青藏高原高寒灌丛生长季和非生长季CO_2通量分析

采用涡度相关法对青藏高原高寒灌丛CO2通量的观测表明,青藏高原高寒灌丛生长季和非生长季节CO2通量变化特征差异极为显著.生长季节(5~9月)08:00~19:00为CO2净吸收,19:00~08:00为CO2净排放,CO2通量峰值一般出现在12:00左右,6~9月CO2净吸收峰值分别为0.71,1.19,1.46,0.67gCO2·m?2·h?1;相对于温度,生长季CO2通量振幅更受光合有效辐射变化的影响;就月变化模式而言,8月是生长季CO2净吸收最高月份,月净吸收量达到247gCO2·m?2,整个生长季CO2净吸收的总量达583gCO2·m?2.非生长季节(1~4月及10~12月)CO2通量变化振幅极小,最大CO2净排放通量为0.30gCO2·m?2·h?1(4月),除11:00~18:00左右少量的CO2净排放以外,其余时段CO2通量均接近于零;非生长季CO2通量日变化规律,尤其是白昼CO2通量与土壤温度变化呈显著的正相关关联;4月是全年CO2净排放的最高月份,全月净排放量为105gCO2·m?2,整个非生长季CO2净排放为356gCO2·m?2.     

长白山森林生态系统CO_2和水热通量的模拟研究

以基于过程的BEPS模型为基础,根据长白山温带阔叶红松林生态系统的生态过程机制,建立了能够描述半小时尺度生态系统通量日变化的模拟模型BEPS.应用该模型对2003年长白山温带阔叶红松林生长季内的CO2和水热通量的模拟结果表明:模型模拟的净生态系统生产力(NEP),潜热通量(LE),显热通量(Hs)与涡度相关系统的实测数据相关性较好,R2值分别达到0.68,0.75,0.71.模拟的长白山温带阔叶红松林生态系统的年累积NEP为300.5gC·m?2,与实测值也非常接近,说明应用该模型可以较好地模拟长白山温带阔叶红松林生态系统的CO2,水和热量交换过程.根据模型对不同气候变化情景下的NEP和蒸散(ET)的分析得出:长白山温带阔叶红松林生态系统的NEP对气候变化比较敏感,在气候变暖条件下该生态系统的碳汇功能可能会减弱.此外,作为基于过程的模型,BEPS对最大羧化速率(Vcmax)和最大气孔导度(gmax)等植物生理生态特征参数的变化反应也比较敏感.     

内蒙古羊草草原碳交换季节变异及其生态学解析

用涡度相关技术测量了内蒙古羊草草原2003和2004年两个生长季生态系统CO2交换通量.观测表明,两个生长季的CO2通量存在明显差异.内蒙古羊草草原生态系统CO2通量的日变化特征根据其吸收高峰出现的时间可以分为两种,一种具有两个吸收高峰,其特点是在午间出现了碳交换通量的降低,这种现象与植物光合作用的午间降低现象一致;另一种类型是只有一个吸收高峰出现在午间.CO2通量的吸收和排放的日最大值在两个生长季出现的时间有所不同,2003年均发生于7月,分别为-7.4 g·m-2·d-1(白天)和5.4 g·m-2·d-1(夜间),而2004年发生在8月,分别为-12.8 g·m-2·d-1(白天)和5.8 g·m-2·d-1(夜间).2003年128 d的植物生长期内,整个生态系统白天固定了294.66 g CO2·m-2,同时期夜间释放了333.14 g CO2·m-2;在2004年116 d的生长期内白天固定了467.46 g CO2·m-2,夜间释放了437.17 g CO2·m-2.根据两个生长季的观测数据分析表明,在影响生态系统碳交换的生态因子中,水分和光合有效辐射(PAR)是两个重要的生态因子.连续的降雨会引起生态系统碳交换能力的降低;在适宜的土壤水分条件下,决定白天CO2通量的主要是PAR,二者呈双曲线关系;土壤水分胁迫情况下,CO2通量显著低于适宜土壤湿度状况下的CO2通量,且当PAR＞1200 μmol·m-2·s-1时,生态系统出现了光饱和现象;CO2通量明显地被高饱和水汽压差(VPD)所抑制;夜间CO2通量主要依赖于土壤温度与土壤水分有效性的协调作用.     

