土地覆被变化过程中叶面积指数与降水量对地表能量平衡的贡献——基于SiB2的模拟结果

土地覆被变化过程中,叶面积指数（LAI）是地表能量平衡重要的影响因素,且与降水等多种因素存在交互作用。以2003 年中国东北地区农田、森林和草地三种覆被类型和三种LAI月变化过程为研究对象,着重分离出土地覆被变化过程中LAI对地表能量平衡的作用,认清覆被和LAI 变化对地表能量平衡的相对作用。利用SiB2 模型研究不同降水条件下土地覆被和LAI 变化对地表能量平衡的影响。结果表明：① 覆被变化对净辐射的影响最大,年均14.5W·m^-2左右。② LAI 主要改变净辐射对潜热和显热的分配,对农田和草地而言,LAI 增加明显提高（减小）潜热（显热）分配比例;对森林而言,LAI对潜热和显热分配的影响较弱。③ 降水对净辐射的分配起重要作用,降水增加,潜热增加。④ 表层土壤水分受降水和LAI 调控,与潜热有相反的变化趋势。     

放牧对退化草地近地面辐射的影响

随着环境变化,草原地表状态也会改变,尤其是近地面能量收支过程变化更明显。为深入理解半干旱草原地表辐射能量平衡过程对放牧的响应特征,利用内蒙古正镶白旗典型退化草原2020年生长季（6—10月）的辐射通量观测资料,对比分析了禁牧、放牧草地太阳总辐射、地表反射辐射、大气长波辐射、地表长波辐射、净辐射以及地表反照率的日变化和生长季变化规律的差异。结果表明：在生长季,太阳总辐射随着时间推进逐月递减;禁牧区的地表反射辐射总体小于放牧区;各月大气长波辐射日变化幅度很小,处于130—370 W·m^-2;禁牧、放牧条件下地表长波辐射存在明显的季节变化规律,但是二者之间的差异甚微。内蒙古典型退化草原生长季近地面辐射通量有显著单峰型日变化特征。禁牧、放牧草地地表反照率都呈现“U”型日变化规律。生长季放牧草地的反照率明显高于禁牧草地。在禁牧区,辐射分量（地表反射辐射、大气长波辐射）和植被指数（归一化差异植被指数）对净辐射的影响是正向极显著的;而地表反照率和另一辐射分量（地表长波辐射）对净辐射有显著的负向作用。在放牧区,地表反射辐射和大气长波辐射对净辐射有极显著的正向作用;而地表反照率和地表长波辐射对净辐射的作用则是负向显著的。植被状况是影响内蒙古典型退化草原近地表辐射能量收支过程的首要因子。     

敦煌戈壁冬夏季地表辐射与能量平衡特征对比研究

利用敦煌戈壁夏（2006年7月）、冬（2007年1月1—10日）季观测得到的微气象资料,比较了夏、冬季敦煌戈壁的地表辐射平衡、能量平衡特征。分析了地表反照率（Albedo）与土壤特性的关系,发现地表反照率和表层土壤温度日变化呈反相关;冬季地表反照率和土壤湿度的线性相关差,夏季地表反照率和土壤湿度的线性相关性好;地表反照率和土壤热通量呈反相关,并且冬季二者的拟合性好于夏季。分析了降水前后各能量通量的变化,发现阵雨时感热H是变小的,降雨过后H和净辐射Rn有明显的增大,土壤热通量Gn在降雨过后也有增大,潜热LE变化微弱,对阵性降水强迫后的非平衡态的张弛时间大约为3 d。     

黄土高原半干旱草地降水前后土壤的温、湿度及热力特征

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站）陆面过程综合观测资料,分析了强降水前后榆中黄土高原半干旱草地土壤温、湿特征的差异,讨论了水分状况对土壤热力参数及地表能量分配的影响。结果表明:水分胁迫条件下,黄土高原半干旱草地土壤在10 cm深度存在一个湿层;强降水过程可使土壤湿度受影响范围接近40 cm深度。水分胁迫条件下,感热通量是黄土高原半干旱草地生态系统能量分配过程中净辐射的最大消耗项;无水分胁迫条件下,潜热通量是能量平衡系统中净辐射分量的最大消耗项。降水改变了土壤湿度并使得土壤热传导率发生变化,土壤热传导系数和土壤热容量随土壤湿度增加而增大。     

