2013-2020年海河流域农田水热碳通量及气象要素观测数据集

本研究以海河流域官厅水库旁农田生态系统为研究对象,采用蒸渗仪、涡动相关仪、大孔径闪烁仪和自动气象站/气象要素梯度等观测系统,开展农田生态系统多尺度通量和气象要素的长期定位观测。本数据集由多尺度通量(米,百米,公里级)和气象要素数据组成,观测项目包括生态系统净碳交换量、潜热通量/蒸散发、感热通量、空气温度、空气相对湿度、风速、风向、向下/上短波辐射、向下/上长波辐射、净辐射、大气压、降水、红外辐射温度、光合有效辐射、土壤温度、土壤水分、土壤热通量、平均土壤温度等。本数据集经过了严格的处理和质量控制,可用于研究水库消涨对周边生态系统碳水等物质和能量的循环带来的影响,也可为相关遥感模型或过程模型等研究提供有力的数据基础。

“互联网+教育”视角燃料电池专业课程建设

燃料电池专业课程具有知识点多、理论与实践并重等特点,对学生的要求较高。目前,燃料电池专业教学存在师生互动少、教学体系不够完善、教学资料缺乏系统性等问题。“互联网+教育”可灵活应用现代化信息技术解决燃料电池专业课程教学中的问题,提升教学质量,为院校培养出高质量复合型专业人才。基于“互联网+教育”模式对燃料电池专业课程提出建设策略,包括课程内容设计、虚拟仿真平台建设、指导答疑系统开发以及线上-线下实践平台的搭建等。

我国生态环境监测网络体系发展研究

生态环境监测是生态环境保护的重要基础,将在构建从山顶到海洋的保护治理大格局中发挥关键作用;我国虽建成规模庞大、要素齐全、布局合理的生态环境监测网络,但不足以满足减污降碳、生态保护与修复、气候变化应对等新时期国家重大需求。本文全面阐述了我国生态环境监测网络体系的发展需求,从生态环境监测网络、生态环境监测技术与装备、生态环境监测指标、生态环境监测应用等方面梳理了相关体系的发展现状,进一步凝练了一体化生态环境监测网络缺失、自主先进的协同监测装备缺乏、指标研发滞后且数据处理与共享不足、一体化协同及保障机制缺乏等问题。论证提出了生态环境监测网络一体化、生态环境监测技术与装备自主化、生态环境监测指标体系一体化、生态环境监测网络应用一体化等我国生态环境监测网络体系的重点任务,构建从山顶到海洋、“天空地海”一体化生态环境监测体系,推进生态环境监测装备的自主研发与应用,建立新型生态环境监测标准、技术与服务体系,保障一体化生态环境监测网络体系健康发展,启动科技重大项目与示范工程并率先开展典型区域监测应用等我国生态环境监测网络体系发展建议。相关内容可为我国“天空地海”一体化生态环境监测网络体系的研究、建设、应用等提供参考。

涡动相关仪观测数据的处理与质量评价研究

涡动相关仪能够较准确地直接测量地表—大气间的湍流交换,在世界范围内得到了广泛的应用。但它的使用是有条件限制的,如果不进行必要的修正,得到的通量就可能有较大的误差。以密云观测站一年的涡动相关仪观测数据为例进行分析。结果表明:野点值剔除、坐标旋转以及超声温度订正对地表感热、潜热等通量的测量结果影响均在±1%之内,但坐标旋转对动量通量影响较大,必须对潜热和CO2通量进行空气密度效应订正;湍流谱在惯性副区基本满足-2/3次方定律,协谱基本满足-4/3次方定律。经过对观测数据的筛选和处理后,约75%的观测数据质量较好,2%的数据需要剔除。通量贡献源区分析表明,全天和白天均有超过70%的通量源区落在感兴趣区域内,超过90%的通量贡献最大点落在感兴趣区域内。