鲁西北平原玉米地涡度相关臭氧通量日变化特征

近地面高浓度臭氧(O3)对植物生长发育和光合作用等都有副作用.基于O3通量(特别是植物气孔吸收)的评价指标被认为比基于O3浓度的指标能更好地反应O3对生态系统的影响.本文报道了利用涡度相关技术进行农田生态系统(玉米地)O3通量的观测结果,初步分析了该地区夏玉米地上O3浓度、沉积速度(Vd)和臭氧通量(Fo)的日变化规律及其与生态环境条件的关系.结果表明:(1)观测期间(2011年8月9日至9月28日),30 min平均O3浓度存在明显的日变化规律,其最低值(16.5 nL L-1)和最高值(60.1 nL L-1)的出现时间分别为6:30和16:00左右.白天(6:00～18:00)和夜间(18:00～6:00,下同)的O3浓度分别为(39.8±23.1)和(20.7±14.1)nL L-1(平均值±标准差),瞬时O3浓度最大值为97.5 nL L-1.O3浓度受太阳辐射和温度影响比较明显.(2)无论白天还是夜间,近地层O3都是向下运动的.Vd日变化规律表现为夜间小而平稳、上午快速上升、中午前后大而平稳以及下午快速下降的过程.白天和夜间的Vd平均值分别为0.29和0.09 cm s-1,最大值为0.81 cm s-1.白天Vd的大小受作物生长期的影响,而Vd的日变化受太阳辐射和相对湿度的影响最为明显.(3)O3通量的日变化受O3浓度和Vd的共同影响,白天和夜间的平均O3通量(Fo)分别为-317.7和-70.2 ng m-2 s-1.Fo与CO2通量(Fc)和潜热通量(LE)的相关关系比较显著,通过比较白天和晚上Vd的差别,可以判断白天的气孔吸收是玉米地上大气O3主要的汇.     

华北平原农田生态系统碳交换及其环境调控机制

在华北平原冬小麦/夏玉米轮作田采用涡度相关法进行了连续两年的碳通量观测,研究农田生态系统碳通量的构成及其变化特征,并分析碳交换对主要环境因子的响应.结果显示夜间净碳交换量(NEE)与0～10 cm地温呈明显的指数关系,两年度(2002年11月～2003年10月和2003年11月～2004年10月)的Q10分别为2.94和2.40.通过模拟计算得到总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(Rec).冬小麦、夏玉米GPP的光响应曲线均符合直角双曲线方程.玉米季平均最大光合速率(Amax)与表观初始光能利用率(α)大于麦季.冬小麦α值随LAI增加而增大.作物主要生长季农田NEE的日变化明显白天吸收、夜晚释放CO2.其他月份农田以碳排放为主,NEE的日变化不显著.农田NEE日较差4～5月和8～9月较大,其它月份较小.农田NEE,GPP和Rec呈明显的季节变化.2003年和2004年玉米田最大日平均碳吸收量分别为-10.20和-12.50 gC·m-2·d-1;麦田最大日平均碳吸收量分别为-8.19和-9.50 gC·m-2·d-1.麦田和玉米田的最大碳吸收量分别出现在4～5月和8月中旬,和GPP最大值出现时间一致.冬小麦和夏玉米主要生长季(3～5月和8～9月)的NEE由GPP支配.GPP主要受PAR和LAI影响.温度对GPP的影响在早春较为明显.7月Rec达到全年最大,Rec和GPP对NEE的贡献相当.其余月份NEE以Rec为主,温度成为NEE的主要控制因子.从生长季NEE总量看,两年度的麦季分别为-77.6和-152.2 gC·m-2·a-1,玉米季分别为-120.1和-165.6 gC·m-2·a-1,玉米季均大于麦季.两年度冬小麦/夏玉米轮作田的年均NEE分别为-197.6和-317.9 gC·m-2·a-1,表明华北平原农田是大气CO2的汇.若考虑收获籽粒的碳,则农田由碳汇变为碳源两年度分别为340.5和107.5 gC·m-2·a-1.受温度、降水等气候因子及施肥、耕作等农田管理措施影响,农田碳交换的年际变化很大.实行免耕和一年一熟制是减少土壤碳排放、增加作物碳吸收的有效途径.     