三江平原季节性积水沼泽湿地能量平衡要素研究

2005年6月1日到8月30日,在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站沼泽综合试验场季节性积水沼泽湿地,观测了净辐射和土壤热通量;利用Penman-Monteith公式和地表能量平衡方程式计算了潜热通量和感热通量;同时用SHAW模型对以上4个能量平衡要素进行了模拟研究,并用观测值以及模型效率、标准差和平均方差检验和评价了其模拟效果。结果表明,三江平原季节性积水沼泽湿地净辐射在6月末至7月初较大;潜热通量主要受净辐射的影响,与土壤水分关系不密切;沼泽湿地地表在6月初至8月中旬以吸收能量为主,8月末以后则开始释放能量;感热通量在植物生长季的初期和末期较大,在中期则比较小。SHAW模型能较好的模拟出沼泽湿地的净辐射、潜热通量和土壤热通量;该模型虽对感热通量的模拟结果并不理想,但能较好的模拟其变化趋势。这说明SHAW模型基本适用于对季节性浅积水沼泽湿地（水深小于10cm）能量平衡各要素的模拟。     

盐结皮土壤形成发育过程影响下的能量平衡动态变化

地表能量平衡是地气交互作用的关键环节,探究不同下垫面的地表能量平衡特征对了解地表的热量传输具有重要意义。然而,目前对于能量平衡在盐结皮土壤形成过程下的变化特征的研究未见报道,主要难点在于缺少盐结皮形成过程中土壤表面反照率的计算方法,严重影响了盐渍化土壤热量传输的精确定量描述。因此,利用模拟试验结合能量平衡模型,应用反照率计算方法,定量分析了盐结皮土壤形成发育过程下能量平衡的动态变化特征。结果表明：(1)Logistic增长模型可以很好地拟合盐结皮在土壤表面的形成发育过程(R²=0.99)。(2)在持续照射条件下(1000 W·m^-2,16 d),随着盐结皮的持续发育,盐结皮土壤的反照率比对照高出0.15～0.41,从而显著降低了土壤对热量的吸收,导致盐结皮土壤表面温度比对照降低了16℃。(3)盐结皮土壤的净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量在反照率和表面温度影响下分别比对照减少了47.9%、52.4%、46.8%和47.4%,显著影响了土壤的剖面温度。研究结果对进一步探讨盐结皮影响下的土壤水热传输过程具有重要的科学价值。     

黄土高原半干旱区陆面温度和能量的气候特征分析

利用黄土高原半干旱区“定西陆面过程综合观测试验站”2004年11月至2005年10月的各种陆面物理量综合资料,比较系统地研究了黄土高原半干旱区土壤温度、降水量、地表反照率、地表辐射分量和能量平衡分量的年变化和日变化特征及其影响机制。结果显示,黄土高原陆面过程特征与其他地区有很大不同。土壤温度变化向下传播速度约为2.5~3.5 h/10cm;地表反照率随土壤湿度的增大而减小,两者的相关系数达到了0.5338;而地表反照率随降雪量增大而增大,与降雪量的相关系数为0.6645;长波辐射年最大值出现的时间比总辐射迟1个月左右,年平均日变化中地表和大气对太阳辐射加热大约需要1个小时的响应时间; 潜热通量夏季是冬季的5倍多,感热通量有了两个比较明显的峰值,潜热通量、感热通量和土壤热通量的日峰值比净辐射滞后30 min~1 h。     