涡动相关仪观测蒸散量的插补方法比较

涡动相关仪在长时间连续观测中，观测数据会有不同程度的缺失。应用6种不同的插补方法（平均昼夜变化法MDV，非线性回归方法NLR，动态线性回归方法DLR，查表法LUT，FAO．PM方法，HANTS方法）对北京密云站2007年涡动相关仪观测蒸散量数据进行了插补。结果表明：LUT方法在不同数据缺失时均得到较好结果（均方差小于8W／m^2）；MDV和NLR方法更适合于短时间数据缺失的插补；DLR和FAO—PM方法在观测数据出现连续波动时插补结果较差。由LUT、DLR、NLR、HANTS、FAO—PM方法得到的年蒸散量分别为395．8mm、409．9mm、393．5mm、390．7mm、399．4mm，差异在2．3～19．2mm之间变化。对比分析了LUT方法得到的年蒸散量（潜热通量）与净辐射、降水量以及LAS观测潜热通量间的变化规律，表明插补结果合理。

华北平原冬小麦总初级生产力的遥感监测

该文以华北平原冬小麦为研究区,验证MODIS-GPP产品数据在下垫面复杂的农田生态系统的适用性,及农田生态系统的碳源/汇功能。首先采用MODIS-NDVI产品数据,根据冬小麦物候特征,解译出冬小麦种植面积;然后与经过验证并校正后的MODIS-GPP产品数据估算华北平原冬小麦2010年生长季内的GPP总量;最后,由涡度相关实测数据估算出冬小麦的生态系统呼吸量(RE)和净生态系统生产力(NEP)。结果显示:MODIS-NDVI解译出的冬小麦面积结果与TM解译结果的用户精度高达90.6%,总体精度达87.2%;MODIS-GPP产品数据与涡度相关数据估算结果的复相关系数高达0.9227;2010年华北平原冬小麦生长季GPP约为6.24×108kgC,约占该区所有植被GPP的21.3%;华北平原冬小麦固碳能力较强,净生态系统生产力(NEP)占GPP的58.7%。研究表明,MODIS-GPP产品数据满足华北平原冬小麦GPP统计精度需求,冬小麦生态系统对陆地生态系统起到了重要的碳汇功能。

涡动相关仪和大孔径闪烁仪观测通量的空间代表性

在对涡动相关仪和大孔径闪烁仪足迹模型进行敏感性分析的基础上,利用北京密云站2006年8月至2007年12月期间的观测资料,应用足迹模型对观测通量的空间代表性做了初步的分析。结果表明:涡动相关仪和大孔径闪烁仪的源区对风向、Monin-Obukhov长度,空气动力学粗糙度和观测高度/有效高度等因子比较敏感。密云站涡动相关仪的源区白天主要分布在仪器的西南与南面,而夜间则在东北与北面。大孔径闪烁仪的源区为西南—东北向分布。涡动相关仪各月源区形状不同,但大致分布在南北长1000 m、东西宽850 m的范围内,而LAS各月源区为西南—东北向分布,长约2060 m,最宽处约为620 m。对涡动相关仪通量有贡献的下垫面主要为园地(67%)和耕地(19%)。其中园地的通量贡献比例在夏、秋季比较大,冬、春季稍小,而耕地则相反。大孔径闪烁仪的主要通量贡献源区为园地、耕地和居民地,通量贡献比例分别为49%,28%和11%。其中园地和耕地通量贡献率的变化趋势与涡动相关仪的观测结果一致,但没有涡动相关仪的变化明显。

非均匀下垫面湍流通量观测的印痕分析

利用2005年在北京昌平区小汤山开展的非均匀下垫面观测实验的观测数据,分别处理了涡旋相关法和大孔径闪烁仪LAS测得的感热通量,并运用印痕模型对数据进行"源区"分析。分析结果表明:在复杂地表上,涡旋相关的测量值由于混杂了其他下垫面的通量信息,不能真实地反映其观测区域的湍流特征,存在着观测误差。而LAS观测出现的低估问题则与掺混高度和"源区"有关。通过用印痕方法进行数据订正后,以上问题均得到很好的改善,订正结果与LAS观测通量的线性关系良好,两者的相关系数达到0.9。实验结果验证了印痕模型在非均匀下垫面的适用性。

