石河子垦区绿洲农田下垫面辐射收支特征研究

绿洲农田是干旱半干旱区特有的生态系统,研究农田地表辐射收支对理解区域能量平衡及气候形成机制具有重要意义。利用石河子垦区乌兰乌苏农业气象试验站2021年4月—2022年3月在绿洲农田下垫面的观测数据,分析石河子垦区绿洲农田下垫面辐射分量和地表反照率的变化特征,将种植不同作物(棉花和玉米)农田地表的辐射分量进行对比,又与同区域的裸地进行了差异性分析。结果表明:(1)石河子垦区绿洲农田下垫面向下的短波和长波辐射、向上长波辐射和净辐射的日均值在生长发育期高于非生长发育期,向上短波辐射冬季最大,振幅变化亦同。(2)在同区域绿洲农田下垫面上种植不同农作物对向下的短波和长波辐射影响较小,在植物生长发育期,对向上的短波和长波辐射以及净辐射的影响显著,日均值最大相差分别为33.74 W·m^(-2)、54.82 W·m^(-2)和65.98 W·m^(-2),种植作物农田和裸地的净辐射差异最为明显,农田相较于裸地其日峰值出现的时刻有滞后效应,滞后约1 h。(3)裸地净辐射年曝辐量与棉田相差1147.8 MJ·m^(-2),与玉米田相差1519.7 MJ·m^(-2)。(4)裸地、棉田和玉米田的地表反照率均表现为冬月较大,其年均值分别为0.34、0.23和0.25,裸地的地表反照率年均值高于有农作物种植的农田下垫面,最大相差0.11,降雨过程会使地表反照率减小,而降雪过程则相反。

成都平原农田下垫面地表通量特征及能量平衡分析

地表能量平衡是地-气间相互作用的重要方式,随着涡旋相关技术在物质传输和能量交换研究中的广泛应用,如何评价其观测数据的可信度则变得尤为重要。利用成都平原温江大气边界层观测站2008年观测资料,分析了农田下垫面上能量收支各分量和辐射平衡各分量的特征及变化规律,并运用最小二乘法(Ordinary Least Squares,OLS)线性回归方法和能量平衡比率(Energy Balance Ratio,EBR)方法对湍流通量(感热与潜热通量之和)与有效能量(净辐射与地表土壤热通量之差)之间的关系进行了研究,得到了一些有意义的结果。

洱海湖滨农田下垫面土壤热通量特征分析

为深入了解洱海湖滨地区的陆面过程和能量交换特征,基于大理国家气候观象台2007—2020年近地层通量观测系统资料,详细分析了土壤热通量的日、季节和年际变化及其与净辐射通量、感热和潜热通量的相关性。结果表明:洱海湖滨农田下垫面4 cm、10 cm、20 cm深处的土壤热通量日变化均呈现“S”形,随着土壤深度的增加,土壤热通量日较差逐渐减小,日变化峰值的时间有一定延迟,延迟速率随季节发生变化。不同深处的土壤热通量年内变化呈现倒“U”形,4 cm深处土壤热通量5月达到最大值,而10 cm、20 cm深处均在6月出现最大值。由浅至深各层土壤热通量多年平均值分别为-0.7 W·m^(-2)、-0.9 W·m^(-2)、-0.6 W·m^(-2)。不同时间尺度的土壤热通量与净辐射通量和潜热通量均有较高的相关性,而与感热通量的相关性较低,这表明土壤热通量的大小主要受净辐射通量的影响,而土壤热通量对潜热通量的影响较为明显。

密西西比地区农田下垫面能量平衡特征研究

近些年来涡旋相关技术被广泛地应用在大陆生态平衡系统和天空大气之间二氧化碳和水汽等大气物质传动与输送和能量平衡交换的研究中。通过分析密西西比2006年6—9月的通量观测资料,分析了农田下垫面上能量收支的特征及变化规律,并运用OLS(Ordinary Least Squares)和EBR(Energy Balance Ratio)方法对湍流通量(感热与潜热通量之和)与有效能量(净辐射与土壤热通量之差)之间的关系进行了研究。结果表明:在不同天气条件下辐射平衡和能量平衡特征有很大变化。大气有效能量和湍流通量之间有很好的相关关系,但是地面湍流通量系统性低于有效能量,存在能量不闭合现象,不闭合率约为24%。在早间和午后这段时间EBR值变化最为强烈,中午前后明显大于早晚,地面能量闭合度在白天的要低于晚上。

