科尔沁沙地沙丘生态系统水热通量特征及影响驱动因子

以科尔沁沙地的典型沙丘区为研究对象,利用涡动相关系统(EC)持续监测沙丘生态系统2013~2022年的表面能量通量数据,采用普通最小二乘线性回归法(OLS)和表面能量平衡比率(EBR)两个指标评估能量平衡闭合度,对沙丘生态系统生长季(4~10月)能量通量的日变化、季节变化以及年际变化进行分析,并计算波文比(β)和能量平衡比,探讨了影响潜热通量(LE)、感热通量(H)和土壤热通量(G)变化的环境因素.结果表明:多年平均年净辐射(R_(g))为1592.77MJ/m^(2),其中H、LE和G分别为614.60,636.22和117.76MJ/m^(2),科尔沁沙地沙丘生态系统年能量的主要组成部分为潜热通量,占总能量的40%.β日动态曲线呈单峰变化,波动相对较平缓.各年年均表面能量平衡比率(EBR)介于0.75~0.90之间,多年年均EBR为0.87,说明能量平衡闭合度的残差为13%.研究表明饱和水汽压差(VPD)是影响能量通量的主要因素,其次是空气温度(T_a)和土壤温度(T_s),均与能量通量呈显著正相关;而植被对能量通量的影响表现在LE与叶面积指数(LAI)呈正相关,而H相反.

基于FLUXNET站点数据的中纬度森林对地表通量的影响

利用最新FLUXNET数据集,采用森林站和非森林站(开阔地)的对比分析用以表征毁林的作用,探讨中纬度地区毁林对地表通量和波文比的季节和日内影响。结果表明,毁林使得地表通量和波文比降低,其中以感热通量的减少为主。通过对比不同森林类型毁林发现,在日尺度上,地表通量变化在正午达到最强值,混合林地表通量变化相比于常绿针叶林较强,而弱于落叶阔叶林。在季节尺度上,感热通量在常绿针叶林和混合林中减少,潜热通量则在常绿针叶林和落叶阔叶林中减少。通过对不同气候区下地表通量变化发现,毁林使得常湿冷温气候地表通量以潜热通量减少为主,而常湿温暖气候以感热通量减少为主。夏干温暖气候下冬季感热通量减少,潜热通量增加,夏季则感热通量增加,潜热通量减少。整体而言,不同森林类型毁林影响地表通量变化的符号存在差异,而背景气候也决定了地表通量变化是以感热还是潜热通量变化为主。研究揭示了中纬度毁林对地表通量的影响,可以为中纬度地区植被恢复/造林政策的制定和实施提供观测依据,也可以为模式检验提供一定参考价值。

华北平原秸秆覆盖下农田水热通量动态变化及其对气象因子的响应

揭示秸秆覆盖下农田生态系统水热通量的动态变化,可为农艺覆盖下作物高效用水的定量调控提供理论依据。试验设置秸秆覆盖(S)和不覆盖(N)两种处理,利用波文比能量平衡法和实测数据,对华北平原秸秆覆盖下农田能量通量要素净辐射通量(R_(n))、潜热通量(λET)、显热通量(H)和土壤热通量(G)的动态变化规律及其对气象因子的响应进行研究。结果表明:各生育期R_(n)、λET和H日内变化均呈现明显单峰型规律,无论小麦生长季还是玉米生长季,与N处理相比,秸秆覆盖(S)主要降低了各生育期R_(n)、λET和H的日峰值,但从日均值来看,S处理提高了小麦生长季λET占R_(n)的比例,其总生育期λET占R_(n)的比例(68.8%)比N处理(68.4%)略高;秸秆覆盖(S)降低了玉米生长季λET占R_(n)的比例,其总生育期λET占R_(n)的比例(65.0%)比N处理(65.9%)降低。小麦生长季和玉米生长季对瞬时λET影响最大的气象因子为R_(n),其余因子影响较小。各气象因子通过直接和间接作用共同对瞬时λET产生影响。R_(n)对瞬时λET的影响主要体现在直接作用上,其余因子均主要体现为间接影响。

