川南森林湍流通量质量评价及贡献区分析

由于通量观测容易受复杂下垫面和仪器精度影响,需基于涡动相关系统观测原理对原始数据进行严格的预处理和质量控制。本研究选用2021年5-12月来自于川南地区四峨山森林下垫面的涡动相关系统的湍流观测资料,观测设备架设在不同高度包括粗糙副层内、粗糙副层与常通量层边界以及常通量层内。利用上述观测数据量化了两种坐标旋转方案下湍流通量计算结果的差异性,并结合湍流稳定性和发展性检验对通量资料序列进行了质量评价,最后分析了不同大气稳定度和不同观测高度下足迹函数所表示的通量贡献区域变化范围。结果表明:二次坐标旋转校正后的通量数据大于平面拟合后的数据,且两者的校正差距随观测高度的增加而增大。从通量数据质量等级分布特征来看,感热通量数据质量优于潜热通量及CO_(2)通量,且低层数据质量优于高层。38 m和56 m观测高度主风向在东北-西北方向上呈现昼夜相反的变化,其中5-9月尤为明显。不同大气稳定度下的通量贡献范围存在一定的差异,在大气稳定条件下,38 m观测高度的通量信息80%来源于距离观测塔西侧50~1400 m区域;在大气不稳定条件下,通量测量的源区水平范围在0~500 m之间。在56 m观测高度且大气稳定条件下,通量贡献80%的源区边界距测点可达1500 m;不稳定条件下,源区范围在0~750 m之间。冬夏两季在稳定大气条件下贡献区范围有明显差异,在38 m观测高度上,夏、冬季节最大湍流通量信息分别来于1320 m、 700 m。在相同大气稳定度下,通量贡献区的分布受观测高度的影响,56 m观测高度通量源区大于38 m的通量源区。

基于实测土壤属性CLM4.5对青藏高原高寒草甸模拟性能的评估

为了改进陆面过程模式对青藏高原高寒草甸下垫面的模拟能力,选取玛曲站、阿柔站、那曲站3个典型高原高寒草甸观测站6-9月的观测资料,特别是实测土壤属性数据,并将实测土壤属性数据代入陆面过程模式CLM4.5(Community Land Model)进行单点数值模拟试验,为改进模式参数化方案提供依据。研究表明:(1)CLM4.5模式能较好地再现高寒草甸下垫面的土壤温湿度、辐射通量和湍流通量的季节变化,修改土壤属性后模拟效果明显优于修改前,但较观测值还存在一定偏差。(2)修改土壤属性后CLM4.5模式在玛曲站和那曲站对各层土壤湿度的模拟值更接近观测值,在阿柔站对浅层土壤湿度模拟效果的改善优于深层土壤。修改土壤属性后,模式地表虽然与各站点实际地表更为接近,但对土壤温度的改进不明显。(3)修改土壤属性前后反射辐射的模拟值在三个站点均偏低,但修改土壤属性后模拟效果优于修改前。模式对地表长波辐射的改进不显著,其中阿柔站的模拟值与观测值的相关性较高,且偏差较小。(4)CLM4.5模式对各站感热通量的模拟值均高于观测值,修改土壤属性后,感热通量的模拟值更接近实测值且在玛曲站和那曲站的潜热通量模拟值与观测值更为接近。

农牧交错带植被演变对区域气候影响的模拟

利用中尺度模式WRF和1981年、1990年卫星遥感地表分类数据,模拟分析了典型年份农牧交错带内地表植被变化对2001-2010年中国区域气候的影响。结果表明:(1)相对于1981年,1990年交错带内38°N以北(南)植被覆盖增加(减小),地表粗糙度增加(减小)。(2)当植被覆盖度增加(减小)、地表粗糙度增加(减小)时,交错带相应地区及附近地区温度升高(降低)。(3)交错带植被演变导致我国降水量差值场存在自东向西的"正-负-正"分布,地表粗糙度增加(减小)对应降水量差值增加(减少),且降水量越大,水循环越充足,植被演变对降水量的影响表现越突出。(4)交错带的植被演变主要影响中高层风场,且存在明显的季节性差异。500 h Pa气旋状(反气旋状)偏差风场环流中心对应着降水量差值场的正值(负值)。

金塔绿洲农田下垫面温湿度的非相似性分析

利用2005年金塔绿洲的湍流资料分析了金塔绿洲农田下垫面上温度和湿度的非相似性。结果表明,低层风速较小和高层风速介于2~4m·s^(-1)时,温度和湿度标量的相似性较大,且温湿度的相似性随稳定度向近中性条件偏移而减小;R_(Tq)(n)和λ_((n))分别在频率域10^(-2)<n<10^(-1)和10^(-1)<n<10~0上近似为常数,且随着|r_(Tq)|的减小,R_(Tq)(n)所对应的谱峰频率逐渐减小,相对输送效率λ_n也减小,即水汽的输送效率逐渐增大,这是由于绿洲—沙漠的热平流抑制热量输送的缘故。

CMIP地球系统模型对植被根生物量模拟的评估研究

植被根系在生态系统的碳循环中起着重要作用,耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project,CMIP)的地球系统模型(Earth System Models,ESMs)已被广泛用于模拟预测植被根生物量。本文综合了14个ESMs模拟的历史试验的植被根生物量数据,对其空间分布,动态变化及与观测值的对比进行了分析研究。结果表明:(1)植被根生物量1850-2005年多年平均值的全球分布表明有7个ESMs存在模拟值极大或极小的情况,其余ESMs均呈现出植被根生物量在赤道及北半球中高纬度偏高的特点,且不同纬度的根生物量分布表明40°S也是根生物量高值区之一;(2)提取1995-2005年的模拟结果与站点观测数据(1990-2010年)在不同气候带利用SS指数进行对比,发现模拟值与观测值偏差较大,但温带模拟效果要稍好于寒带和热带,全球尺度上BCC-CSM2-MR是模拟情况最好的ESM;(3)在青藏高原地区,ESMs能合理地模拟出1850-2005年多年平均的植被根生物量的季节变化,但不同ESM模拟的根生物量与气象因素(气温,降水量)年际变化之间的关系存在差别。若要进行更精确深入地研究分析,除了改进模式之外,对观测资料的采集完善也是必要的。

机器学习算法对涡动相关缺失通量数据的插补研究

受观测系统故障、质量控制与质量保证等因素影响,涡动相关系统的长期观测常存在大量缺失。本文利用三种机器学习算法(随机森林RF,支持向量机SVM,人工神经网络ANN)和国际通量网络边缘分布抽样法(MDS)方法对若尔盖高寒湿地生态系统研究站2016年感热(H)、潜热(LE)以及净生态系统交换(NEE)通量序列进行了插补。结果表明:RF算法的模拟能力优于SVM和ANN算法;三种机器学习算法的模拟能力在夜间和日出、日落时段以及冬、春季节相对较弱;插补方法的选择对H和LE的年累积量无显著影响,但其对NEE年累积量可造成-42 gC·m^-2的差异。