低丘红壤区农田水热通量变化特征及气候学足迹

农田水热通量的变化特征以及气候学足迹分析对加强区域气候资源管理和提高红壤地区水热资源利用率有重要意义.利用低丘红壤区的大孔径闪烁仪和自动气象站数据,在保证数据质量的基础上,详细分析了低丘红壤区农田在非雨季、作物生长旺期不同时间尺度水热通量的变化特征和观测通量的源区分布特征.结果表明: 水热通量的日变化呈单峰型,但与晴天相比较,多云天的日变化曲线波动更为复杂;无论是旬尺度还是月尺度, 8月的水热通量整体上都大于9月,且净辐射通量都更多地用于潜热交换,但9月潜热通量所占净辐射比例相较于8月有所减少,感热通量则相反;受气象条件(尤其是风)、稳定度和下垫面状况影响,不同时间尺度的观测通量源区特征不同;结合下垫面作物来看,不同时间尺度源区的通量贡献来源也不同.     

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.     

科尔沁温带草甸能量平衡的日季变化特征

利用2011年9月—2012年10月涡度相关数据和气象观测资料,对科尔沁温带草甸能量平衡的日季变化特征进行分析.结果表明:研究区涡度相关系统全年的能量平衡闭合度为0.77,不同时期能量平衡闭合度的大小顺序为:生长季裸土期积雪期.能量平衡各分量日变化均呈单峰曲线形式,净辐射日变化峰值出现在12:00前后,其余分量的峰值出现时间都稍有滞后.净辐射季节变化呈单峰曲线形式,年平均值为5.71 MJ·m-2·d-1.潜热通量季节变化趋势与净辐射相似,年平均值为2.84 MJ·m-2·d-1.感热通量季节变化呈双峰曲线形式,峰值分别出现在4月和9月,年平均值为1.87 MJ·m-2·d-1.土壤热通量的最大值(3.47 MJ·m-2·d-1)出现在4月,9月以后开始转为负值.全年能量平衡各分量收支比例的大小顺序为:潜热通量感热通量土壤热通量,潜热通量、感热通量和土壤热通量分别占净辐射的49.8%、35.8%和3.1%.全年波文比的季节变化近似"U"型,平均值为1.61;生长季数值较小且较为平稳,平均值为0.18;非生长季数值较大且波动较大,平均值为2.39.     

新疆艾比湖流域干旱荒漠区湿地地表能量收支特征

利用新疆艾比湖湿地国家级自然保护区通量塔2012年观测数据,比较了流域内荒漠区湿地地表典型日、季节尺度上的能量收支特征,揭示辐射通量、潜热通量、感热通量以及土壤热通量的变化规律、不同季节的能量闭合程度和能量残余累积特征。结果表明:艾比湖流域干旱荒漠区湿地四季典型日能量平衡各分量均表现为昼高夜低、正午高凌晨低的单峰曲线,春季感热通量为主要耗能方式,夏、秋、冬季潜热大于感热;年尺度上潜热通量整体呈春夏增长、秋冬降低,夏季波动较大的趋势,水分是决定感热和潜热通量配比的关键因子;荒漠区湿地地表能量残余量每日变化特征具有显著的时段性,春、夏、秋、冬日平均能量残余量分别为17.77、4.19、171.99和-12.81 W·m~(-2),而季节尺度上能量残余量排序为:冬季春季夏季秋季;相比于干旱区其他下垫面类型,荒漠区湿地潜热通量在能量支出中均占比较高(生长季,LE/R_n=0.803;全年,LE/R_n=0.698),同时其波文比小于干旱区平均水平。     

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。     

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。     

热储通量对黄土高原北部柠条林地地表能量平衡的影响

地表能量平衡问题一直是陆面过程研究中的重点和难点问题。以2014年8—10月和2015年4—6月黄土高原北部水蚀风蚀交错带柠条林地涡度相关通量观测数据为依据,分析柠条林地热储通量变化特征,在此基础上分析热储通量对能量闭合度的影响。结果表明,柠条林地各热储通量均表现出明显的季节和日变化规律。在能量平衡方程中,考虑热储通量项后能显著提高柠条林地能量闭合度,平均提高幅度为11.91%。其中,土壤表层热储通量对能量闭合度的贡献最大,占总热储通量的95.63%;光合作用热储通量和大气感热存储通量占总热储通量的比例不足5%,光合热储通量略高于大气感热存储通量;而大气潜热存储通量则降低了能量闭合度,平均降低幅度为0.06%。因此,在分析黄土高原柠条林地能量平衡中热储通量项是不可忽略的。影响柠条林地各热储通量的因素主要有太阳辐射、大气温度、土壤温度和水分。植被生长状况是影响柠条林地热储通量各分量项季节和日变化的重要因素,并对能量闭合度产生影响。     

用光合-蒸散耦合模型模拟冬小麦水热通量的日变化

从SPAC理论出发,建立了一个冬小麦光合和蒸散的耦合模型．感热通量和潜热通量采用Shuttleworth-Wallace的双层模型计算,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,观测了感热通量和潜热通量,对模型进行了验证．结果表明,模拟值与观测值比较一致,模型可以很好地模拟感热通量和潜热通量的日变化过程．对模型的敏感性分析发现,冬小麦蒸腾比较敏感的参数有凋萎点、气孔导度参数、叶对红外辐射的反射率和光响应曲线凸度;土壤蒸发只对土壤阻力参数的敏感性较强．本模型对水热通量与环境因子作用过程的理论研究和指导农田的灌溉制度等有一定的意义．     