巨菌草地表能量交换特征及其影响因素

基于波文比—能量平衡法,研究了巨菌草生长过程入射太阳辐射(Rd)、反射太阳辐射(Ru)、净辐射(Rn)、潜热(LH)、显热(SH)、土壤热通量(G)和波文比(β)等的变化动态;通过耦合系数(Ω)评价地表能量通量的影响因素,提出一种地表通量异常值插值方法的判断标准,确定β异常值为-2.00~-0.50.结果表明:采用随机森林插值方法可获得质量良好的通量数据.生育期Rd、Ru、Rn、LH、SH、G、β和Ω的平均值分别为185.99 W·m^(-2)、72.56 W·m^(-2)、111.35 W·m^(-2)、82.94 W·m^(-2)、31.26 W·m^(-2)、-2.72 W·m^(-2)、0.38和0.6,Rd是季节尺度上其他参数变化的主要影响因子,LH和SH同时受到冠层导度(gc)和饱和水汽压差(VPD)等因素的影响.晴天Rn、LH和SH较高,阴天Rn、LH和SH较低.晴天和阴天的β由gc和Rn决定,生育早期具有低gc和高Rn的特征,晴天的β大于阴天;生育盛期具有高gc和低Rn的特征,晴天的β低于阴天.

基于波文比系统的巨菌草蒸散发过程及影响因素

基于波文比系统研究了巨菌草生育盛期的蒸散发(ET)动态及影响因素.结果表明,波文比趋于-1时的不同异常值判定范围显著影响潜热和显热通量,使用预测均值匹配和随机森林两种方法对异常值进行插补均可得到有效的完整序列.净辐射、潜热通量、显热通量和土壤热通量的平均值分别为111.35、81.55、32.28和-2.72 W·m^(-2).ET日均值为-0.12~5.31 mm,平均值为2.88 mm.ET小时动态均为单峰变化过程,晴天和阴天条件下的峰值分别为0.6和0.3 mm.利用逐步回归方法得到的巨菌草ET气象影响因素可以解释95%的变化.巨菌草生育盛期的作物系数为1.67,解释率为87%.

湿热地区城市静态水体能量分配特征研究--以广州荔湾湖为例

城市水体作为一种基于自然的解决方案,被视为调节城市气候、改善城市热环境的重要工具。研究水体的能量分配特征是认识和把握水体对城市热环境影响的关键。然而,由于缺乏系统的量化方法和充分的数据支撑,水体的能量分配,即水体与周边环境能量交换的物理过程,尚未完全明晰。基于能量平衡理论,以广州荔湾湖为例,通过冬、夏两季的连续系统观测,得到湿热地区城市湖泊各能量分项的分配特征。结果表明:一、辐射通量在湖泊的能量平衡中具有双重作用,在白天短波辐射是主要能量输入源,在夜间长波辐射冷却是重要的散热形式;二、各能量分项受天气条件的影响不同,晴朗少云的“理想”天中净辐射通量Q*和潜热通量QE显著大于雨天和阴天多云等其他天气条件,而显热通量QH在这三种天气条件下的差异较小;三、季节对湖泊能量分配有显著影响,在高温高湿的夏季,蓄热通量Qs的平均日累计占比最大,即大部分净辐射分配给了蓄热;在凉爽干燥的冬季,QE占比最大,即大部分能量输入转化为了潜热。可为考察城市静态水体能量分配特征提供研究方法参考,并为认识和把握水体的气候调节效应提供湿热地区的数据支撑,进而推进基于蓝色基础设施的气候适应型城市建设。

