广东龙门地区草地下垫面地表辐射和能量平衡观测和分析

 利用2009年9月-2010年1月在广东省龙门县收集的涡动相关观测资料,比较了广东龙门地区草地下垫面秋、冬季不同天气条件下的地表通量特征。发现地表辐射平衡分量和能量平衡分量都存在明显的月际变化。典型晴天下辐射通量除长波辐射外均表现为标准的单峰日循环形态。在阴、雨天,辐射通量日变化曲线波动大,出现双峰甚至是多峰的形态。地面长波辐射略大于大气长波辐射,两者的差值在雨天、阴天、晴天依次增大。在辐射平衡中,地面长波辐射贡献最大,大气长波辐射次之,再依次为太阳短波辐射、净辐射和反射辐射。与晴天相比,阴天潜热、感热均减少。与秋季相比,冬季潜热减少,感热增加。在晚上存在负水汽输送现象。降水天里地热流量全天为负值,土壤从深层向地表释放热量。无论晴天还是阴天,地表和浅层土壤温度都表现为准正弦曲线。土壤温度的活动层基本在10cm土壤层内,各层土壤温度峰（谷）值出现的时间随着土层厚度增加而延迟,10cm以下土壤温度几乎无日变化特征,雨天时地面和浅层土壤温度呈下降趋势。各层土壤温度不仅跟天气状况有关,晴天高于阴天,还存在秋季地温度高于冬季的季节变化。     

茂兰喀斯特森林小果润楠蒸腾特征及影响因素

【目的】探究喀斯特森林优势树种小果润楠蒸腾特征及其影响因素,为进一步分析茂兰喀斯特原生林的水文生态过程及喀斯特地区森林的保护与生态修复提供科学依据。【方法】基于热扩散探针法和Campbell自动气象站,于2016年7月—2017年6月,对茂兰喀斯特森林优势树种小果润楠的蒸腾量进行了为期1年的连续监测。【结果】小果润楠蒸腾的日变化过程在各种天气条件下均呈典型的单峰型曲线,且呈明显的“昼高夜低”变化规律。晴天条件下,单木水平蒸腾速率日变化和叶片水平的光合速率、蒸腾速率日变化趋势基本一致。不同天气条件下的蒸腾通量为晴天(122.00 g/h)>阴天(76.06 g/h)>雨天(19.60 g/h),且差异极显著,晴天的日平均蒸腾通量是阴天的1.60倍,是雨天的6.22倍,阴天是雨天的3.88倍。各季节的单株日均蒸腾量依次为夏季[(1.86±0.22)kg/d]>秋季[(1.71±0.38)kg/d]>春季[(1.59±0.13)kg/d]>冬季[(1.07±0.39)kg/d],全年单木蒸腾量为570.31 kg,其中生长季蒸腾量(472.29 kg)占全年蒸腾量的82.81%,非生长季蒸腾量(98.02 kg)占17.19%。各季节的蒸腾量以夏季(171.65 kg)最高,其次是秋季(155.60 kg),春季(145.04 kg)较低,冬季(98.02 kg)最低,分别占全年蒸腾量的30.10%、27.28%、25.43%和17.19%。相关分析和回归分析结果表明,太阳辐射和水汽压亏缺与蒸腾速率均呈正相关。【结论】太阳辐射和水汽压亏缺为蒸腾主导因子,降雨对蒸腾多是抑制作用,而风速和不同深度的土壤水分对蒸腾的作用因天气和季节的不同而存在差异。     

3种土壤热通量计算方法对观测数据偏差的敏感性分析

基于干旱区均匀裸土下垫面的辐射观测数据和两组土壤观测数据,分别使用PlateCal法、谐波法和TDEC法计算了地表土壤热通量(G_0),发现不同方法计算的G_0差异达3%～11%.分析了3种方法所需输入数据(长波辐射、土壤温度、土壤含水量和土壤热通量)的观测偏差,其中5 cm土壤含水量的观测偏差较大(约20%～30%),长波辐射的观测偏差较小(约1%～2%).分析不同方法计算的G_0对观测资料偏差的敏感性,结果表明PlateCal法对5 cm土壤热通量和5 cm土壤温度的观测偏差较敏感,而谐波法和TDEC法对5 cm土壤温度的观测偏差最敏感.两组观测数据计算的G_0差异显著,PlateCal法、谐波法和TDEC法的差异分别为11%、20%和16%,主要是由计算方法所需输入物理量的观测偏差和计算方法对各物理量的敏感性共同决定的.     

