中国天山西部山区森林积雪消融过程观测分析——以巩乃斯河谷为例

通过对2013年春季中国科学院天山积雪与雪崩研究站区内阳坡无林地和阴坡不同开阔度森林内积雪深度、融雪速率以及常规气象的观测,分析了融雪期不同开阔度森林积雪的消融过程以及积雪表面能量平衡特征。结果表明:不同开阔度林冠下积雪深度具有相同的变化趋势,森林的林冠开阔度越大,林下积雪深度越大,林下积雪开始消融和完全消融的时间越晚,消融期也越长。森林积雪融雪开始和结束时间比阳坡无林地区晚20~30 d左右。融雪前期林冠开阔度越大,其林下融雪速率越小。融雪后期则森林开阔度越大,森林积雪的融雪速率越大。不同时期由于不同开阔度林冠下雪面能量收支以及雪层深度等物理特性的差异,从而使不同开阔度林冠下森林积雪融雪速率的相对大小,融雪速率最大值出现时间和日变化特征均不相同。晴天森林积雪的消融速率和日变化特征取决于净短波辐射和长波辐射变化特征。降水期间,其融雪速率的变化则主要受降水形式、降水量以及积雪深度等雪层特性的影响。     

中国天山西部季节性森林积雪雪层温度时空分布特征

利用2009年12月27日～2010年4月2日天山积雪站站区内开阔地和雪岭云杉(Picea schrenkiana)林下6次降雪过程后雪层内时间间隔10 min的温度数据,探讨雪层温度变化特征。结果表明,越接近地表雪层温度越高,且在雪层表面形成冷中心和(局部)暖中心;在积雪稳定期林下雪层温度高于开阔地,融雪期林下低于开阔地;林下雪层冷、暖中心出现时间晚于开阔地,其强度也小于开阔地。林下雪层温度振幅小于开阔地,林下温度振幅拐点以上雪层温度振幅随深度和时间的递减率小于开阔地,拐点以下无明显差异。初冬,林下和开阔地雪层均为较小的正温度梯度,随着气温急剧下降,温度梯度逐渐增大,且从雪表向雪底递减,林下雪层负温度梯度出现时间晚于开阔地。开阔地和林下积雪表层正温度梯度最大值分别达到0.95℃/cm和0.82℃/cm,负温度梯度大值分别达到-0.84℃/cm和-0.35℃/cm;但开阔地全雪层日平均温度梯度小于林下雪层。     

中国天山西部季节性森林积雪物理特性

积雪特殊的物理特性对冰雪水文过程、积雪生态系统、不同尺度的气候系统有重要影响。目前对林下积雪物理特性缺乏系统性研究,因此对天山雪岭云杉林下季节性积雪深度、沉降速率、密度和含水率进行观测分析。结果表明：林下积雪深度小于开阔地;林下积雪沉降速率和新雪密实化率小于开阔地,且稳定期沉降速率小于融雪期。稳定期林下积雪密度小于开阔地,林下雪层密度最大值位于中粒雪层,开阔地则位于粗粒雪层;融雪期则全层密度趋于一致。稳定期林下雪层含水率随深度递减,开阔地雪层最大值出现粗粒雪层;融雪期雪层汗水峰值出现在细粒雪层,新雪层最小,林下雪层由细粒雪层到深霜层始终呈减小趋势,开阔地雪层由细粒雪层至中粒雪层逐渐减小,粗粒雪层至深霜层逐渐增大;稳定期雪层含水率日变化随深度的递减逐渐减小,开阔地大于林下;开阔地的新雪层和细粒雪层含水率的日变化大于林下,粗粒雪层到深霜层则小于林下。     

季节性森林积雪融雪期雪层含水率垂直廓线与时间变化特征

利用snow fork雪特性分析仪测量天山积雪与雪崩研究站融雪期开阔地(站区内气象观测场)与雪岭云杉林下雪层含水率,分析季节性森林积雪融雪期雪层含水率垂直廓线和时间变化特征以及与气温的关系。结果表明:由于开阔地和林下积雪接受的太阳辐射、雪层密度和雪层污化程度等的不同,开阔地、树冠边缘及距树干1m处的雪层含水率垂直廓线特征、雪层含水率的日变化特征以及融雪期雪层含水率随时间的变化特征各异;雪层含水率受气温因子影响最大,融雪期雪层含水率随气温变化呈指数增加,由于开阔地和林下微气象条件的不同,三点雪层含水率对日均温、最高温、最低温、日较差以及逐时气温的响应也不同,且雪层含水率对气温的滞后效应也各异。     