2017-2019年宁夏兰山骄子葡萄园日蒸散发观测数据集

葡萄是重要经济作物,准确掌握葡萄逐日蒸散发变化特征,对研究葡萄各生育期耗水规律尤为重要,是提高农业用水效率和农业节水的关键。但国内葡萄蒸散发日数据相对匮乏。本数据集基于波文比能量平衡法与高频温度法,在宁夏银川市郊的兰山骄子葡萄园开展定位观测实验,获得同一观测点的两套日蒸散发数据,覆盖2017–2019年。本数据集在研制过程中剔除了波文比异常值影响,对逐日蒸散发数据进行了质量评估,可望为研究葡萄园等高异质地表的蒸散发提供精准数据支持,为区域农业水资源管理与高效利用提供依据。

极端干旱条件下柽柳种群蒸散量的日变化研究

利用波文比能量平衡法对额济纳绿洲柽柳种群蒸散进行测定。结果表明,在晴朗无云的条件下,蒸散速率日变化呈单峰型。蒸散从早晨630以后出现,上午蒸散率上升过程缓慢,到中午达到峰值,随后蒸散速率迅速下降,到1600蒸散速率降到最小,夜间无蒸散,常出现负值,呈大气凝结过程。净辐射对蒸散起决定作用,蒸散速率的变化趋势与净辐射变化基本一致,其日变化具有相同的峰型。柽柳种群蒸散量随风速的增加而增加。土壤温度对柽柳种群蒸散速率的影响不大,但土壤温度的增加值的变化与蒸散速率的变化基本一致。土壤含水量的变化对蒸散速率产生影响,土壤含水量降低,蒸散速率减弱,土壤含水量增加,蒸散速率加快。相关分析表明,环境因子对蒸散速率影响的贡献依次为土壤温度的升高值>净辐射>风速>土壤含水量>空气温湿度。

涡动相关法与波文比-能量平衡法测算森林蒸散的比较研究——以长白山阔叶红松林为例

分别采用涡动相关法与波文比-能量平衡法(BREB法)测算了长白山阔叶红松林2002年9、10月的森林蒸散量。结果表明,9月,涡动相关法与BREB法测算的森林蒸散量分别为83.1和87.9 mm,后者相对于前者的误差不到6%,且两者日蒸散量有较好的相关性(0.78),表明涡动相关法与BREB法在森林蒸散研究中有很好的一致性。10月,随着秋季落叶,林内水汽压梯度减小。涡动相关法测算的森林蒸散量为42.5 mm,BREB法测算的结果为49.1 mm,后者相对于前者的误差达到了16%,两者日蒸散量相关系数为0.53。在水汽压梯度较小时,BREB法会产生较大误差。9月中上旬,森林主要热量消耗是用于蒸散,约占辐射平衡量的71%;落叶后,森林主要热量消耗变为森林-大气间的感热交换,蒸散耗热只占辐射平衡量的40%。

青藏高原闪电活动的时空分布特征

利用卫星上携带的闪电探测仪所获取的 8年闪电资料 (1995～ 2 0 0 2 )对青藏高原闪电活动的时空分布以及高原季风期间闪电活动对地面热力学特征的响应进行了研究 .结果表明 ,高原上的平均闪电密度为3fl·a-1·km-2 ,并在高原中部 (32 °N ,88°E)出现闪电密度峰值 5 .1fl·a-1·km-2 .闪电活动主要发生在 6～ 8月 ,并在6月下旬至 7月中旬最为活跃 .大部分地区的闪电活动日变化峰值出现在 14 :0 0～ 16 :0 0LT ,在中西部的显著高山地区早于这一时刻 ,而在显著低海拔的塔里木和柴达木盆地晚于这一时刻 .夏季季风期间高原上的闪电活动明显依赖于地表的热力学特征 ,并与地表鲍恩比和感热通量呈明显的线性正相关 ,相关系数分别为 0 .7和 0 .6 。