不同下垫面大孔径闪烁仪观测数据处理与分析

大孔径闪烁仪是近年兴起的测量大尺度(500 m^10 km)地表通量的仪器。北京师范大学等单位分别于2002年、2004年在北京昌平小汤山开展了大孔径闪烁仪短期观测实验,2006年6月又在北京密云建立了长期观测站。利用这些数据,对大孔径闪烁仪观测数据进行处理与分析,结果表明:闪烁仪光径高度和风速是影响观测显热通量的关键因子。当地表粗糙元的高度变化相对于光径高度不可忽略时,零平面位移需要精确确定。波文比在湿润地表需要准确确定,而气温、气压和动力学粗糙度则为不敏感因子。计算中所需的大气稳定度可用理查孙数判断,也可借助日出日落时间或净辐射观测值确定。稳定条件下的普适函数目前无统一表达式,可采用仪器说明书推荐的函数。通过几个站点闪烁仪观测显热通量与涡动相关仪测量值的比较表明:大孔径闪烁仪在均匀和非均匀地表都能得到合理的显热通量观测值。

怀来地区蒸渗仪测定玉米田蒸散发分析

利用2012年和2013年怀来遥感综合试验站蒸渗仪、涡动相关仪和自动气象站观测资料,分析了土壤蒸发和玉米农田蒸散的日、季节变化,用多元回归分析法研究了气象因子(净辐射、空气温度、空气湿度、风速)、土壤水分和农田蒸散量的关系,并将蒸渗仪蒸散观测值与涡动相关仪蒸散量观测值进行了比较。结果表明,土壤蒸发和玉米农田蒸散日变化曲线较一致,季节性差异明显;怀来地区日蒸散量与净辐射和土壤水分相关性较好,与其他影响因子相关性不明显;蒸渗仪的农田代表性受其观测范围内的作物长势影响显著,涡动相关仪观测的蒸散量与蒸渗仪观测值相关关系较好,蒸渗仪观测值较涡动相关仪观测值高10.5%,这是由于不能同周围农田进行热交换,蒸渗仪内平均土壤温度较农田高了9.5%,导致蒸渗仪对蒸散量的相对高估。

张掖绿洲—荒漠区域近地层微气象与水热交换特征

利用张掖2012年5-9月"非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验:通量观测矩阵"数据,结合同步观测的航空和卫星遥感图像,分析了绿洲-荒漠区域近地层气象要素、辐射和能量收支特征。结果表明:(1)相对于荒漠,绿洲表现出冷、湿、风屏、增雨等"绿洲效应"。在不同的天气背景下,绿洲与荒漠及绿洲内不同田块之间存在不同尺度的相互作用过程;平流发生时,绿洲近地层出现逆温,且湿度上升,临近戈壁的近地层湿度也上升;绿洲灌溉后气温达峰值的时间滞后;在大风天,绿洲、荒漠的风向比较一致,而小风天则受到局地环流影响,绿洲内、外风向不一致。绿洲降水量大于荒漠。绿洲土壤水分明显大于荒漠,且绿洲为灌溉控制型,荒漠为降水控制型。(2)绿洲与荒漠的太阳总辐射一致;绿洲的大气逆辐射稍大;荒漠地表反射辐射和地表长波辐射明显偏大,净辐射则偏小。(3)绿洲潜热通量远大于荒漠,土壤热通量和感热通量小于荒漠;绿洲的能量输送以潜热通量为主;荒漠以感热通量为主。晴天下午绿洲经常出现感热通量为负,潜热通量超过净辐射的现象-平流/局地环流。由于风场以及绿洲-荒漠水热条件差异程度不同,绿洲不同站点平流出现的时间及强度不同。

2012年张掖绿洲-荒漠区域水热碳通量及气象要素观测矩阵数据集

绿洲-荒漠生态系统是干旱/半干旱区特有景观,其水热碳通量的观测和研究对绿洲稳定与可持续发展具有重要的意义。本研究以黑河流域中游甘肃张掖绿洲-荒漠区域为研究对象,基于2012年在该区域开展的国际领先的通量观测矩阵试验,整理了观测试验获取的水热碳通量和气象要素数据,包括30 km×30 km和5.5 km×5.5 km两个嵌套的矩阵内21个观测点共22套涡动相关仪和21套自动气象站,4组大孔径闪烁仪和3组植物液流仪,观测项目包括生态系统净碳交换量、潜热通量、感热通量、空气温度、空气相对湿度、风速、风向、向下/上短波辐射、向下/上长波辐射、净辐射、大气压、降水、红外辐射温度、光合有效辐射、土壤温度、土壤水分、土壤热通量、平均土壤温度、树木蒸腾等。本数据集经过了严格的数据质量控制,可用于研究绿洲荒漠区域水热碳通量变化特征及影响机制,并为模式模拟或遥感估算结果等提供可靠的验证数据。