Noah-MP陆面模式对干旱区不同下垫面水热通量模拟评估

基于干旱区张掖国家气候观象台2021年1月-2022年6月和大满灌区绿洲农田站2020年1-12月的观测数据,评估Noah-MP模式对干旱区荒漠和农田两种下垫面的水热通量的模拟性能。结果表明:Noah-MP模式模拟的干旱区荒漠下垫面辐射与观测值的相关系数均>0.98,泰勒评分>0.93。感热的泰勒评分(0.809)>潜热的泰勒评分(0.504),对辐射及湍流通量的变化特征、峰谷值与观测值总体一致,模拟效果较好。模拟的5 cm土壤湿度对降水过程有明显的响应,表现出明显的冷暖季差异,但其模拟性能仍有待改进。Noah-MP模式模拟的干旱区农田下垫面辐射通量及各层土壤温度的相关系数均>0.98,泰勒评分>0.58,模拟效果较理想。但模拟的潜热通量及各层土壤湿度较观测值偏低,尤其在生长季模拟性能不理想。Noah-MP模式对干旱区荒漠下垫面水热通量的模拟性能优于农田下垫面,优化和发展模式水文过程的参数化方案,在模式中考虑人为作用,是提高干旱区陆面过程模式模拟能力的重要方向。

稻麦轮作农田近地层湍流通量计算方案对比研究

稻麦轮作农田是我国典型农田类型,其模拟效果对我国农田气候模拟具有重要参考价值。气候中尺度模拟结果对近地层通量极为敏感,选择合适的通量计算方案对模拟效果至关重要。因此,对比分析稻麦轮作农田下不同的通量计算方案具有重要意义。本文选取了8种具有代表性的近地层湍流通量计算方案,采用寿县国家气候观象台实测资料对比分析了各方案在稻麦轮作农田的计算特征和差异。结果表明,在不同稳定度和不同风速情况下,各方案的误差特征各异。本文基于归一化标准差综合评价了各方案的准确度,总体而言,所有方案的动量通量总体平均归一化平均差为0.536,其中SS14(Sharan和Srivastava, 2014年)方案最大为0.575,SS20(Sharan和Srivastava等,2020年)方案最小为0.517;所有方案的感热通量总体平均归一化标准差为0.638,其中GLGS20(Gryanik等,2020年)方案最大为0.871,SS14方案最小为0.476。此外,本研究还给出了稻麦轮作农田不同稳定层结和不同风速情况下各通量计算方案的误差特征。本文的研究结论,可为准确计算近地层湍流通量提供支撑。

夏季晴天沙漠绿洲非均匀下垫面地表能量平衡分析

利用"古浪非均匀近地层观测试验"数据,分析地表热通量不同算法对地表能量不闭合的影响,估算中国西北干旱区农田下垫面的植被光合作用、空气热储存、生物量储热和垂直平流输送,并且分析其对干旱区农田下垫面夏季地表能量不平衡的补偿。结果表明:干旱区农田植被光合作用平均日变化最大值达9.9 W·m^(-2),空气热储存平均日变化最大值达10.6 W·m^(-2),生物量储热平均日变化最大值达32.4 W·m^(-2),垂直平流输送平均日变化最大值达22.9 W·m^(-2);各补偿项对地表能量闭合度分别提高2%、1%、2%和6%;在能量平衡方程中引入这4项后地表能量平衡闭合度由79%提升到90%。植被光合作用、空气热储存、生物量储热和垂直平流输送对干旱区农田地表能量不闭合有明显改善。

农田流域水文响应特征分析及模型考虑

农田流域由于下垫面性质的复杂和农业管理活动对水文循环的影响,表现出了与自然流域不同的水文特征。通过对农业水文、农田水利方面的相关研究进行总结,从农田流域典型下垫面和农业管理活动2个角度,分析农田与自然流域水文响应差异,提出建立基于农田水文系统特征的分布式流域水文模型的若干考虑。