融雪期天山西部森林积雪表面能量平衡特征

通过对2013年春季中国科学院天山积雪与雪崩研究站站区内阳坡开阔地和阴坡雪岭云杉80%和20%开阔度林冠下气温、大气湿度、风速以及雪面短波和长波辐射的观测研究,分析了融雪期不同开阔度林冠下积雪表面能量平衡特征。结果表明:由于植被影响,阴坡雪岭云杉林冠下积雪表面净短波辐射和显热明显小于阳坡开阔地,但净长波辐射损失小于阳坡开阔地。阴坡林冠下积雪表面总能量明显小于阳坡开阔地,因此阴坡森林积雪融雪开始消融和结束时间明显晚于阳坡开阔地。在阴坡,林冠开阔度越大,雪面获得的净短波辐射和显热越大,但损失的净长波辐射和潜热也越大。不同开阔度林冠下和阳坡开阔地积雪表面的净短波辐射、显热和潜热有相同的日变化特征,但是森林积雪表面夜晚的显热和潜热多为0 W/m2;阴坡森林积雪表面长波辐射日变化特征明显不同于阳坡开阔地雪面。     

塔克拉玛干沙漠腹地秋季陆面过程特征

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中2014年10月的秋季涡动通量数据，分析了塔中秋季陆面过程通量变化特征。结果表明：（1）塔中秋季10月净辐射R_n、感热通量H、潜热通量LE、地表土壤热通量G₀峰值依次为273.0、141.6、5.0、105.0 W·m^-2，平均日总量依次为2.85、2.68、0.08、-0.57 MJ·m^-2，净辐射能量分配以感热能量输送为主。（2）不同典型天气下，净辐射日总量扬沙>晴天>阴天>降水；阴天、扬沙天气H随R_n不同程度削减而减少，降水天气潜热增多导致日变化特征有别于其他天气。（3）10月能量闭合率为79.0%，不同天气能量闭合率阴天>晴天>扬沙>降水，依次为86.8%、83.4%、79.4%、71.4%。（4）地表反照率晴天呈“U”型变化，阴天和扬沙天气地表反照率趋势变缓发生波动现象，降水天气波动较大，趋势先降低后回升。（5）月平均热通量日间为正值，夜间为负值。日间能量闭合率为73.9%，夜间为50.8%，存在较高的能量不闭合。     

华北平原玉米播种期和品种变化对冠层温度的影响及地表生物物理机理

通过改变陆—气界面的地表水热交换,农田管理变化是气候变化的重要反馈过程之一。华北平原玉米的播种期和有效积温发生了规律性变化,改变了叶面积指数(LAI)、地表反照率(α)、净辐射(R_n)、潜热(LH)和冠层温度(T_c)等,成为区域气候变化的重要反馈过程。论文利用SiBcrop模型模拟3种玉米情景(春玉米、夏玉米、潜在玉米)下的LAI、α、R_n、LH和T_c的季节动态。结果表明,春玉米具有早播种、早收获、早LAI峰值的特征;夏玉米具有晚播种、晚收获、晚LAI峰值的特征;潜在玉米具有早播种、晚收获、高LAI的特征。模拟情景之间LAI差异为±2.5 m²·m^-2;T_c差异为±0.5 ℃。地表反照率(α)和地表能量分配是决定情景之间T_c差异的决定因素,播种期推迟,以α升高的降温效应为主;有效积温增加,以LH分配增多的降温效应为主。春玉米具有最高的冠层温度,夏玉米和潜在玉米的冠层温度较低且差异很小。研究结果对于促进农田土地管理变化适应和缓解区域气候变化具有一定意义。     

