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。     

地表水热通量研究进展

介绍了当前国内外地表水热通景观测研究的进展及3种不同类型的土壤-植被-大气传输模型（SVAT）：单层模型、双层模型和多层模型。遥感手段常用于监测大面积地表水热通量。基于地表能量平衡方程,现已建立了许多遥感模型以估算水热通量（如简化模型、单层模型、附加阻抗模型、作物缺水指数模型和二源阻抗模型等）,并对这些模型复杂程度及应用范围进行了分析。     

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。     

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.     

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％．     

苹果密植园与间伐园树冠层内叶片光合潜力比较

通过对成龄苹果密植园和间伐园树冠不同层次和部位叶片光合潜力及辐射通量密度、叶片N含量和比叶重等指标的比较分析,研究了苹果园改造前后辐射能和氮素利用效率差异及其与产量品质的关系.结果表明：间伐显著改善了冠层内的辐射环境,间伐园冠层内的辐射分布明显比密植园均匀,相对辐射通量密度小于30%的无效光区接近0,而密植园冠层内的最低相对辐射通量密度为17%,在相对高度03以下均为无效光区;间伐园内冠层叶片的光合效率显著提高,间伐园树冠中、下部叶片的光合速率比密植园分别提高了78%和102%;叶片的最大羧化速率和最大电子传递速率也有较大幅度的提升.苹果园冠层叶片的光合效率与叶片N含量存在显著的相关关系,而叶片N含量又与辐射通量密度存在显著的相关关系,因此,可根据冠层叶片相对N含量的垂直分布间接和定量地判断叶片的光合效率或相对辐射通量密度的空间分布.     

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.     

城市公园绿地水、热与CO2通量观测与分析

水、热和CO2通量是评价城市绿地生态效益的重要指标。在北京海淀公园中部和边缘架设涡度相关系统,连续观测和定量研究城市公园绿地影响下的通量变化特征。结果表明,公园绿地所获得的净辐射在植被生长季节大部分用于植被的蒸散作用,潜热大于显热;而在植被非生长季节大部分用于显热,潜热数值非常小。晴天显热与潜热的比值在春季随着植被枝叶的生长逐渐减少,到夏季达到最小值约1/3,在秋季随着植被叶片枯黄逐渐变大,冬季达到数倍。公园绿地能量平衡率在52%～83%,普遍存在能量不平衡。公园中部的潜热观测值大于公园边缘,而显热小于公园边缘;公园中部CO2通量日均值为负,公园绿地是CO2汇。公园绿地在植被生长季节具有明显的降温增湿、吸收CO2等生态效应。     

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。     

不同种植年限人工苜蓿地土壤N_2O排放通量

以半干旱区不同种植年限人工苜蓿地(1、3、4、5和8年)为研究对象,利用静态箱-气相色谱法研究不同种植年限人工苜蓿地土壤系统、土壤-植被系统的N2O排放通量规律,探讨影响土壤N2O排放通量的主要因素。结果表明:(1)苜蓿种植年限影响苜蓿地土壤-植被系统、土壤系统的N2O排放通量,不同种植年限苜蓿地N2O排放通量规律为:4年5年3年8年1年。不同种植年限苜蓿地土壤-植被系统、土壤系统的N2O排放通量季节趋势均呈"春夏季高、秋季低",在5月和8月中旬各出现了N2O排放峰值,表现出N2O的源效应。土壤-植被系统的N2O排放通量大于土壤系统的N2O排放通量。(2)苜蓿地土壤系统N2O排放通量与土壤有机碳、C∶N、铵态氮、全氮、硝态氮含量及0~5 cm土层的土壤温度呈显著正相关,与0~10 cm土壤含水量呈极显著二次负相关。土壤-植被系统N2O排放通量与地上生物量呈极显著正相关。因此,土壤全氮、硝态氮含量、0~10 cm土壤含水量及地上生物量是制约N2O排放通量的关键因子。     

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段, 已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用, 长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测, 明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测, 在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征, 揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成, 总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用, 并对通量研究发展前景进行了展望。     

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段,已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用,长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测,明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测,在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征,揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成,总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用,并对通量研究发展前景进行了展望。     