天山季节性积雪的能量平衡研究和融雪速率模拟

本文采用能量平衡法模拟计算中国西部天山山地季节性积雪的融雪速率。结果表明:在融雪期,净辐射和感热通量分别占融雪能量输入的75.3%和22.6%;用于融雪和雪面蒸发所消耗的能量分别占吸收能量的95.1%和4.9%。用能量平衡法所计算的融雪速率和实测的雪面数据吻合的较好,表明用能量平衡法估算天山山地季节性积雪的融雪速率是可行的。     

北京西山李子峪沟坡地的能量平衡

据1987年5—10月在北京西山李子峪沟观测所得的微气候资料,运用波文比-能量平衡法,研究了坡地的辐射状况及能量平衡的各分量变化规律。分析结果表明,与阴坡相比,阳坡总辐射强度、净辐射量均较大;在雨季(6—8月),阴阳坡蒸发散量均为3.4—4.4毫米/日;潜热通量占净辐射量比例:阳坡约62％,阴坡约67％;植被层下土壤热交换量占净辐射量比例:阳坡约16％,阴坡约12％。     

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。     

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。     

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。     

内蒙古半干旱草原沙尘天气对近地层微气象学特征影响分析

利用锡林浩特国家气候观象台2011年4-5月近地层微气象、地表辐射和湍流通量观测数据,对比分析了内蒙古典型半干旱草原下垫面在晴天、扬沙和沙尘暴天气下各气象要素、地表辐射分量和能量平衡的变化特征。对于半干旱草原区,地面风速越大沙尘天气越强;沙尘过程开始前地面空气较暖,开始后地面空气转为相对较冷的状态;沙尘气溶胶含量越高,5 cm地温日变化趋势越弱,在沙尘过程中5 cm地温值越小。沙尘气溶胶含量越高,太阳总辐射越弱,大气长波辐射越强;地表反射辐射与总辐射有相同的日变化特征;沙尘气溶胶白天使净辐射值减小,夜间使净辐射值增大。沙尘天气直接辐射衰减非常明显,而且散射辐射在总辐射中占很大的比重。沙尘气溶胶对紫外辐射的削弱很强,并且沙尘含量越高,对紫外辐射的削弱越强。沙尘气溶胶的辐射强迫作用对地表能量平衡产生影响,使向上的感热和潜热输送减弱,使向上的土壤热通量增强或向下的土壤热通量减弱。     

冬春交替期沙尘过程对黑河流域戈壁地表能量平衡扰动的个例分析

利用张掖国家气候观象台梯度塔温度、湿度和风观测资料,结合近地层辐射、土壤温度、湿度和土壤热通量资料,由地表热量平衡条件和Bowen比概念求得感热和潜热通量,对比分析了冬春交替期背景条件与沙尘天气黑河戈壁地表能量和辐射平衡特征。结果表明,典型晴天和出现扬沙天气前同时段内净辐射的小时平均值非常接近,但沙尘天气发生后,净辐射迅速减小;沙尘天气发生时近地面层空气湿度远小于同时段背景条件下小湿度;典型晴天各层地温存在比较典型的日变化特征,而沙尘天气发生之初,0 cm、5 cm和10 cm处土壤温度快速升高;典型晴天表现出明显的地表辐射平衡的日循环特征,扬沙期间日循环特征被破坏,向下短波辐射减少尤为明显。     