青藏高原多年冻土区土壤冻融过程对地表能量通量的影响研究

利用国家重大科学研究计划项目"青藏高原沙漠化对全球变化的响应"北麓河站2014-2015年陆面过程观测资料,根据5 cm土壤日最高和最低温度将冻土分为融化过程、完全融化、冻结过程和完全冻结四个阶段,分析了地表感热通量Hs、潜热通量LE、地表土壤热通量G_0和波文比在不同冻融阶段的季节和日变化特征,并探讨了土壤冻融过程对地表能量及其分配的影响。结果表明,波文比和G_0的季节变化受土壤冻融阶段转变的影响显著,其中土壤完全融化使波文比减小,G_0变为正值;土壤冻结使波文比增大,G_0变为负值。冻结过程对Hs和LE变化趋势的影响不明显,但是使波文比显著增大;融化过程使Hs停止增长并出现减小趋势,使LE增大,从而使波文比显著减小。Hs的日变化在不同冻融阶段差异较小。LE的日变化主要与浅层土壤含水量的大小和日变化有关,其中完全融化和完全冻结阶段土壤含水量的日变化较小,土壤含水量越大,LE越大;在融化过程和冻结过程阶段,土壤含水量的日变化较大,且与R_(net)的日变化相反,限制了LE的增长。在冻结过程阶段,受冻融过程的影响,G_0的日变化小于其他阶段。

疏勒河上游高寒草甸蒸散对比研究

利用疏勒河上游草地综合观测点2011年草甸主要生长季节的观测资料,应用小型蒸渗仪法(ML)、涡动相关法(EC)、波文比能量平衡法(BREB)对高寒草甸的蒸散量进行估算和比较分析。结果发现:在观测期间涡度相关法与能量平衡法所测定结果存在能量不闭合现象,能量平衡闭合度0.84;波文比法估算的蒸散量为270.6 mm,比蒸渗仪法测定结果(238.9 mm)高13%,比涡度相关法结果(236.1 mm)高出15%。3种方法估算结果均有较好相关性。涡度相关法可能低估蒸散量,波文比能量平衡法对蒸散量有所高估。考虑到蒸散估算精度和连续性观测等方面,涡度相关法更具优势。

三种方法测定高寒草甸生态系统蒸散比较

利用涡度相关技术（Eddy covariance technique）、小型蒸渗仪（Mini—lysimeter）和波文比-能量平衡法（BREB）对2005年和2006年夏季（7—8月份）青藏高原海北高寒草甸生态系统的昼间蒸散（E）变化进行了对比观测研究。在观测期间，存在能量不闭合现象，涡度相关系统测定的湍流通量相当于有效能量的73％。3种不同方法测定的蒸散量之间具有较好的相关性，涡度相关系统与小型蒸渗仪测定的蒸散量相关系数达0．96，与波文比法的结果相关系数为0．95。然而，波文比法计算的蒸散量最大，比涡度相关系统的观测值高43％；小型蒸渗仪法的测定值次之，比涡度相关法的观测值高19％；涡度相关法测算的蒸散值最小。研究结果表明，利用涡度相关技术测定该高寒草甸生态系统的潜热通量，可能会过小评价该生态系统的蒸散量。

不同下垫面湍流通量计算方法的比较研究

本文利用1990～1994年在中国内蒙古奈曼市半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据,采用变分法、波文比能量平衡方法和空气动力学方法计算了7种下垫面(沙丘、草原、四种放牧强度的草地、玉米田)的湍流通量并进行了比较.结果表明:除沙丘和重度放牧草地外,三种方法计算的湍流通量在大多数时刻是比较一致的,相关性较高,能量闭合程度也较好.在用于计算植被相对茂盛下垫面的湍流通量时,变分法得到的结果更好一些.随着放牧强度的增大,地表生物量、覆盖率和植被高度相应减少,潜热和动量通量相应减小,而感热通量增大.草地等植被茂盛的下垫面能够增加垂直方向的动量输送,增加空气动力学粗糙度,减小风速,阻止地表沙粒的运动和沙丘的起伏,对防止沙漠化能起到较大作用.