鄱阳湖夏季水热通量特征及环境要素影响分析

气候变化加速了全球水文循环过程,然而,气候变化如何影响水体蒸发及其水热通量交换仍然不清楚.基于涡度相关系统观测鄱阳湖水体水热通量过程,在小时和日尺度分析了水热通量的变化规律及其主要影响因子.研究表明,潜热通量日变化波动剧烈,大部分为正值,变化范围在-50~580 W/m2之间.而感热通量数值较小,变化范围在-50~50 W/m2之间.8月份潜热通量和感热通量均呈波动下降趋势,均值分别为167.4和15.9 W/m2.8月份日平均潜热通量和感热通量之和大于净辐射,这是由于这一时段储存在水体中的热量释放并补充潜热通量和感热通量.小时尺度上潜热通量日变化在相位上与净辐射无显著相关性,而与风速显著相关.在日尺度变化趋势上,8月份日平均潜热通量仍主要受到风速和水温的影响,感热通量则主要受到风速和饱和水汽压差的影响.     

山西地震带北段与张家口——渤海地震带不同深度CO_2和Rn气体通量的差异性

2014年在山西地震带北段和张家口—渤海地震带布设35个测量剖面,测量土壤气CO_2、Rn浓度及深度20 cm、1 m的CO_2和Rn通量。测量结果表明:(1) CO_2、Rn浓度与深度20 cm、1 m的CO_2、Rn通量的平均值和最大值变化趋势大致相同,均呈自西向东的增大趋势;(2)深度20 cm、1 m的CO_2和Rn通量相关性均不明显,但1 m深的CO_2、Rn通量明显较高;(3) CO_2和Rn浓度、通量变化主要与区域复杂的地震活动性和断层活动性有关,主要受到地表化学成分和区域岩石地球化学影响。     

亚热带针叶林水碳通量的模拟及其与观测的对比研究

CEVSA模型是一个基于生理生态过程模拟植物-土壤-大气系统能量交换和水碳氮耦合循环及其对环境变化响应和适应的机理模型,在区域和全球尺度上得到广泛应用.尽管该模型在大尺度上已经应用大量的植被生产力,碳储量和叶面积测定以及遥感反演数据进行了验证,但还缺乏在冠层和景观尺度上对模型的机理过程(如对光合,呼吸和蒸散过程及其导致的水碳通量变化)模拟的检验.以近年来生态系统机理过程研究的最新进展为基础,对模型进行改进,应用一个亚热带针叶林水碳通量连续观测数据对模型模拟结果进行检验,并分析机理模拟与涡度相关观测得到的水碳通量与环境条件关系的差异.模型模拟的主要水碳通量季节变化特征均与观测值一致.对蒸散和土壤水分的模拟结果与观测值相近,分别解释了观测值90%和86%的变异性,但是模拟值系统偏低.模拟的年总光合碳固定(GPP)和生态系统呼吸(Re)接近于观测值,并且能够分别解释其观测值79%和88%的变异性.尽管净生态系统生产力(NEP)的模拟值(394 gC/m2)也与观测值(387.15 gC/m2)接近,但是它仅能解释观测值31%的变异性.与观测值相比,模拟的NEP在冬季偏低而在夏季偏高.通过与温度、水汽压差的相关分析表明,在严重的高温和缺水胁迫条件下,模型没有准确模拟生态系统光合和呼吸过程.结果证明CEVSA模型对水碳循环的模拟与植被冠层尺度水碳通量测定结果一致,但仍然需要对极端温度和水分胁迫效应的模拟作进一步的ChinaFLUX.     