1990-2010年中国土地覆被变化引起反照率改变的辐射强迫

土地覆被变化通过改变地表反照率而影响地表辐射收支与能量平衡,从而对区域和全球气候产生影响。本文利用高时空分辨率遥感数据分析1990-2010 年中国土地覆被变化改变地表反照率的时空驱动机制,并计算全国50 个生态区地表反照率变化导致的年际尺度辐射强迫,揭示土地覆被变化在生态区尺度上影响气候变化的生物地球物理机制。结果表明:1990-2010 年全国土地覆被变化以耕地开垦、草地沙化、城市化等人类土地利用活动导致的土地覆被变化最为明显,全国草地与林地面积分别减少了0.60%和0.11%;建设用地和耕地面积分别增加了0.60%和0.19%。全国土地覆被变化通过改变地表反照率引起的平均辐射强迫为0.062 W/m²,表现为增温的气候效应,但在生态区尺度辐射强迫空间差异很大。京津唐城镇与农城郊农业生态区主要土地覆被变化为耕地转为建设用地,引起地表反照率降低了0.00456,产生0.863 W/m²的辐射强迫,表现为增温的气候效应;而三江平原温带湿润农业与湿地生态区主要的土地覆被变化为林草地转为耕地,引起地表反照率升高了0.00152,产生-0.184 W/m²的辐射强迫,表现为降温的气候效应。     

基于地表能量平衡的城市热环境遥感研究——以石家庄市为例

对石家庄市LandsatTM数据进行土地覆被分类,计算各土地覆被类型的能量平衡分量。找出感热、潜热、储热通量在下垫面的分配差异并分析下垫面面积比例与感热/净辐射的关系。发现密集不透水面感热单位面积能量达314.1 W/m2,49.9%的净辐射转换为感热。城市植被、水体净辐射的61.2%,65.9%变成潜热;感热/净辐射与城市植被和水体面积比例负相关,面积比例小于30%,感热/净辐射随之减少而快速增长;大于30%则随之增加缓慢降低。感热/净辐射与不透水面面积比显著正相关,可见,城市近地层温度升高主要由不透水面产生的感热交换引起。     

MODIS BRDF/Albedo数据在中国温度模拟中的应用

地表反照率直接影响地表辐射平衡,进而改变当地温度(2 m气温,下同),然后还可能通过大气平流过程影响下游地区的温度。为揭示利用实时更新的地表反照率替换WRF (Weather Research and Forecasting) 模式的静态地表反照率对中国大陆温度模拟结果的影响,本文进行了两组为期6 年(2002-2007 年) 的连续积分试验：控制试验(CT试验) 采用短波波段地表反照率,取自WRF模式推荐的地表参数数据集;敏感试验(MD试验) 采用分波段的(可见光和近红外) 地表反照率,取自MODIS BRDF/Albedo数据产品。试验结果表明,CT试验能够模拟中国温度的基本空间格局,但是模拟温度相对于观测温度有明显偏差,青藏高原南部的模拟温度偏低(负偏差),最大偏低幅度为1.03oC,出现在秋季,东部地区的模拟温度偏高(正偏差),最大偏高幅度达3.4oC,出现在春季;MD试验模拟结果的正、负偏差格局与CT试验基本相似,但是与CT试验相比,MD试验模拟的青藏高原南部温度的负偏差更大,最大为1.32oC,而模拟的东部地区温度的正偏差明显减小,最大为2.97oC,这说明MD试验比CT试验模拟的温度普遍偏低。在青藏高原,这主要归因于MD试验比CT试验的地表反照率大,使得地表净辐射少,地表感热少,致使温度偏低;在中国东部的黄淮海至江南丘陵区,这主要归因于MD试验中北方蒙古高原的地表反照率比CT试验的大,使得MD试验中该地区的地表净辐射少,地表感热少,温度低,然后通过南下冷平流过程致使位于其下游的黄淮海至江南丘陵区温度降低。     

城市不同下垫面的能量平衡及温度差异模拟

城市能量平衡是研究城市热岛效应的物理基础。利用北京市教学植物园2010年的实测数据,设置不同类型下垫面(植被覆盖类型:林地、草地和不透水层覆盖类型:道路、房屋),利用局地尺度城市气象参数化方案模拟并分析了相同气象条件和净辐射通量输入下,不同类型下垫面的显热、潜热通量及蒸散降温效应的差异。结果显示:(1)不同类型下垫面的各能量支出项有明显差异,植被覆盖区域和不透水层覆盖区域的波文比年均值分别为0.28和4.60,且在植被生长季差异较大;(2)城市扩展过程中道路、房屋替换林地、草地的过程,也是显热增加而潜热减少的过程。植被层向不透水层转换的过程中,显热通量年均增加32.74W/m²,潜热通量减少38.87W/m²,储热通量增加7.95W/m²;(3)理论上,植被蒸散的年降温效应使单位面积植被覆盖区域的气温比不透水层区域可低2.63℃。     

