上升,特别在严霜后2～3d,出现潜热通量比例突减、感热通量比例突增的现象．文中还对通量观测仪器、方法进行了简要分析．     

陆面模式中根系参数的改进及其对模拟结果的影响

为改进陆面模式中根系的参数化,本文在陆面模式SSiB2玉米农田参数本地化的基础上,将CERES-Maize的根系子模型嵌套到SSiB2模式中,研究2种改进的根系参数化方案对陆气通量模拟结果的影响.结果表明： 当根系模型只为SSiB2模式提供根系深度参数（方案1）时,陆气通量的模拟精度有所提高：整个生育期内,感热通量、潜热通量等的模拟值与观测值的相关系数增大,线性拟合的均方根误差减小;播种后121天 成熟,CO₂通量的模拟精度也有所提高.当根系模型为SSiB2模式同时提供根系深度和根长密度两种参数（方案2）时,上述通量的模拟精度较原SSiB2模式同样得以提高.与方案1相比,方案2考虑因素更为复杂、全面,但陆气通量的模拟效果却反而有所下降.改进的根系参数化方案较原SSiB2模式的根系参数化方案更接近实际,这使陆气通量的模拟精度提高;方案2过分夸大了表层土壤的相对根量,使其模拟效果逊色于方案1.     

动态空气动力学参数对玉米田陆-气通量模拟的影响——以BATSle模型为例

基于2006-2008年锦州玉米农田生态系统的通量、气象及生物因子连续观测,利用所建立的考虑玉米不同发育期叶面积指数、冠层高度和风速的地表粗糙度(z0)和零平面位移(d)动态参数化方案对BATS1e陆面模型进行改进,研究空气动力学参数变化对玉米田陆-气通量模拟的影响.结果表明:改进后的拖曳系数(CD)随植被覆盖度增大而增大,更符合实际;感热、潜热和土壤热通量的模拟精度均有不同程度改进,效率系数分别提高0.0569、0.0194和0.0384,生长季累计改进量分别占总辐射的0.9％、1.1％和1.2％;当输入真实的表层土壤湿度后,z0和d动态参数化对感热和潜热的改进作用更大.合理的动态空气动力学参数化方案对陆面过程模拟具有明显改善作用.     

玉米农田水热通量动态与能量闭合分析

 基于锦州农田生态系统野外观测站玉米农田涡度相关系统近2年的水热通量观测数据，分析了玉米农田水热通量的日际、年际变化特征及其能量 平衡状况。结果表明： 1）玉米农田水热通量日变化与年变化均呈单峰型二次曲线，峰值出现在12∶00～13∶00左右，与净辐 射的日变化、年 变化同步，潜热通量最大可达到655 w•m^－2（出现在2004年7月8日1 3∶00），显热通量最大值大约为369 w•m^－2（出现在2004年5月31日13∶ 00）。2）玉米农田水热通量强度与局地的环境条件密切相关：显热通量与大气压的年变化呈负相关，潜热通量与气温年变化呈正相关。水热通 量受降水的影响较大，对降水的反应较敏感。其中，潜热通量(LE)不仅与降水的强度有关，而且随着降水的季节分布的不同而出现不同的响应 ，即使同样量级的降水在夜间与白天对LE的影响也是不同的。3）玉米农田通量观测呈现能量不闭合现象，主要原因可能是未包含0～5 cm土壤 热储量与冠层热储量，造成大约15.5%的能量损失。     