敦煌湖泊湿地生态系统地表辐射平衡特征

利用2013年干旱环境背景下敦煌湖泊湿地生态系统的辐射数据,分析了该地区的辐射变化特征。结果表明：不同的天气背景,各辐射分量的日变化过程差异较大,晴天变化曲线呈平滑的单峰型,多云天气平滑度不如晴天,阴天、雨天和沙尘天气呈现了不规则的多峰型变化;各季辐射通量的日变化都呈单峰型,但收入量差异较大,极值出现的时间也不相同。向下短波辐射、向上和向下长波辐射、净辐射月总量的变化表现出明显的季节性,夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季,向上短波辐射的月总量的季节变化不太明显。各辐射分量日平均值具有明显的季节性,夏、春季较大,秋、冬季较小,最大值出现在6月或7月,最小值出现在12月或1月。生长季的地表反照率要低于非生长季,各季日平均反照率都是早晚高,中午低,呈"U"型。     

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。     

北冰洋78°N冰站近地层参数的观测研究

利用2003年8月22日-9月3日中国北极科学考察队在北冰洋78°N浮冰站获得的近地层观测资料,采用整体输送法对北冰洋浮冰近地层特征参数进行了分析研究。结果表明,在考察期间,雪面吸收的净辐射仅为3.6 W/m2,其中以感热和潜热向大气输送的能量分别占52%和31%,向海冰深层传导的热量很少;近中性层结条件下的平均拖曳系数Cdn为1.16×10-3,略小于75°N北冰洋浮冰上近中性层结的Cdn。与1999年75°N附近冰站观测结果的对比表明,当海冰密度及冰站所在浮冰的尺度不同时,海冰与大气相互作用的热力学和动力学过程的差异显著,在研究北冰洋地区海/冰/气相互作用对气候过程影响时,应考虑这一问题。     

古尔班通古特沙漠的辐射热量交换分析

位于新疆准噶尔盆地的古尔班通古特沙漠是我国第二大沙漠。根据古尔班通古特沙漠的自然条件,对不同下垫面区域的太阳短波辐射和大气长波辐射热量进行了测量。结果表明:在晴天状况下,流动沙丘和固定沙丘的热量交换差异主要是由地表状况、沙层性质和气温等因素决定的。流动沙丘区反射率与长波辐射大于固定沙丘区,并且日、季变化明显。长波最大辐射值出现在午后,近似于太阳总辐射,最小值出现在日出前;沙层热通量随着深度的增加而增大,而辐射热量传输则随其深度的增加而减小,无论是流动沙层还是固定沙层,其热通量的零界面深度却基本一致(9月份),均在30~35cm之间。根据上述结果,本文还讨论了沙漠区在热量交换过程中,辐射热量差异引起的沙漠小气候效应和沙漠对区域气候的反馈作用。     

北方石质山区坡面土壤厚度分布特征——以北京市密云县为例

土壤厚度是土壤退化及土地生产力水平评价的一个重要指标。本研究应用插钎法,调查了北京市密云县山区50个基本抽样单元的坡面土壤厚度。对样点数据进行了统计分析,结果表明:平均土壤厚度为15cm。小于10cm的土壤占37%,小于20cm的土壤占76%,小于30cm的占90%。空间上土壤较厚的区域主要集中在西北和东北部植被覆盖较好的地区。对影响土壤厚度的因子进行分析发现:土壤厚度与海拔无明显相关性,而坡向对土壤厚度的影响较为明显,阴坡土壤厚度明显大于阳坡。土壤厚度与植被覆盖度和坡度明显相关,与植被覆盖度的相关系数为0.84,与坡度的相关系数为-0.40,二者都通过了显著水平为0.01的显著性检验。     