亚热带毛竹林生态系统能量通量及平衡分析

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器,对亚热带(浙江省)毛竹林生态系统2011年的净辐射、显热通量、潜热通量、土壤热通量以及气温、地温、降雨量等气象要素进行了连续观测,定量分析了毛竹林生态系统能量通量的变化和各能量分量的分配特征,并计算了能量闭合度以及波文比。结果表明:毛竹林全年净辐射为2628.00 MJ/m2,显热通量为576.80 MJ/m2,潜热通量为1666.77 MJ/m2,土壤热通量为-7.52 MJ/m2,土壤为热源,各能量分量季节变化明显,日变化基本呈单峰型曲线变化。显热通量占净辐射的22.0%,潜热通量占63.4%,毛竹林生态系统潜热通量为能量散失的主要形式。波文比逐月变化规律不明显,波动较大,在0.07—1.77之间变化,能量平衡比率法得出毛竹林年能量闭合度为0.85,月平均闭合度为0.84,能量闭合度高于线性回归法计算结果,但仍有15%的能量不闭合。

辽东山区天然次生林能量平衡和蒸散

基于辽宁冰砬山森林生态系统定位研究站2012年森林内、外微气象观测数据,采用波文比-能量平衡法(BERB)研究了辽东山区天然次生林能量平衡组分及蒸散特征。结果表明,天然次生林全年获得净辐射能量(Rn)为1.63×109J/m2,其中生长季Rn占全年的71%。Rn月均值呈单峰状季节变化;5月份Rn最大,达101.73 W/m2;12月份最小,仅为-2.38 W/m2。Rn在晴朗天气的日变化呈单峰型,峰值出现在12:00前后,Rn在日出后0.5 h至日落前1.5 h为正值,其它时间为负值。潜热通量(LE)、感热通量(H)在晴朗天气呈单峰型日变化规律。LE呈单峰型季节变化,7月份最大。H呈双峰型季节变化,峰值在4月份,次峰值在9月份。波文比(β)近似呈"U"字型季节变化,非生长季β均值为1.50,即H占有效能量的60%,生长季β均值为0.43,即LE占有效能量的70%。生长季土壤热通量(G)为能量支出项,约占有效能量的2.5%,晴朗天气呈单峰型日变化。非生长季G为能量收入项,约占有效能量的6.8%,1月份几乎没有日变化。辽东山区天然次生林全年蒸散(E)总量为541.8 mm,占全年降水总量的70.3%,蒸散耗水是该森林生态系统最主要的水分支出项。

表层有效土壤水分参数化及冠层下土面蒸发模拟

通过观测田间微气象数据、土壤表层水分变化状况及荞麦作物冠层下土面蒸发等资料,引进一个表面体积含水率的函数,构建了基于表层有效土壤水分的土壤蒸发模型。该模型包含了土面蒸发的2个过程:水蒸气从土壤孔隙中扩散到地表面及水蒸气由地表面传输到大气中。模型中表层有效土壤水分参数不仅取决于表层土壤含水状况,而且受风速影响。采用波文比能量平衡法及微型蒸发器观测荞麦地实际蒸腾蒸发量及冠层下土面蒸发的变化规律,并验证模型精度。结果表明,所构建模型可以成功预测冠层下土面蒸发,其平均相对误差为13.5%。该研究对于实现土壤蒸发及作物蒸腾的分离估算,减少无效水分消耗具有重要意义。

灌溉与无灌溉大豆田的热量平衡

采用波文比热量平衡法和空气动力学梯度法分析了灌溉和无灌溉大豆田的热量平衡特点．研究结果表明：白天，灌溉大豆田的净辐射（１７．３０ＭＪ／ｍ２）高于无灌溉大豆田（１４．８ＭＪ／ｍ２）；净辐射占太阳辐射的比例：灌溉大豆田为６８％，无灌溉大豆田为５７％．无论灌溉大豆田还是无灌溉大豆田，白天净辐射的大部分用于潜热交换，其次用于显热交换，用于土壤热交换的份额最少．夜里。