北京密云地区辐射与能量平衡特征分析

利用北京密云站2007年1,4,8和10月辐射及湍流通量观测资料,分析了农林混合非均匀下垫面晴天、阴天条件下的辐射平衡、反照率及能量平衡特征。结果表明:(1)1,4,8和10月能量平衡闭合度(OLS方法)分别为82%,97%,72%和83%,总体闭合度为76%,数据质量较好;(2)晴天向上长波辐射1,4,8和10月平均值分别为279.6,381.5,430和358.7W.m-2;受农林混合下垫面变化的影响,响应短波辐射时间1月和8月分别为0.5h和1.5h,4月和10月介于两者之间;(3)随下垫面植被长势和土壤湿度的变化,反照率有明显改变,1,4,8和10月晴天平均值分别为0.183,0.143,0.133和0.139;由于非均匀下垫面通量贡献率随太阳辐射方向而变化,各月均存在日变化不对称现象。8月密云站的反照率(0.133)小于同期同纬度固城站的反照率(0.19);(4)由于农林混合下垫面状态的变化,1,4和10月能量主要用于感热交换,8月主要用于潜热交换。阴天能量分配特征与晴天一致。

高精度称量式蒸渗仪数据处理方法研究

蒸散发是地表能量循环与水循环的关键环节,蒸渗仪则是获取蒸散发量最为准确的仪器.但受到仪器噪声、风压等因素的影响,蒸渗仪数据在计算蒸散发量时会出现误差.本文通过对误差来源的分析,结合数据筛选阈值与数据平滑窗口大小的选择,给出蒸渗仪数据处理的一般流程,在此基础上分析了蒸渗仪观测蒸散发的季节变化,并与涡动相关所观察结果进行了对比.结果表明:本文的方法可以有效处理蒸渗仪数据,并解决了数据头尾作差计算而导致的蒸散量高估的问题,同时准确地计算蒸散发量;计算结果显示出怀来地区作物生长季内的蒸散规律——作物生长期间由于作物蒸腾作用,种植玉米蒸渗仪的蒸散发要高于裸土蒸渗仪的蒸散发,而生长末期由于蒸渗仪对桶内土壤水分的消耗,则呈现出相反的结果;同时,蒸渗仪观测结果与涡动相关仪观测结果也有良好的一致性,其之间的差异是由于灌溉不同步以及各自代表性不同所造成.

农田和草地下垫面上附加阻尼kB-1变化特征的分析

利用2010年阿柔站(草地)和馆陶站(农田)的观测资料,运用阻尼法估算不同下垫面的热传输附加阻尼(kB-1),分析日变化特征,探讨用一个固定kB-1值来估算感热通量,最后将估算值与M_1958、M_1963、M_1982、M_1989、M_1998、M_2002和M_2007七种参数化方案进行比较。结果表明,在不同下垫面上,kB-1变化明显。除玉米下垫面、玉米和裸地混合下垫面外,其余下垫面kB-1均有抛物线型日变化,与地气温差具有相关性。在植被下垫面,可用中值或均值的kB-1计算感热通量。将不同参数化方案计算的感热通量与观测值之间进行比较发现,在裸地下垫面,与观测值最接近的参数化方案是M_1998方案;在混合地表则为M_1958、M_1963和M_2007方案。

大孔径闪烁仪观测中的相似理论适用性分析

利用2009年馆陶站(1-12月)和阿柔站(1-6月和10-11月)的大孔径闪烁仪LAS相关数据,分析了LAS观测中莫宁—奥布霍夫相似理论MOST理论的适用性,并探讨了MOST理论适用性的定量判断方法。结果表明:(1)在不稳定条件下,大尺度涡旋运动、大气湍流发展状况和温度尺度都能对MOST理论适用性产生显著影响;(2)确立了两种新的MOST理论适用性判断方法,即因子分析法和温度结构参数法,并验证了这两种判断方法是合理、可靠的。