2001–2018年青藏高原三江源地区高寒草地的波文比（英文）

波文比用以描述从地球表面到空气中以潜热或感热发生的热传递过程,其由于土地利用和覆盖变化的生物物理效应而成为研究热点。波文比对评估生态系统气候调节功能具有一定的作用,但在大多数生态评估中常常被忽略。本文以位于气候敏感区和脆弱区的青藏高原腹地的三江源地区为研究区域,基于MODIS蒸散产品以及2001–2018年MODIS反照率计算出的陆地表面净辐射估算出波文比,并利用通量观测数据对MODIS蒸散产品进行了验证。通过多元线性回归和结构方程模型(SEM)两种方法分别分析了波文比的时空变化和影响因素。结果表明:1)MOD16蒸散数据与海北和当雄两个高寒草甸的涡度通量观测数据显著相关,相关系数分别为0.78和0.70,显著水平P值均小于0.01;2)2001–2018年期间三江源地区草地的多年平均波文比是2.52±0.77,呈从东南向西北逐渐递增的空间格局;研究时段内波文比整体呈下降趋势(Slope=–0.025, R~2=0.21, P=0.056);3)以年总降水量、年平均气温、年平均相对湿度、年平均NDVI及年均反照率为自变量的多元线性回归方程,可解释三江源全区平均波文比年际变化的51%,根据标准化回归系数,气温的影响最大,这表明气候变暖对净辐射分配为感热和潜热的比例有很大的影响;4)此外,植被变化的贡献通过结构方程模型进行定量分析,结果表明NDVI的增加将导致反照率的下降,路径系数为–0.57,反照率对波文比影响为正,路径系数为0.43,这是由于气候变化引起的NDVI变化的负面和间接影响。明显的湿润气候可以增加蒸散,以全球气候变暖为主并叠加降水增加的气候变化,将促进植被生长,地表反照率降低,会使地表净辐射增加;但同时气候变暖主导并直接促进了地表蒸散增加,导致了波文比降低,表明波文比能够综合反映区域气候和植被变化的生物地球物理效应,可在今后生态系统评估中作为气候调节功能指标之一。     

GDAS数据和NOAH陆面模式在中国应用的精度检验

GDAS数据集中的大气强迫数据是目前使用最广的用于陆面模式模拟地表水热参数的输入数据集,除模型本身外,可以说这些输入数据决定了模型的模拟精度。虽然这类数据具有空间分辨率低、空间代表性和精度有限的缺点,但在没有更好办法的现实条件下,现阶段多数研究者还是以此为依据进行陆面过程的模拟分析。本文的目的就是对目前普遍使用的GDAS强迫数据和NOAH陆面模式在中国应用的模拟精度进行检验,是模型和数据不做任何改动条件下的检验结果,给出客观的评价,以作为数据和模型使用者的参考依据,引起研究者的重视。利用中国3种典型生态系统的地面实测数据进行检验的结果显示：@GDAS强迫数据中的短波净辐射数据和总净辐射数据质量非常好,可以作为重要的辐射数据源使用;（2）GDAS的降雨数据与地面雨量筒实测数据比较误差较大,但综合考虑降雨数据验证时的尺度效应问题和目前降雨空间数据资源十分有限,GDAS的降雨数据仍具有很高的实用价值;（3）NOAH模拟的地表潜热、显热通量和0-10cm表层土壤含水量数据在时间变化趋势上与地面观测结果较一致,说明模拟结果能够很好地反映地表真实的变化过程,但在具体量值上仍存在较大差异;（4）NOAH模拟对土壤热通量的模拟精度较差。     

古尔班通古特沙漠春季土壤含水量空间格局

春季积雪融水是古尔班通古特沙漠土壤水分的重要补给源之一,为早春植物的萌发和生长创造了有利的条件。为掌握该地区春季沙丘的土壤水分分布状况,采用探地雷达测量技术,于2010年4月进行了多次野外测量,并通过对地面直达波信号的提取和分析,初步获得了一致的测量结果。结果表明：（1）探地雷达地面直达波测量的土壤平均含水量与20 cm深同步TDR的测量结果非常接近,两者总体相差在0.02 cm3/cm3以内,充分反映了GPR地面直达波测量结果的有效性和精确性;（2）春季积雪完全融化后,沙丘/沙垄顶部土壤水分明显低于垄间低地,这与前人的研究一致,反映了积雪和冻土层在消融过程中,沙丘表面融水在坡面重力作用下,沿难以透水的冻土层上界自坡上向坡下迁移,形成了垄间最高、坡部次之和垄顶最少的分布格局;（3）垄间低地的土壤水分明显受到低矮灌草丛的影响进行再分布,这是由于积雪最初沿植丛基部开始消融,并以植丛为中心形成漏斗状融洞,从而形成以植丛为中心汇集较多融雪水的格局,而垄间低地中较为高大的梭梭乔木对融雪水的再分布影响明显不如低矮的灌草丛,这与其地表茎基过少有关。此外,探地雷达测量实验提供了详实可靠的表层土壤含水量分布信息,可为荒漠生态系统的空间尺度研究提供真实可靠的数据基础。     

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℃。