鼎湖山常绿针阔叶混交林CO2通量估算

鼎湖山通量站是中国通量网络(ChinaFLUX)中4个森林站之一,采用开路涡度相关方法,对南亚热带常绿针阔叶混交林进行生态系统尺度的CO2通量长期定位观测.利用2003,2004年2整年观测资料,分析该生态系统CO2通量时间变化特征及其受环境因子的制约关系.通过坐标转换、WPL订正和质量控制后,发现本通量站存在明显的夜间泄漏问题,因此采用MichaelisMenten模型,利用白天(PAR＞1.0 μmol-1 Photons·m-2·s-1)湍流充分条件下(u*＞0.2 m·s-1)的通量资料,逐月拟合净生态系统CO2交换NEE对光合有效辐射PAR的响应,利用拟合Michaelis-Menten方程得到的生态系统呼吸Reco,建立Reco与5 cm土壤温度的指数关系,借此反演夜间呼吸.主要结论包括(I)逐月拟合的光能利用效率α平均为0.0027(±0.0011) mgCO2·μmol-1 Photons,最大光合速率Amax平均为1.102(±0.288) mgCO2·m-2·s-1,α与Amax季节性变化规律均不明显,表明林内旱季没有明显的缺水和低温胁迫存在,这与南亚热带常绿混交林叶面积指数(LAI)季节性变化较小的特点是一致的.(ii)生态系统呼吸月总量平均为95.3(±21.1) gC·m-2month-1,约占生态系统总初级生产力GPP的68%.NEE月总量平均为-43.2(±29.6) gC·m-2·month-1,大部分月份NEE为负号,表明该生态系统全年均具有较强的碳汇功能.估算得到2003,2004年NEE总量分别为-563,-441.2 gC·m-2·a-1,占GPP的32%.     

2002年南海季风爆发前后西沙海区海-气通量交换及其变化

利用2002年4月24日至6月20日在西沙海区进行的第三次南海海-气通量观测试验资料,采用涡相关法和TOGA COARE25b版本通量计算方案,计算了西南季风爆发前后海洋-大气间的通量交换,讨论了辐射、动量、感热通量、潜热通量、海洋热量净收支的时间变化特征及其与气象要素变化的关系.结果表明：西南季风爆发前后,太阳短波辐射、海面净辐射、潜热通量和海洋热量净收支变化特别强烈;通量变化受不同环境要素的影响：感热通量与海-气温差呈正相关关系,与气温呈明显的负相关关系.潜热通量与风速、海-气温差及海面水温均有正相关关系,其中与风速的关系最密切.动量通量（τ）主要随风速变化,它与风速（V）的关系可以表示为τ=000185V2-000559V+001248.     

基于人工神经网络的ChinaFLUX观测站CO2模拟研究通量

涡度相关技术的发展,为准确获取区域尺度的CO2通量分布格局提供了数据基础.但由于涡度相关技术自身的局限性,需要利用模型模拟作为获取区域CO2通量的重要手段.可是CO2通量和其他微气象变量之间的非线性关系给模拟CO2通量的时空动态变化带来了一定的困难.人工神经网络模型为模拟CO2通量与其他微气象变量的非线性关系提供了一种新的手段.在ChinaFLUX三个不同类型(农田、森林、草地)生态系统中,基于2003年6～8月的半小时涡度相关观测数据,采用BP人工神经网络模型,以能量通量(净辐射、潜热、显热和土壤热通量)以及温度(空气温度、土壤温度)和表层土壤水分作为输入变量,模拟了CO2通量的动态变化.结果表明,人工神经网络模型具有较好的模拟结果,其R2系数在0.75与0.866之间.RMSE在0.008 μmol/m2与0.012 μmol/m2之间,MAE在1.38 μmol/m2与3.60 μmol/m2之间,其中农田和森林生态系统的模拟精度略高于草地生态系统.其次,通过比较土壤水分要素是否参与模拟的结果表明,在生长季期间,不存在土壤水分胁迫的情况下,土壤水分的参与并不能显著提供模型模拟的精度.最后,应用连接权重方法进行了神经网络模型不同输入变量的重要性分析,指出神经网络模型不完全是一个黑箱模型,也可以有效地揭示出某些机理性现象.该研究证明,神经网络模型不仅可以有效地模拟CO2通量,也可以揭示出一些机理现象,为通过涡度相关观测与遥感反演技术的集成途径,利用已获取的区域尺度能量通量数据,模拟分析区域尺度的CO2通量分布格局提供了一种有效的方法.     