农田与草地下垫面空气动力学粗糙度的研究

利用2010年馆陶站和阿柔站涡动相关仪和自动气象观测资料,运用Yang et al.方法估算空气动力学粗糙度,分析了空气动力学粗糙度的时空变化特征,并将估算值与Brutsaert、Monteith、Zeng andWang、Bastiaanssen and Bandara、Teixeira五种参数化方案进行比较。结果表明:(1)空气动力学粗糙度与风向的关系取决于下垫面的非均匀程度;农田下垫面的空气动力学粗糙度随风向变化明显,具有方向性。(2)空气动力学粗糙度的季节性变化取决于下垫面植被(农田和草地)的季节性变化,与植被高度呈显著线性关系,与叶面积指数呈抛物线关系。(3)对于农田、草地下垫面而言,计算结果与Yang et al.方法估算值较为接近的参数化方案分别为Bastiaanssen and Bandara、Brutsaert。

张掖湿地CO_2通量变化特征及光能利用率分析

湿地生态系统储存着大量的碳,在陆地碳循环中扮演着很重要的角色。同时,湿地生态系统本身比较脆弱,特别是干旱地区湿地生态系统,对气候变化非常敏感,容易受到环境因素的影响而改变原有的碳循环模式。干旱区湿地碳循环规律研究不但有助于评估干旱区湿地生态效益,也有助于分析其对气候变化的响应。通过对甘肃省张掖湿地CO_2通量的观测(2012年6月~2014年8月),分析了湿地生态系统CO_2通量的季节变化特征,并结合遥感数据,估算了湿地生态系统的光能利用率,分析了环境因子对CO_2通量和光能利用率的影响。结果表明,湿地CO_2通量的季节变化特征明显,两整年GPP平均值为1.06 kg C m^(-2)·a^(-1),NEE平均值为-0.40 kg C m^(-2)·a^(-1),为明显的碳汇。空气温度和土壤温度与夜间生态系统呼吸都呈显著的指数关系,太阳辐射与湿地白天CO_2通量呈负相关,并且随季节不同,相关性差异较大。结合遥感数据计算得到的光能利用率最大值为1.51 g C·MJ^(-1),生长季平均光能利用率为1.07 g C·MJ^(-1)。光能利用率与温度有一定的相关性,随温度升高,光能利用率呈现增大趋势。

国产光学型大孔径闪烁仪的技术性能分析

利用2009—2012年在北京密云、青海阿柔、河南济源、甘肃张掖、河北馆陶和沽源的野外对比试验数据,分析了国产光学型大孔径闪烁仪的观测精度、稳定性和一致性,为国产光学型大孔径闪烁仪的后续生产和改进提供科学依据。分析结果表明:(1)以德国BLS900闪烁仪观测值作为参考值,张掖巴吉滩3套和沽源站5套国产大孔径闪烁仪样机感热通量观测值的平均均方根误差分别为19.91 W·m^(-2)和9.81 W·m^(-2);样机感热通量观测值均值与涡动相关仪观测值比较,均方根误差分别为21.08 W·m^(-2)和12.87 W·m^(-2),表明国产大孔径闪烁仪具有较好的观测精度;(2)国产大孔径闪烁仪在高温、低温、高湿或低湿的恶劣天气条件下以及长时间序列的观测均具有较好的稳定性;(3)样机观测感热通量之间的回归斜率差异较大,为6%,相关系数大于0.98,表明国产大孔径闪烁仪的一致性较好。综上所述,国产光学型大孔径闪烁仪基本达到了国外同类仪器的性能水平。

张掖湿地甲烷通量动态特征及其影响因子

于2012年7月—2014年6月对地处干旱区的张掖湿地甲烷(CH_4)通量进行观测,分析其CH_4通量的变化特征及其影响因子。结果表明:CH_4通量的日变化趋势总体表现为白天大于夜间;不同季节CH_4通量排放特征差异明显,夏季最大,春秋次之,冬季最小;CH_4通量日总量与空气温度、土壤温度之间指数相关关系显著,其中4 cm处土壤温度与之相关性最强;1—6月摩擦风速(U*)与CH_4通量显著正相关;结合CO_2通量观测数据,研究时段张掖湿地净碳吸收量为495.92 g C m^(-2)a^(-1),为明显碳汇。