绿洲-荒漠过渡带陆面温度与地表能量关系分析

 以实测气象资料为基础,通过波文比能量平衡法对芨芨草地地表能量进行计算,深入探讨了不同天气条件下陆面温度变化规律及其与地表能量的关系特征,建立了适合新疆准噶尔盆地东南部绿洲 荒漠过渡带的陆面温度预测模型。结果表明：① 受不同天气地表能量特征差异的影响,晴天表层土壤（5 cm、10 cm、15 cm）温度变化呈“S”型曲线,雨天与晴天相似,只是振幅减小,而阴天呈直线下降特征。其中,晴天表层土温峰值出现时间由地表向下呈现每5 cm 2.5 h的滞后性。不论何种天气,40 cm及其以下深层土温几乎没有日变化。② 各地表能量分量与表层土壤温度均表现出相关系数值随土壤深度的增加而不断减小,至20 cm负相关性达到最大。③ 各能量分量对土壤温度的影响程度表现为：土壤热通量（G）最大,其次为净辐射（Rn）和感热（H）,潜热（LE）最小。④ 除H外,不同天气条件下各能量分量与土壤温度相关性均表现为晴天>平均>阴天>雨天,土温对能量变化的反应强度（回归系数）也大体表现出相同的规律。⑤ 经过检验的陆面温度预测模型表明：湿热性能量因子（LE）对干旱区绿洲 荒漠过渡带陆面温度的影响微弱。     

天然温带草地CO2通量排放规律研究

以天然状态下(无牧、无施肥、无割草、无灌溉)内蒙古温带半干旱典型草原羊草草原为主要研究对象,利用静态箱法和气相色谱法进行草地田间CO2通量的原位观测实验.采用SPSS统计分析软件,研究分析了1998年5月至1999年5月,2001年至2003年,共4个实验观测年CO2通量的观测数据与主要的环境因子(土壤含水量、降雨量、空气温度、地表温度、不同土层温度)间的相关性.结果表明:温带草地土壤CO2排放通量具有明显的日变化特征,不同的生长状态对于其日变化特征具有明显的影响;主要的环境因子中只有表层土壤含水量与草地CO2排放通量的日变化具有显著的正相关性;草地CO2排放通量的季节变化显著而且不同的年份其变化特征也各不相同;降雨量的季节分布与其季节通量的变化特征间具有极显著的正相关性;4年的实验观测的统计分析表明:表层土壤含水量是温带半干旱草地CO2排放通量主要控制因子.CO2排放通量的年际变化不显著,以4年观测的平均年通量估算我国温带草地CO2年排放量是3.17 Pg,约占全球土壤CO2年排放量的1.23%,对于全球碳循环有着重要影响.     

天然温带草地CO2通量排放规律研究

以天然状态下（无牧、无施肥、无割草、无灌溉）内蒙古温带半干旱典型草原羊草草原为主要研究对象，利用静态箱法和气相色谱法进行草地田间CO2通量的原位观测实验.采用SPSS统计分析软件，研究分析了1998年5月至1999年5月，2001年至2003年，共4个实验观测年CO₂通量的观测数据与主要的环境因子(土壤含水量、降雨量、空气温度、地表温度、不同土层温度)间的相关性.结果表明：温带草地土壤CO₂排放通量具有明显的日变化特征，不同的生长状态对于其日变化特征具有明显的影响；主要的环境因子中只有表层土壤含水量与草地CO₂排放通量的日变化具有显著的正相关性；草地CO₂排放通量的季节变化显著而且不同的年份其变化特征也各不相同；降雨量的季节分布与其季节通量的变化特征间具有极显著的正相关性；4年的实验观测的统计分析表明：表层土壤含水量是温带半干旱草地CO₂排放通量主要控制因子.CO₂排放通量的年际变化不显著，以4年观测的平均年通量估算我国温带草地CO2年排放量是3.17Pg，约占全球土壤CO₂年排放量的1.23%，对于全球碳循环有着重要影响.     

