中国北方四类典型下垫面能量分配特征及其环境影响因子研究

中国北方疆域辽阔,多种植被类型交错分布,陆面过程较为复杂。研究该区域地表能量平衡及分配过程,有助于进一步了解其生态系统的生产力及气候变化。本文使用"中国北方协同观测实验"观测资料,选取中国北方四种植被类型——高寒草甸、荒漠草地、玉米农田及半干旱草地,在深入认识地表能量分配特征的基础上,讨论了环境因子对能量分配的影响。结果表明,上述四类典型下垫面能量闭合度在71%~91%,其中半干旱草地最大,玉米农田最小。从各能量分量与净辐射的比率来看,荒漠草地、半干旱草地净辐射主要通过感热形式加热大气,感热通量占净辐射的百分比分别为29%和36%;高寒草甸、玉米农田潜热通量占主导地位,其值分别占净辐射的42%和37%。影响各下垫面水热综合参数Bowen比的气象因子中,半干旱草地受地-气温差(R2=0.64)和饱和水汽压差(R2=0.56)的影响;玉米农田则主要受地-气温差(R2=0.52)的影响;荒漠草地地-气温差(R2=0.37)和平均风速(R2=0.23)是其主要影响因子。Bowen比与NDVI之间存在显著的指数关系(R2=0.74),且随NDVI的增大而减小。

环境及生态因子对黄土高原典型农田生态系统鲍恩比的影响研究

鲍恩比能够综合反映陆面气候状态的物理特性,是有效刻画生态系统水热分配的关键参数之一。本研究利用安装在定西和庆阳的涡动相关系统开展了黄土高原半干旱和半湿润农田生态系统能量分配特征观测试验,研究了生态环境因子对鲍恩比的影响机理,揭示了干、湿条件下生理生态因子对水热交换的响应规律。结果表明,处于半干旱区的定西年内感热通量是可利用能量的主要消耗项,即使在降水较为集中的季风期,其鲍恩比依旧在1附近波动。对于半湿润地区的庆阳而言,夏季潜热通量在能量分配中占主导地位(鲍恩比平均为0.71),其余三季感热在能量分配中起支配作用(鲍恩比为1.15—5.85)。从影响陆面水热交换的气象因子来看,鲍恩比随饱和水汽压差的增大而增大,随降水量和土壤湿度的增大而显著减小。干旱条件下,鲍恩比与半湿润区饱和水汽压差的相关更高(R2=0.44);湿润条件下,则与半干旱区的饱和水汽压差相关更好(R2=0.38),且生长季半干旱区的鲍恩比为半湿润区的1.5倍。半湿润区干、湿条件下降水量与鲍恩比均显著相关,干旱条件下R2达到0.79;但半干旱区仅在干旱条件下降水量与鲍恩比存在显著的相关(R2=0.40)。土壤含水量在半湿润区与鲍恩比的相关更显著,且干旱条件下鲍恩比随土壤含水量的降低而增大的幅度更大。从影响生长季鲍恩比的生态因子来看,Priestley-Taylor系数与鲍恩比满足幂函数规律,在黄土高原农田生态系统具有显著的相关,半湿润区和半干旱区R2分别为0.62和0.72。另外,黄土高原农田生态系统鲍恩比随归一化植被指数的增大而减小,半湿润区二者关系更显著(R2=0.40),但半干旱区鲍恩比对归一化植被指数变化的响应更迅速。冠层气孔导度与鲍恩比呈负指数关系,半干旱区鲍恩比随冠层气孔导度的增大而减小的趋势比半湿润区更明显。该研究对揭示黄土高原典型农田生态系统陆面特征及改进陆面过程参数化关系具有重要参考意义。

泛中亚干旱区气候变化特征分析

利用Climatic Research Unit(CRU)1949—2018年最新0.5°×0.5°网格点月均数据集,主要从EOF分解、小波分析的角度,讨论了泛中亚干旱区近70 a的气候变化特征。结果表明:(1)泛中亚干旱区近70 a降水以1.393 mm·(10a)-1的速率呈增加趋势,夏季降水呈减少趋势,其余三季为增加趋势,其中冬季最明显[0.834 mm·(10a)-1],同时冬季增温幅度也最大[0.360℃·(10a)-1];(2)降水距平场的EOF分析表明:泛中亚干旱区降水变化趋势呈整体一致性(降水第一模态),西南-东北反向变化特征(降水第二模态),由西向东“-+-”交替分布特征(降水第三模态),3个模态都存在显著的准3 a周期,第一模态还存在5~7 a和准12 a周期,第三模态存在准7 a变化周期;(3)温度距平场的EOF分析表明:温度距平变化表现出整体一致性(温度第一模态),东-西反向变化特征(温度第二模态),第一模态具有显著的准2 a、8~10 a周期,第二模态具有明显的2~4 a、准5 a周期。传统意义上的暖季并没有呈现出比较明显的增温多雨,冷季反而增温幅度更大,降水增加更明显。哈萨克斯坦中部、土库曼斯坦及蒙古国大部干旱化趋势明显,哈萨克斯坦东西两侧、我国新疆北部以及帕米尔高原的部分地方表现出显著的湿润化趋势,我国西北大部地区总体呈弱的湿润化趋势。随着亚洲夏季风的减弱,冷季降水增量高于暖季,这似乎说明亚洲冬季风对泛中亚干旱区降水的影响正在加大。本研究结果旨在加深对泛中亚干旱区气候变化特征的认识,为进一步防灾减灾、合理应对气候变化、坚持可持续发展战略提供科学依据。