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％．     

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．     

宁南半干旱地区农田和草地生态系统能量通量的季节变化

根据2002~2003年宁南山区不同下垫面小气候考察资料,用能量平衡法计算了不同下垫面不同季节的感热、潜热通量。分析结果表明:(1)宁南半干旱地区夏季农田和草地的净辐射峰值可达到700W/m2以上,土壤热通量的值比净辐射小1个量级。同类下垫面净辐射通量日积分值夏季>春季>秋季>冬季。(2)宁南半干旱山区感热输送强度以典型草地的最大,其次是禁牧草地,稀树草地的最小。春季各类下垫面地表热量平衡以感热输送为主。在春、夏、秋季的晴天,感热通量日积分值为正,冬季为负。(3)农田在夏、秋季、冬季水汽输送大于各类草地的,其次是稀树草地的,典型草地向上的水汽输送量是最小的。夏季白天农田β在0.2~0.7,稀树草地β为0.2~1.0,能量输送以潜热为主。禁牧草地β为0.2~9.2,典型草地为1.5~13.1,能量输送以感热为主。(4)宁南半干旱地区宜退耕,发展典型草原,在水分充足的山地背阴坡少量发展稀树草地。     

西北干旱荒漠绿洲区葡萄园水热通量特征及其主要影响因素

为提高干旱绿洲区农田地表过程的科学认识及改善农业水管理，该研究基于涡度相关技术，运用葡萄园生长季能量平衡观测资料，分析了不同时间尺度的水热通量变化特征，以及干旱平流和冠层导度(G_c)在不同生长阶段上对水热通量的影响，并应用通径分析研究了环境因子对潜热通量(LE)的影响路径和程度。结果表明：(1)日尺度上，LE呈现出不同程度多峰状，其余水热通量总体上呈单峰状。整体上，各生长阶段日间净辐射(R_n)>LE>感热通量(H)>土壤热通量(G)。G相较于R_n呈现出明显的滞后现象。(2)整个生长季上，LE和H分别占白天可利用能量(R_n-G)的86%和14%,表明LE始终是白天葡萄园可利用能量的主要消耗项。干旱平流对白天LE的贡献范围为5%～59%,全生长季平均贡献为28%;G_c对LE的影响在生长季上呈动态变化，且在新梢生长期和落叶期对LE的影响强于中间生长阶段。(3)LE主要受R_n的影响，饱和水汽压差(VPD)和气温(T_a)对LE...     

建筑三维空间形态对地气能量动态、空气温度和相对湿度的影响

建筑对城市能量分配和微气候起着重要作用,探讨建筑三维空间形态与地气能量/微气候关系对气候适应性城市建设具有重大意义。基于ENVI-met的多情景模拟结果和增强回归树量化了建筑三维分形维数和三维形状指数对地气能量指标(净辐射、土壤热通量、建筑储热、感热通量和潜热通量)、空气温度和空气相对湿度的影响。研究结果表明,建筑三维分形维数、三维形状指数与地气能量动态、空气温度和空气相对湿度存在非线性关系。白天,当三维分形维数高于2.4,或三维形状指数低于2.0时,随着三维分形维数或三维形状指数的增加,三维分形维数和三维形状指数与净辐射、土壤热通量、建筑储热、感热通量、潜热通量和空气温度呈现统计负相关。夜间,当三维分形维数高于2.4,三维分形维数与感热通量和空气温度呈现负相关;与土壤热通量和潜热通量呈现正相关。夜间,当三维形状指数小于2.0时,三维形状指数与空气温度、空气相对湿度呈现负相关。当三维形状指数在2.0—2.5时,三维形状指数与感热通量、潜热通量呈现负相关;当三维形状指数高于2.5时,三维形状指数与感热通量、潜热通量不存在统计关系。白天,建筑三维分形维数的增加,净辐射、土壤热通量、建筑储热...     

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。     

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.     

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。     

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％.     

基于变分方法的内蒙古典型草原水热通量估算

利用内蒙古典型草原生长季(2004年8月13～18日、2005年5月21～26日)和非生长季(2004年12月10～15日)共18 d的涡动相关系统观测资料(10 Hz输出1次)和小气候梯度系统在线输出资料(0.5 h输出1次),分析了变分方法对草原陆气通量估算的准确性.结果表明,变分法估算的感热与潜热通量与涡动相关法观测结果的变化趋势较为一致,且能量闭合程度更高.变分法计算的感热通量在白天明显地较涡动相关法得到的通量值高,12:00前后两者通量都达到峰值,两者之差也达到峰值,而夜间则较为接近;变分法计算的潜热通量曲线的相位略微落后于涡动相关法的通量曲线,且夜间的涡动相关法测得的潜热通量负值极少,负值通量的绝对值也很小.这表明夜间大气稳定导致涡动相关法存在一定程度的通量低估现象.变分法与波文比能量平衡法对陆气通量的估算比较表明,变分法可避免能量平衡法计算不稳定导致的虚假峰值现象,计算结果较为稳定.     

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。     

华北平原玉米田能量平衡、水分利用效率和表面阻力分析

根据华北平玉米田的观测结果,分析了地表／大气能量转化传输特征。结果表明,在作物生育期内,地表能量平衡过程受下垫面特征影响很大。潜热通量是地表／大气热量交换的主要分量;玉米生长的后期有热平流输入,日平均显热通量转为负值。表面阻力在生育期早期和后期较大,而在中期较小,显示了表面阻力对地表覆盖变化和叶片衰老的响应。农田水分利用效率在生长季呈逐渐增长的趋势。