三江平原毛果苔草湿地能量流动过程分析

太阳辐射能在生长季内 (4月 3 0日至 9月 3 0日 )到达毛果苔草湿地的太阳总辐射能为 2 673 .0 6MJ· m- 2 ,以此为1 0 0 %进行分析计算 ;其中 ,有 5 7.92 %被植被层吸收 ,为 1 5 48.2 3 6MJ· m- 2 ;在被吸收的能量中 ,仅有 2 .5 5 %的能量通过植物的净光合作用固定下来成为毛果苔草湿地的净生产量 ,为 68.2 4997MJ· m- 2 ;生物量年积累量占太阳总辐射能的 2 .2 41 % ,为 5 9.90 3 MJ· m- 2 ;用于形成地上、地下不同器官的太阳辐射能分别为 0 .2 642 %和 1 .9768%。将上述过程予以简化 ,形成该系统能流过程的分室模型 ,该模型将可以对毛果苔草湿地生态系统的季节性动态进行分析、模拟与预测。     

植被冠层尺度生理生态模型的研究进展

随着人们对植物生命活动各个过程研究的不断深入,以植物生理过程、物理过程为基础的各种生理生态学模型逐渐发展起来,而植被冠层尺度生理生态学过程模型已成为生态系统模型的核心之一。目前植被冠层尺度的大叶模型、多层模型、二叶模型以其成熟的理论基础及对植被冠层的光合作用、蒸腾作用较为成功的模拟,得到了广泛的应用。3个模型都以光合作用-气孔导度-蒸腾作用耦合模型为基础,但又具有各自的特点。本文对3种模型的结构及特点进行了总结,并对其进行了比较,简要介绍了目前植被冠层尺度生理生态学模型的应用及存在的问题和发展状况。     

多组分植被方向反射系数的解析计算模型

基于植被介质中的辐射传输理论和几何光学原理,提出了一个计算非随机、多组分植被多波段、多角度反射光谱的综合解析模型.此模型以作者以前建立的叶冠层模型和多组分模型为基础,通过对任意空间取向植被组分对冠层“热点”效应贡献的定量计算及在多次散射系数的估算中考虑冠层所有组分的作用,全面、深入地概括了植被冠层的多种组分以及它们的几何结构和光学性质的空间变化对植被多角度反射光谱的影响。模拟与实测结果的比较得出:模型基本上能抓住多组分植被反射光谱的角度分布特征,模拟出叶冠层模型所不能得到的自然植被方向反射系数和冠层“热点”效应的非对称性分布.模型的模拟结果表明,冠层“热点”效应在冠层组分的平均倾角约20°时达最大,然后随平均倾角的增大,“热点”效应明显减弱.     

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.     

人体骨骼肌肉层对心电传导和体表电位标测的影响

应用电磁场数值计算方法求解三维心电图正问题,重点考察了人体骨骼肌肉层的各向异性导电性对心电传导的影响。推导了描述人类心电场的有限元模型和边界元模型,以及二者结合的形式,并在一个包含异性导电肌肉层的三维人体模下进行了模拟计算。     

鹤山南亚热带草坡生态系统的热量平衡

本文以广东鹤山丘陵综合试验站草坡为研究对象,分析了鹤山南亚热带草坡的能量平衡特征,主要结果如下：1．辐射平衡的各分量中,蒸发散耗热占净辐射的74.7％,其年变化幅度较大;湍流热通量占净辐射的21．2％,其月变化没有明显的规律,波动较大,土壤热通量与其它分量相比,其比重要小得多。2．虽然鹤山年幅射量和降雨量较多,但水热条件有几个月配合欠佳,使得草坡的净辐射能有90％以上用于地面以上植被和空气湍流交换所消耗,小气候条件较差,影响了这一生态系统的生产潜力的发挥。3．太阳辐射透过大气层以后,仅有4775．2MJm-2a-1左右的辐射能到达草坡,草坡反射了822．5MJm-2a-1,其净幅射收人为2915．6MJm-2a-1,净辐射收人中又有2077．8MJm-2a-1用于蒸散作用,618.1MJm-2a-1用于湍流热交换,87．5MJm-2a-1用于土壤热交换,植被贮热约38.8MJm-2a-1;用于净光合作用耗热93．4MJm-2a-1。     

人体骨骼肌肉层对心电传导和体表电位标测的影响

应用电磁场数值计算方法求解三维心电图正问题,重点考察了人体骨骼肌肉层的各向异性导电性对心电传导的影响。推导了描述人类心电场的有限元模型和边界元模型,以及二者结合的形式,并在一个包含各向异性导电性肌肉层的三维人体模型下进行了模拟计算。讨论了骨骼肌肉层在不同的肌肉纤维方向组合下的胸腔模型,以及纤维的各向异性导电性对体表电位图的影响     

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