基于人工神经网络的不同植被类型蒸散量时空尺度扩展

基于通量网中23个站点下草地、农田、郁闭灌丛、落叶阔叶林、常绿针叶林、开阔灌丛、湿地7种植被类型2001-2007年气象和潜热数据,运用人工神经网络方法进行潜热通量/蒸散量的不同时空尺度的模拟,以期探究模型输入因子重要性及对人工神经网络法在蒸散发估算中时空尺度外推能力进行验证.结果表明:以温度、相对湿度、太阳辐射、土壤含水量、归一化植被指数、风速、土壤热通量为主的输入因子对不同植被类型蒸散量的影响程度不同:太阳辐射对各植被类型影响都相对较大,风速的影响与植被类型有关,归一化植被指数对植被生长期影响有差异;蒸散量模拟效果具有较大的时空异质性,时间尺度上的模拟效果比空间尺度上的好.其中,草地与农田的模拟效果最好.模拟结果中纳什系数多为0~1,个别小于0,模拟结果与观测值的相关系数均在0.6以上.基于人工神经网络法的潜在蒸散估计可以进行一定的区域外推,模拟效果的好坏受控于局地的气候状况.     

HUBEX试验期间淮河流域陆面过程特征的初步分析

通过分析淮河流域能量与水份循环试验(HUBEX)1998～1999年巡回通量观测资料,发现在半湿润季风气候区,对于地表能量平衡而言潜热和感热通量在大多情况下是同等重要的,对于旱地和水田潜热甚至更主要,这与干旱、半干旱地区感热占主导地位完全不同.在晴空条件下,各层土壤温度均表现出一定的日变化特征,且其变化幅度随深度递减,在60cm深处温度日变化已减弱到1℃以下.另外60cm深度也是土壤含水量变化的转折点,因此在该区域可近似把60cm深度作为临界层.同时该流域土壤含水量的垂直廓线随天气背景和土壤类型的不同而不同,且在蒋集站6月份明显存在最大土壤含水量层.     

土壤水分对温带典型草地N2O排放过程的影响

利用不同年份(1995,1998,2001年)野外原位实验观测数据并结合实验室内模拟培养实验结果,分析土壤含水量对于温带典型草原(羊草草原)土壤N2O排放通量的影响,结果发现:土壤含水量与羊草草原土壤N2O排放通量间存在阶段函数关系,在土壤含水量较低,而且土壤水分变化频繁和显著时,通常会有N2O通量峰值的出现;研究不同的土壤含水量对于土壤N2O排放过程和相关微生物菌群数量变化的影响,室内模拟培养说明:土壤水分含量对于N2O的产生过程有着重要的影响,土壤水分含量较低时,可能会改变土壤微生物的代谢途径,导致作为大气N2O源的半干旱草原土壤在出现阶段性的N2O吸收.     

木麻黄人工林生态系统土壤呼吸的日变化

在福建惠安选择不同发育阶段(幼林、中林和成熟林)的木麻黄防护林作为研究对象,用LICOR-8100Automated Soll CO2 Flux System法进行了土壤呼吸、温度、气温和水分的日动态测量.测定结果表明:不同林龄木麻黄纯林气温、地表温度、5cm土壤温度、土壤表层含水量等气象因子和土壤呼吸的日动态都呈单峰曲线,但峰值出现的时间不同;土壤温度和水分是影响土壤呼吸的关键因子,因此夏季呼吸速率大于冬季.     