华北平原典型农田水、热与CO2通量的测定

在中国科学院栾城农业生态试验站用波文比-能量平衡法与涡度相关技术对净辐射通量（Rn)，潜热通量（λE），感热通量（H），土壤热通量（G）与冠层CO2通量（Fco2)进行了长期定位研究，结果显示Rn大部分用于作物潜热的消耗，连续2年4个生长季λE/Rn都在70%以上，在作物生育盛期，夏玉米λE/Rn略高于冬小麦，H/Rn都在15%左右，G/Rn在5%-13%之间，且冬小麦G/Rn明显高于夏玉米。蒸发比值（EF）在不同的理想环境条件下，随着可供能量（Rn-G)的增加表现出先迅速下降，后缓慢下降，最后趋于稳定的趋势，并在冬小麦环境条件下得到了验证，直角双曲线模型可以模拟Fco2随光通量密度（PPFD）的响应过程。晴天冠层水分利用效率（WUE）不是在正午出现最高值，当PPFD达到1500μmolm^-2s^-1左右时，WUE却略有下降。     

额济纳绿洲地表土壤热通量特征及模拟估算

土壤热通量是地表能量平衡的重要分量,研究其变化特征对理解能量平衡过程具有十分重要的意义。利用中国科学院阿拉善荒漠生态水文试验研究站实际观测数据,分析了额济纳绿洲在不同天气条件（晴天和阴天）和时间尺度下地表土壤热通量变化特征,并采用强迫恢复法对地表土壤热通量进行了估算。结果表明：（1）晴天地表土壤热通量的日总量、平均值、最大值和振幅等都明显大于阴天。（2）在观测期内,地表土壤热通量总体呈先升高后降低的趋势,最大值出现在7月中旬,最小值出现在10月初,二者之间的日均值相差超过了900 W·m^-2。（3）不论晴天还是阴天,净辐射较地表土壤热通量在早晨和晚间都是先达到零值,且净辐射在正午前后先达到峰值。（4）对地表土壤热通量取绝对值可以看出,无论昼夜,均是晴天大于阴天。（5）一天内地表土壤热通量占净辐射的比例随着时间递减。（6）基于强迫恢复法估算的额济纳绿洲地表土壤热通量与实测值具有较好的一致性,可用于地表土壤热通量模拟。     

基于地理探测器的北京市地表反照率时空分异及其驱动因素研究（英文）

地表反照率直接影响着辐射平衡和地表热收支,是地球-大气系统研究中的关键因子。本文研究了2015年北京市地表反照率的时空分布特征,并基于地理探测器定量分析了地表反照率空间分异的驱动因素及其交互作用。结果表明:北京市地表反照率呈东南高、西北低的趋势;冬季变化最大,春季变化最小;年地表反照率最小值出现在秋季,最大值出现在冬季,具有显著的时空异质性。土地覆盖类型、NDVI、高程、坡度、温度和降水对地表反照率的空间分异均有显著影响,影响力分别为0.537、0.625、0.512、0.531、0.515和0.190;且一些驱动因素对反照率空间分布的影响存在显著差异。任意两种驱动因素之间均存在交互作用,表现出双变量增强的结果。其中,地表覆盖类型与NDVI的交互作用最大,影响力为0.710,而温度与降水的交互作用最弱,影响力为0.531。研究结果为了解北京市地表反照率的时空分布特征以及区域气候和陆面模式中能量模块的物理过程提供了科学依据。     

