地形微生境对区域温度变化的缓冲作用

研究黄土丘陵区的地形微生境,了解微生境的形成机制及特征,对于生物多样性的恢复和保护都具有重要意义。选择陕西省安塞县陈家洼为研究区,按照不同坡向与坡位布设Ibutton电子温度记录仪采集温度数据。比较各坡段地面5 cm处与地上150 cm处的极端温度与相应的显域生境的温度变化,量化微生境的缓冲作用。采用平均温度、极端高温、极端低温等指标来评估地形微生境温度对区域温度变化的非同步性,并采用温度变幅来衡量地形微生境气候的稳定性。结果表明,在最热两周中,阴坡沟底地最大缓冲度8℃,沟坡地与梁峁地最大缓度分别为6.5℃与6℃;阳面三个坡段自上而下最大热缓冲度分别为3.5℃、3℃、4℃。地形微生境对于夏季极端高温的缓冲作用阴坡>阳坡;而阳坡沟底地、沟坡地、梁峁地在最冷两周的最大冷缓冲值可达4.5℃,4℃、4℃,阴坡沟底地最大可缓冲3.5℃,其次是沟坡地与梁峁地,最大缓冲度为3℃与2℃。对于冬季极端低温的缓冲作用阴坡<阳坡。但无论是热缓冲还是冷缓冲,各坡段之间存在显著差异(P<0.05),阴坡与阳坡的缓冲值皆存在自下而上的阶梯性,即沟底地>沟坡地>梁峁地。日温度变幅阳坡>阴坡,且梁峁地>沟坡地>沟底地。本研究量化了微生境的缓冲能力,强调了微生境在调节宏观气候变化中的重要性,可为未来气候变化模型预测提供支撑。

基于TVDI的黄土高原干旱时空变化与其影响因素

为探讨黄土高原地区2001—2020年间干旱时空变化特征及其影响因素,利用MODIS增强植被指数(Enhanced vegetation index,EVI)以及地表温度(Land surface temperature,LST)数据,构建温度植被干旱指数(Temperature vegetation dryness index,TVDI)模型,探究黄土高原地区2001—2020年TVDI指数时空动态、变化趋势并利用地理探测器模型分析TVDI空间分异性的驱动因子。结果表明:2001—2020年间黄土高原TVDI空间分布具有较强的空间分异性,总体上呈现从西向东旱情逐渐增加的趋势,黄土高原多年平均TVDI为0.522,整体上处于轻旱状态。从TVDI多年变化趋势上分析,超过64%的区域有干旱加剧的趋势,且存在明显的地域分异规律,黄土高原西北部的内蒙古、宁夏北部以及山西部分地区旱情大多呈加剧趋势,而旱情缓解区域较为集中,多分布于陕西中部、宁夏南部和甘肃北部。各土地利用类型的TVDI年际变化均呈现不同程度上升的趋势且各土地利用类型年均TVDI差异明显,从大到小依次为:未利用地(0.571)、草地(0.554)、耕地(0.503)、林地(0.473)和建筑用地(0.462)。黄土高原地区TVDI的空间分异主要受高程、土壤类型、植被类型3个因子影响,三者q均超过0.3,是黄土高原干旱的主要驱动因素;在多因子交互作用下,高程与SIF组合对黄土高原干旱发生的影响力最强,q达到0.709。