三江平原小叶章湿地土壤的CO2通量

采用密闭箱动态测量法对三江平原小叶章典型湿地土壤CO2通量进行了研究.结果表明,小叶章湿地土壤CO2通量有明显的季节变化和日变化,并且呈现出一定的规律性.7～10月,土壤CO2通量呈现出季节变化的单峰模式.在1d的观测期间,土壤CO2通量从早晨开始增大,到午后达到极大值,后逐渐降低到第2天凌晨达极小值,然后又开始增加.研究同时表明小叶章湿地土壤CO2通量的主要影响因素为地温(相关系数为0.7699).而因湿地环境土壤水分充足,土壤含水量对土壤CO2通量的影响不明显,当土壤水分不成为限制因素时,土壤CO2通量与土壤温度呈正相关.根据测量结果,小叶章湿地土壤CO2通量在整个测量期间的变化范围为0.208～1.265g/(m2*h),平均水平为0.619g/(m2*h).     

6种城市下垫面热环境效应对比研究

选择6种具有代表性的城市下垫面(沥青路面、水泥路面、荷兰砖地面、草地、嵌草砖地面、大理石地面)作为观测对象,基于热红外成像技术对其地表温度特征进行观测,系统分析不同城市下垫面地表温度的日变化以及季节变化特征,并利用不同下垫面温度的时间标准差、空间标准差及时空数据标准差定量揭示城市不同下垫面地表温度的时空变化特征,对比研究不同下垫面的热环境效应,结果如下。1)不同下垫面地表温度的日变化一般呈先上升后下降的单峰形态,草地地表温度在不同季节的日变化波动差异较大。沥青的地表温度在全年均为最高,对热环境的影响较大;嵌草砖和大理石在全年的温度均较低,对热环境具有较好的缓解作用,且缓解作用在夏季最显著。2)不同下垫面地表日均温度全年均高于大气温度,表明城市下垫面对大气在一年中都有加热作用。3)气温、太阳辐射以及空气相对湿度对下垫面地表温度的影响均较为显著;气温和太阳辐射与下垫面地表温度之间呈正相关关系,对下垫面以增温作用为主;空气相对湿度与下垫面地表温度之间呈负相关关系,对下垫面增温起抑制作用。4)嵌草砖的热环境稳定性较草地和大理石要好;沥青路面的温度变化特征最能代表本研究观测区域下垫面地表温度的时空变化特征。研究结果对了解城市不同下垫面热环境具有一定参考意义,可为缓解城市热环境提供科学依据。     

北京西山典型侧柏人工林热量平衡研究

热能是水分在森林生态系统中运动的主要驱动力之一,研究热量平衡有助于理解森林水文过程和森林生态系统水量平衡等问题.本研究选取北京西北部山区的典型侧柏人工林为研究对象,利用建立的气象塔和波文比系统观测热量平衡的各个分量.通过研究发现以下规律:(1)各个热量平衡分量一般都表现为净辐射＞潜热通量＞显热通量＞土壤热通量;(2)显热通量和潜热通量在夜晚为负值,在白天随着太阳辐射的增强而逐渐增强,在中午达到峰值;显热通量和潜热通量都在夏季最大,而秋季和冬季逐渐减弱,土壤热通量在日变化遵循相似的规律,但是秋冬季节始终为负值;(3)生长季生态系统所接受的净辐射绝大部分用于潜热交换和显热交换,而非生长季净辐射绝大部分用于潜热交换;(4)北京西山典型人工林热量不平衡状态是长时间存在的.热量平衡方程出现了一定的差值,这部分差值有着与净辐射相似的变化规律.通过分析北京山区热量平衡状态,表明总体上北京山区人工林是一个水汽源,显热汇.     