石河子垦区沙漠和绿洲下垫面生态条件下能量交换特征

 在古尔班通古特沙漠南部流动沙区及其以南100 km的滴灌棉田为绿洲下垫面的生态条件下,分析研究了能量输送的不同模式和日变化进程。在沙漠生态条件下, 大部分净辐射用于感热通量的散失,另一部分用于向地下传输,少部分则用于潜热输送;与沙漠相比,在滴灌棉田生态条件下的绿洲能量输送的基本模式为: 农田蒸散的潜热能量占绝大部分,少部分用于感热通量和土壤热通量的消耗,另一个与沙漠不同的特征是绿洲存在地表能量平衡差额。     

内蒙古半干旱草原下垫面地表辐射特征

中纬度半干旱草原是全球陆地生态系统的重要类型之一,也是我国北方主要的地表类型,为深入了解我国半干旱草原区陆面对大气的辐射强迫,选取锡林浩特国家气候观象台2010年的辐射观测资料,分析了内蒙古半干旱草原下垫面地表辐射平衡各分量、地表吸收辐射和有效辐射以及地表反照率的日变化和季节变化规律,并与西北典型干旱区作了对比分析。结果表明：半干旱草原区太阳总辐射季节变化特征非常明显,季节平均日积分值由大到小依次为夏季、春季、秋季、冬季,年总量为6 036.64 MJ/m²,与黑河地区绿洲接近,明显小于戈壁和沙漠下垫面的值;半干旱草原地表反射辐射年变化趋势较为复杂,在4～10月由于下垫面植被和土壤类型、湿度等的差异,半干旱草原地表反射辐射月平均值低于黑河地区草地和荒漠的值,但高于农田的值;地表吸收辐射季节变化规律与总辐射保持一致;大气长波辐射年总量为8 155.23 MJ/m²,低于黑河地区草地、荒漠和农田下垫面的值,主要是由于半干旱草原区地理纬度较高,全年平均气温较低造成的;在植被覆盖较好的6～9月,半干旱草原区地表长波辐射月总量为4 532.14 MJ/m²,低于黑河流域的荒漠区,而高于草地和农田的值;半干旱草原区地表有效辐射年总量为2 398.75 MJ/m²,小于黑河地区沙漠和戈壁下垫面而大于绿洲;半干旱草原区地表反照率年均值为0.35,均大于西北干旱区不同下垫面,主要由于半干旱草原区冬春季地表积雪覆盖时间明显长于干旱区,可见,地表积雪对反照率的影响非常大。     

塔克拉玛干沙漠腹地辐射平衡和反照率变化特征

辐射平衡直接影响地气系统物质和能量交换,辐射平衡研究极其重要。本研究使用了2006年8月至2011年12月位于塔克拉玛干沙漠腹地塔中的塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站地表辐射和反照率观测资料,分析了辐射平衡和地表反照率季节变化和年变化以及各种典型天气下日变化的特征,并与其他地区进行了对比。结果表明：沙漠腹地辐射平衡各分量最小值均出现在1月,各分量最大值出现时间不一致,其中短波辐射5月最大,长波辐射7月最大,而净辐射最大值在6月。各辐射分量夏季最大,冬季最小;总辐射四季平均日变化极值低于青藏高原,与黑河戈壁相差不大;反射辐射春季与夏季、秋季与冬季差值较小。短波辐射和净辐射各季日峰值出现在12：00,长波辐射各季日峰值出现时间比短波辐射滞后1～3 h。大气长波辐射各季日振幅较小,约为地面长波辐射的1/5～1/4,且地面长波辐射各季日变化为不对称分布;长波辐射各季日最小值都出现在日出前1 h。多云、浮尘和沙尘暴天气辐射平衡日变化不规则,云量和沙尘对辐射各分量影响明显;沙尘暴日,大气长波辐射峰值可增加18%,而总辐射、反射辐射、地面长波辐射和净辐射峰值分别衰减了57.8%、54.0%、55.8%和21.9%。地表反照率3月最大（0.30）,7月最小（0.25）,平均值为0.27;夏季小,冬季大;晴天早晨和傍晚大,沙尘暴日最大。