无水分胁迫下行作物蒸发散与双涌源能量分配和交换关系

以内蒙古浑善达克沙地人工草地种植的行作物——青贮玉米为研究对象,将FAO-56的双作物系数法与双涌源能量平衡模型相结合,计算了太阳入射能量按叶面积指数（LAI）分配到两个涌源（冠层、土壤表面）的有效能量A_c和A_s、潜热通量λE_c和λE_s以及显热通量H_c和H_s.分析两个涌源在有效能量驱使下的潜热和显热通量相互作用.结果表明,1）在无水分胁迫条件下,冠层H_c与λE_c相互作用使冠层吸收微热平流,强化蒸腾作用,加大蒸腾量.蒸腾（以潜热通量表示）超过冠层有效能量的增量(λE_cⁱ-A_cⁱ).最大值出现在生长发育阶段LAI为0.6的7月15日到LAI为2.4 的8月9日之间,其平均值为4.32 MJ·m^-2·d^-1.2）无水分胁迫情况下,λE_s和H_s相互作用,除强湿润过程后的1~2 d外,其他各天土壤均以低于土壤表面有效能量的速率蒸发.蒸发强度取决于土壤表面有效能量消散为土壤潜热通量的百分比,这个百分比最小值出现在生长中期阶段,其平均值为11.5%;最大值出现在生长初始阶段,其平均值为51.9%.3）两个涌源潜热通量是蒸散过程中能量交换的主要成分,在生长发育、中期、后期阶段转换为两个涌源潜热通量的有效能量均占总能量的83%以上.     

鼎湖山针阔混交林旱季能量平衡研究

运用涡度相关(Eddycovariance,EC)法开路系统、常规微气象观测系统及土壤热通量板等设施对鼎湖山季风常绿阔叶林旱季(2003／1／9—2003／1／23)的能量分量进行测定。结果表明,平均净辐射通量(Net radiation,Rn)为53．14Wm^2,与下行短波辐射具有相同的变化趋势。林冠上层EC法潜热通量(Latent heat,LE)、显热通量(Sensible heat,Hs)实测平均值分别为57．18Wm^-2,43．40Wm^-2,林冠下层分别为12．61Wm^-2、7．61Wm^-2。白昼EC法所测得的LE和Hs数据与利用波文比．能量平衡法(Bowen ratio and energy balance,BREB)计算出的数据相比,略偏低,而夜间及凌晨数据差异较大。土壤热通量日变化曲线呈“S”形,平均土壤热通量为．1．50Wm^-2,表面土壤总热通量(Gt)仅为5cm处土壤热通量的84．0％,可见表层土壤尽管很薄,但其热储量不能忽略。将LE、Hs之和与可供能量(Rn—Gt)进行闭合,回归直线斜率为0．9128,相关系数达0．8517,与许多研究结果的60％-90％的区间相符,这说明鼎湖山涡度相关法通量观测数据是非常可靠的。     

开放式空气C02浓度增高对水稻冠层能量平衡的影响

大气CO2浓度升高对植物冠层能量平衡的影响是导致植物生长发育和水分利用率发生变化的环境物理原因．利用位于江苏省无锡市安镇的农田自由开放式空气CO2浓度增高(FACE)系统平台,进行水稻冠层微气候和土壤热通量的连续观测,并结合能量平衡分析,研究了FACE对水稻冠层能量平衡的影响．结果表明,水稻冠层显热和潜热通量FACE与对照的差异日最大值出现在14：00左右,与空气相对湿度日最低值出现时间一致;潜热通量FACE与对照的差异日最大值变化在—15-—65J·m^-2·s^-1之间,显热通量FACE与对照的差异最低值变化在12—55J·m^-2·s^-1之间;显热和潜热通量FACE与对照的差异日最大值随冠层上方辐射平衡增加而增大．水稻冠层白天总显热通量FACE均高于对照,而总潜热通量FACE均低于对照．白天总显热和潜热通量FACE与对照的差异在同一生育期内随冠层上方净辐射增强而增大,在不同生育期随生育期推进而减少．开花期至蜡熟期,水稻冠层白天总潜热通量FACE比对照平均低6．7％．FACE使水稻冠层白天总显热通量及其占冠层上方辐射平衡的比例减少,而使总潜热通量及其占冠层上方辐射平衡的比例增大,但对土壤热通量及夜间显热和潜热通量的影响不大．开花期至蜡熟期水稻冠层白天总显热、潜热通量占冠层上方净辐射总量的比例FACE与对照之差平均为5．5％．     

Parameter estimation in surface exchange models using nonlinear inversion: how many parameters can we estimate and which measurements are most useful?