鼎新戈壁下垫面近地层小气候及地表能量平衡特征季节变化分析

利用在甘肃酒泉金塔地区进行的“绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究”野外试验中的鼎新戈壁下垫面近地层2年的微气象观测资料,分析了鼎新戈壁下垫面近地层小气候和能量平衡特征的季节变化规律。结果表明：鼎新戈壁地区四季的平均风速在2～6 m/s之间,没有明显的地方性风,局地环流和局地相互作用可忽略;冬季8 m向上比湿梯度垂直减小,其他季节接近等比湿分布。7月,典型晴天天气下,能量平衡各量表现出标准的日循环形态,白天感热通量峰值达到574 W/m2,地热流量峰值为101 W/m2,潜热很小,在夜间和正午时刻存在负水汽输送现象;然而降水天气下,地气之间能量传输却以潜热蒸发为主,感热很小,地热流量为负值;无论晴天和阴天,地表和浅层（5 cm和10 cm）土壤温度都表现为准正弦曲线变化;与敦煌戈壁相同,土壤温度的活动层基本在10 cm范围以内,40 cm以下地温已不存在日变化特征;降水天气下,地表和浅层土壤温度有随时间减小的趋势。能量平衡各分量均具有明显的季节变化规律,感热通量季节平均的峰值在250～400 W/m2之间,在夏季最大,冬季最小;潜热通量季节平均的最大值只有15 W/m2;地气之间能量传输全年都以感热输送为主;云和降水使夏季能量平衡各分量与晴天相比减少25%左右,这种影响程度比极端干旱的敦煌荒漠戈壁地区稍大,而小于半干旱的陇中黄土高原地区。另外,在这一地区干旱情况很严重,夏季的Bowen比极值达到62.4,季节平均值也高达16.5。

湍流通量计算方法和误差的比较研究

近地层的风、温、湿梯度以及辐射和土壤热通量资料在过去的几十年间被广泛地用于计算陆-气感热、潜热通量。然而,不同的计算方法之间存在一些差异,随意的选用可能会造成计算结果存在较大的误差。文中利用绿洲系统能量与水分循环过程观测试验的2005年6月甘肃金塔绿洲中部观测资料,在分析了观测期间近地层微气象特征的基础上,对鲍恩比法、空气动力学法(包含两种不同计算方案)和变分法计算的绿洲农田下垫面的湍流通量进行了比较,并通过敏感性实验和理论分析探讨了不同方法间计算结果的差异和误差的来源。结果表明:不同方法计算的湍流通量特征存在明显差异。鲍恩比法从理论上满足能量平衡关系,但在昼夜交替和夜晚时出现了计算不稳定现象,因此在这些时段不适用。变分法避免了鲍恩比法计算夜间湍流通量的不稳定性,而且二者计算的白天湍流通量有较好的相关性;同时变分法由于加入了辐射和土壤热通量信息,明显改善了空气动力学法白天的能量平衡状况;变分法计算得到的潜热通量对辐射和微气象条件有较为合理的响应;对数据误差的敏感性试验表明,鲍恩比法和空气动力学法应用于绿洲下垫面上对观测误差较为敏感,而变分法相对比较稳定。进一步的分析表明,鲍恩比法在-2<β<0的范围内由于方法本身局限而适用性较差;而空气动力学方法计算结果的差异和误差来源于所应用的相似性函数。因而与鲍恩比法和空气动力学法计算的湍流通量值相比较,变分法的计算结果更加合理和稳定,在绿洲下垫面有较好的适用性。该文研究方法和结果可为这些方法的使用提供参考。