塔里木河中下游胡杨群落土壤碳通量日变化研究

为了探讨塔里木河中下游胡杨群落土壤呼吸的日变化特征，分析其与环境因子的关系，采用LI—8100对乌斯满、阿其河、英苏和喀尔达依断面的胡杨群落土壤碳通量和距地表10cm气温进行连续的日变化野外监测，比较土壤碳通量与土壤含水量的关系，采用SPSS13.0进行非线性回归分析.研究结果表明：（1）当距地表10cm气温达到30℃时，土壤呼吸受到抑制；（2）各个断面胡杨群落的土壤呼吸速率的差异显著程度不一致，总体来说，土壤水分状况较好的乌斯满断面土壤碳通量较大，而阿其河、英苏和喀尔达依断面的土壤碳通量较小；（3）土壤碳通量与距地表10cm气温之间也适合指数模型，乌斯满、阿其河、英苏和喀尔达依4个断面的Q10值分别为0.61，0.16，0.22，0.35，远低于世界平均水平；（4）土壤碳通量与土壤含水量之间呈显著的正相关关系，适合指数模型.     

天气状况对富营养化池塘水-气界面冬季二氧化碳通量的影响

为揭示富营养化浅水池塘冬季不同天气状况的昼夜性温室气体通量特征,利用静态浮箱法连续7d监测了宜昌市富营养化池塘冬季水-气界面昼夜性CO_2通量,7d内的天气状况各异,包括晴天、阴天和雨天,能较好的代表冬季池塘通量特征.观测点在7d内的平均CO_2通量为7.09mg·m~(-2)·h~(-1);单日CO_2通量最大为11.26mg·m~(-2)·h~(-1),最小为-3.20mg·m~(-2)·h~(-1).阴雨天CO_2的排放通量为9.76mg·m~(-2)·h~(-1),约是晴天的两倍,且全天CO_2均呈向大气排放状态.晴天时CO_2通量在冬季表现为极弱的排放,3d平均通量约为3.76mg·m~(-2)·h~(-1),白天水体表现为CO_2的汇.在观测期间内CO_2扩散通量昼夜性变化明显,晴天时扩散通量与水温、叶绿素、溶解氧、pH呈显著负相关,与气压呈正相关,水体中的藻类等浮游植物在晴天的光合作用强度大于呼吸作用,导致在白天(10:00~18:00)池塘表现为吸收大气中的CO_2.阴雨天气通量与气温、水温呈负相关,与溶解氧、叶绿素、风速、气压呈显著正相关.不同的天气状况下环境因子昼夜性变化,导致了气体通量的昼夜性变化特征.     

环境因子对沙坡头人工植被区碳通量的影响

基于腾格里沙漠东南缘沙坡头人工植被区涡度相关通量观测数据,对人工植被区碳通量及环境因子进行分析.研究表明:碳通量的月均日变化和季节变化趋势明显.该生态系统在生长季(4-10月)各月均为碳汇,6月份碳吸收最多,日吸收量最大值也出现在6月份.由于遭遇严重干旱、持续高温、强辐射和大饱和水汽压差,使叶片的气孔阻力较大,抑制了植物的光合作用,盛夏7月净生态系统CO_2交换量较相邻月份小.采用通径分析方法解析了光量子通量密度、净辐射、饱和水汽压差、空气温度、空气相对湿度、5 cm土壤温度、5 cm土壤含水量和风速等环境因子与碳通量的关联性,结果发现白天碳通量的影响因子以光量子通量密度和饱和水汽压差为主,光量子通量密度是影响净生态系统CO_2交换量的最主要因子,饱和水汽压差次之.光量子通量密度与碳通量呈直角双曲线的关系,净生态系统CO_2交换量随光量子通量密度的增加而减小,但当饱和水汽压差大于1.5 kPa时,这种减小关系的程度有所减弱.不同月份的光响应模型参数光饱和时的最大光合速率、表观初始光能利用率和白天生态系统暗呼吸速率不同,三者的最大值都出现在6月份.夜间生态系统呼吸的主导因子为空气温度,次要因子为5cm土壤含水量.当土壤干旱(土壤含水量小于3.5%)时空气温度超过21.25℃后会降低夜间生态系统呼吸速率.     