Models of mass and energy exchanges between the biosphere and the atmosphere generally contain a nonlinear dependence between fluxes and model parameters, and thus estimation of these parameters from measurements in a heterogeneous landscape depends on the scale of the observations. The scale‐dependence of a typical surface‐exchange model (the CSIRO Biospheric Model, CBM) is examined using the diurnal variation of hourly fluxes of CO₂, latent heat, sensible heat and soil heat. The fluxes were measured using micrometeorological techniques over six sites in a grazing/pasture system in SE Australia during a period of three weeks in 1995. Nonlinear parameter inversion was used to determine model parameters. Analysis of the covariance of the estimates of the parameters and the unexplained residuals of the model showed that a maximum of three or four parameters could be determined independently from the observations for all six sites. Estimates of a key model parameter, j_max, the mean of maximum potential electron transport rate of all leaves within the canopy, was best determined by the measurements of net CO₂ flux at all sites examined. Measurements of ground heat flux provide little information about any of the model parameters in CBM. Because of nonlinearities in the surface exchange model, calculated fluxes will be in error if parameters for the component vegetation types are simply averaged in proportion to their areal fraction. The magnitude of these errors was examined for CBM using a hypothetical land surface consisting of two surface types, each with different parameter values. Predictions of net CO₂, latent heat and ground heat fluxes using a linear combination of model parameters for the two surface types were quite similar with those found using optimal estimates of the parameters for the landscape, but were significantly poorer for sensible heat fluxes.     

The importance of mesophyll conductance in regulating forest ecosystem productivity during drought periods

Water availability is the most limiting factor to global plant productivity, yet photosynthetic responses to seasonal drought cycles are poorly understood, with conflicting reports on which limiting process is the most important during drought. We address the problem using a model‐data synthesis approach to look at canopy level fluxes, integrating twenty years of half hour data gathered by the FLUXNET network across six Mediterranean sites. The measured canopy level, water and carbon fluxes were used, together with an inverse canopy ecophysiological model, to estimate the bulk canopy conductance, bulk mesophyll conductance, and the canopy scale carbon pools in both the intercellular spaces and at the site of carboxylation in the chloroplasts. Thus the roles of stomatal and mesophyll conductance in the regulation of internal carbon pools and photosynthesis could be separated. A quantitative limitation analysis allowed for the relative seasonal responses of stomatal, mesophyll, and biochemical limitations to be gauged. The concentration of carbon in the chloroplast was shown to be a potentially more reliable estimator of assimilation rates than the intercellular carbon concentration. Both stomatal conductance limitations and mesophyll conductance limitations were observed to regulate the response of photosynthesis to water stress in each of the six species studied. The results suggest that mesophyll conductance could bridge the gap between conflicting reports on plant responses to soil water stress, and that the inclusion of mesophyll conductance in biosphere–atmosphere transfer models may improve their performance, in particular their ability to accurately capture the response of terrestrial vegetation productivity to drought.     

基于SVAT模型的冬小麦光合作用和蒸散过程研究

在已建立的土壤－植被－大气传输（SVAT）模型中,冠层光合作用／气孔导度耦合子模型可区分遮荫叶和受光叶光合作用强度的差异;作物生长模型考虑了生长呼吸和维持呼吸,模拟与实测结果对比发现,日总蒸散量实测和模拟的根均方差（RMSD）为0.65mm,平均绝对差（MAPD）为14％;对冠层上部净光合作用率日变化过程而言,实测和模拟结果具有较好的一致性。利用模型模拟了冬小麦全生育争光合作用率和蒸散的演变过程。最后,分析了冬小麦蒸散和水分利用效率对不同最大叶面积指数,大气CO2浓度和叶片N含量的响应。