基于ANUSPLIN的黄土丘陵区气象要素插值方法对比与评估

气象要素是反映地球水热过程的关键因子,气象数据的准确获取对生态保护和农业生产研究具有重要意义。黄土丘陵区是典型的丘陵沟壑区,地形严重影响气象要素的插值结果,制约了数据的准确性。为了获取黄土丘陵区的温度、降水的空间分布,探索地形变化对气象空间插值结果的影响,本研究基于专业气象插值软件ANUSPLIN以延河流域及周边2010—2021年105个气象站点逐日温度降雨资料为基础,引入25 m、90 m、1 km三个不同精度的数字高程模型作为协变量进行插值,从而获得黄土丘陵区温度降水栅格数据以揭示该地区降水的时空变化规律,评估ANUSPLIN插值方法是否能在黄土丘陵区较好的适用。结果表明:(1)延河流域东部延长地区温度较高、西部温度较低;降雨量空间插值显示中部与西北部较低,东部较高,温度降雨皆符合以往气象站数据规律,ANUSPLIN模型对黄土丘陵沟壑区温度降雨空间插值有较好的适应性。(2)在三种不同的分辨率DEM模拟场景下,温度插值精度排序为:25 m>90 m>1 km;降雨插值精度排序为:90 m>25 m>1 km。本研究的结果为丘陵区气象分布和插值提供了参考依据。

黄土丘陵区人工刺槐林温湿度缓冲效应

[目的]研究黄土丘陵区人工刺槐林对环境温湿度的缓冲效应,探究不同时间尺度林带对环境气候的缓冲特点以及森林小气候效应与环境因素之间的关系,为黄土丘陵区的群落构建和植被恢复提供参考依据。[方法]选取该区域同年建立的人工刺槐林和林外空旷地为研究对象,对气温、地表温度、土壤温度和空气相对湿度进行为期一年的连续监测,量化不同时间尺度人工刺槐林的温湿度缓冲效应。[结果]林内气温、地表温度、土壤温度和相对湿度年均值分别低于林外0.13℃,0.99℃,0.92℃和0.16%。在一天中的14:00—16:00时段,林内气温、地表温度和土壤温度分别低于林外1.08℃,4.17℃和1.88℃,相对湿度高于林外2.72%;在5:00—7:00时段,林内气温和地表温度分别高于林外0.45℃和0.58℃,相对湿度低于林外1.80%。最热月(7月)林内气温、地表温度和土壤温度分别低于林外0.76℃,2.17℃和3.29℃,相对湿度高于林外1.67%;最冷月(1月)林内气温和土壤温度分别高于林外0.28℃和0.87℃,地表温度低于林外0.20℃,相对湿度低于林外1.16%。人工刺槐林的缓冲效应随环境气候变化表现不同,当林外气温、地表温度、土壤温度分别高于16.70℃,9.89℃和1.43℃时,人工刺槐林表现为降温作用,低于该温度则表现为升温作用;温度和缓冲值之间为一元三次方程关系,随着温度升高或降低,缓冲值的绝对值增大速率加快。[结论]在人工刺槐林温湿度缓冲效应影响下,林内温湿度比林外更加稳定,形成了优于林外环境气候的独特小气候。

基于热红外成像的坡面薄层水流流速测量方法

流速是表征水流水力学特性的重要物理量。为了准确获取薄层水流流速,基于热红外成像技术、计算机视觉识别技术,设计了一种薄层水流流速测量系统。该系统通过对热示踪剂的自动控制以及对其热成像图的瞬时采集、影像校正、噪点去除、质心确定等手段,获取薄层水流的流速等参数,从而实现对坡面薄层水流流速的动态观测。该系统精确度和准确度高,可从不同时间和空间尺度上更加准确地观测热示踪剂动态运移过程。系统的测量标准差为0.020 m/s,观测精度可达到98.33%,观测的时间分辨率为1/9 s,空间分辨率为2 mm。为了验证该系统的准确度,以流量法为基准,与传统示踪法(染料示踪法、盐示踪法)比较,结果表明,该系统的准确度高于染料示踪法和盐示踪法。其中热红外成像观测系统的相对误差均在±10%以内;染料示踪法的相对误差均大于10%;盐示踪法52%的相对误差在±10%以内。利用热红外成像系统获取的影像,可对不同时刻示踪段水流的发生、发展的过程进行追溯,也可以测量示踪剂沿水流方向的运移速度及垂直于水流方向的扩散速度,计算热示踪剂的弥散系数等。该技术可应用于降雨侵蚀、径流冲刷等方面的研究,对于进一步深化土壤侵蚀过程与机理研究具有重要的意义。