非晶硅薄膜太阳能电池热模型的模拟与实验研究

为了研究柔性非晶硅薄膜太阳能电池(a-Si PV)在晴和多云天气下的温度值,基于能量守恒法建立了a-Si PV的光热模型,考察了各部分参数取值,编写了微分方程的求解程序,并设计研制了一套实验模型进行验证.实验结果表明:a-Si PV电池的温度受日照辐射强度的影响最为显著;安装角度和环境温度也在一定程度上影响a-Si PV的温度值;晴天时的温差大于多云天气下的温差.实测值与模拟值对比表明:该模型可以准确模拟PV温度在晴和多云天气下的变化;数值结果与实验结果最大差值为3.9°C,主要原因是多云天气日照辐射强度的波动性和PV材料热容引起的热响应时滞.建立的a-Si PV热模型考虑了主要的影响因素,可较为准确地得到在晴和多云天气下的温度变化.     

茂兰喀斯特原生林细叶青冈树干液流环境响应特征

【目的】研究喀斯特森林细叶青冈树干流特征及其与环境因子的关系。【方法】基于热扩散技术的液流探针和Campbell自动气象站,测定了贵州茂兰地区2012年3月至2014年2月喀斯特原生细叶青冈林(Cyclobalanopsis gracilis)的树干液流和气温、降水等环境因子。分析液流速率在不同天气(晴天、阴天和雨天)、不同季节条件下的变化过程及特征,及其对环境因子的响应。【结果】整个观测期内,青冈日平均液流速率(5.78±0.19)g/(m²·s),不同天气日平均液流速率(g/(m²·s))依次为:晴天(10.35)>阴天(3.28)>雨天(3.16)。青冈日平均液流通量(3.37±0.11)kg/d,阴天和雨天日液流通量分别仅为晴天(6.03 kg/d)的31.7%和30.6%。各季节的日平均液流速率(g/(m²·s))表现为:夏季(8.28±0.38)>秋季(6.75±0.38)>春季(6.11±0.34)>冬季(1.91±0.15)。空气相对湿度(RH)与液流速率呈负相关,光照、饱和水汽压差(VPD)、气温(Ta)、土壤含水量等与液流速率呈正相关。【结论】在不同天气条件或季节,各环境因子对液流速率的影响程度不同。光照、VPD、RH、Ta是影响细叶青冈液流速率最主要的因子,土壤轻度干旱对细叶青冈液流速率没有影响。     

分析光伏电站输出特性的云遮挡太阳辐射模型

针对云层运动对于太阳辐射的影响,提出一种结合晴天太阳辐射模型与云层运动方程组的云遮挡太阳辐射模型(SRMCI).首先,将云层运动的Navier-Stokes方程组及热力学方程进行差分后运用于耦合映射格,并结合美国采暖、制冷与空调工程师学会制定的晴天太阳辐射模型,引入水云对于太阳辐射的衰减因子,最终建立SRMCI模型.将SRMCI模型的结果作为某50 MW光伏电站的波动性输入,分析电站的输出功率的随机特性,仿真结果表明:SRMCI模型可模拟云层运动对于光伏电站的影响;50个含不同波动幅度大小的单元输出功率经过整合后,光伏电站总输出功率波动得到了抑制;云对电站总输出功率的衰减约为17.7％,电站总输出功率波动幅度约为单元输出功率平均波动幅度的10.8％.     

一次暴雨天气对陆面参数扰动的敏感性数值影响

为检验暴雨天气过程对地表参数扰动的敏感性,应用WRF2.2,给定其中的NOAH陆面模式参数(地表反照率、地表粗糙度、最小叶孔阻抗、土壤最大容积水含量)一系列初始扰动,模拟了2007年7月7～9日的南京暴雨过程.试验结果表明,此次暴雨天气过程对陆面参数的扰动比较敏感,尤其是对土壤最大容积含水量以及地表反照率扰动的影响更为明显.陆面参数的扰动首先改变感热、潜热、动量等通量,更主要的是通过陆气相互作用,改变大气底层水汽输送的环流形势,从而对暴雨强度和范围产生重要影响.