基于人工神经网络的ChinaFLUX 观测站CO2模拟研究通量*

涡度相关技术的发展, 为准确获取区域尺度的CO₂通量分布格局提供了数据基础. 但由于涡度相关技术自身的局限性, 需要利用模型模拟作为获取区域CO₂通量的重要手段. 可是CO₂通量和其他微气象变量之间的非线性关系给模拟CO₂通量的时空动态变化带来了一定的困难.人工神经网络模型为模拟CO₂通量与其他微气象变量的非线性关系提供了一种新的手段. 在ChinaFLUX三个不同类型(农田、森林、草地)生态系统中, 基于2003年6~8月的半小时涡度相关观测数据, 采用BP人工神经网络模型, 以能量通量(净辐射、潜热、显热和土壤热通量)以及温度(空气温度、土壤温度)和表层土壤水分作为输入变量, 模拟了CO₂通量的动态变化. 结果表明, 人工神经网络模型具有较好的模拟结果, 其R2系数在0.75与0.866之间.RMSE在0.008 ?mol/m²与0.012 ?mol/m²之间, MAE在1.38 ?mol/m²与3.60 ?mol/m²之间, 其中农田和森林生态系统的模拟精度略高于草地生态系统.其次, 通过比较土壤水分要素是否参与模拟的结果表明, 在生长季期间, 不存在土壤水分胁迫的情况下, 土壤水分的参与并不能显著提供模型模拟的精度. 最后, 应用连接权重方法进行了神经网络模型不同输入变量的重要性分析, 指出神经网络模型不完全是一个黑箱模型, 也可以有效地揭示出某些机理性现象.该研究证明, 神经网络模型不仅可以有效地模拟CO₂通量, 也可以揭示出一些机理现象, 为通过涡度相关观测与遥感反演技术的集成途径, 利用已获取的区域尺度能量通量数据, 模拟分析区域尺度的CO₂通量分布格局提供了一种有效的方法.     

黄土高原半干旱草地生长季干湿时段环境因子对陆面水、热交换的影响

利用黄土高原陆面过程观测试验研究(LOPEX)资料,分析了榆中半干旱草地生长季主要干湿时段陆面水、热过程的差异及环境因子的影响特征.研究发现,干湿时段陆面温、湿特征变化差异明显,干旱时段日平均归一化温度垂直分布结构整体"前倾",湿润时段则呈"后倾"状;干旱时段,20 cm以上浅层土壤是温度的活跃层,干湿时段土壤中热量的传递速率明显不同.干旱时段H/Rn和LE/Rn与5 cm土壤温度之间满足线性关系;湿润时段H/Rn和LE/Rn与5 cm土壤温度为非线性关系,日尺度上陆面水、热交换趋势发生转变的临界土壤温度为16℃.干旱时段H/Rn和LE/Rn与土壤含水量之间满足线性规律;湿润时段H/Rn和LE/Rn与5 cm土壤含水量之间呈非线性变化,0.21 m3 m?3是日尺度上陆面水、热交换趋势发生转变的临界点.干旱时段,饱和水汽压差小于0.7 k Pa时,H/Rn随饱和水汽压差的增大而增大,LE/Rn随饱和水汽压差的增大而减小,而当饱和水汽压差大于0.7 k Pa时,H/Rn和LE/Rn均趋于常数;湿润时段,H/Rn随饱和水汽压差的增大而增大,LE/Rn随饱和水汽压差的增大而减小.上述特征直接体现了陆面环境因子的差异在水、热交换过程中的作用,也间接反映了云降水过程对陆面水、热交换过程的影响.     

基于人工神经网络的ChinaFLUX观测站CO_2模拟研究通量

涡度相关技术的发展,为准确获取区域尺度的CO2通量分布格局提供了数据基础．但由于涡度相关技术自身的局限性,需要利用模型模拟作为获取区域CO2通量的重要手段．可是CO2通量和其他微气象变量之间的非线性关系给模拟CO2通量的时空动态变化带来了一定的困难．人工神经网络模型为模拟CO2通量与其他微气象变量的非线性关系提供了一种新的手段．在ChinaFLUX三个不同类型(农田、森林、草地)生态系统中,基于2003年6～8月的半小时涡度相关观测数据,采用BP人工神经网络模型,以能量通量(净辐射、潜热、显热和土壤热通量)以及温度(空气温度、土壤温度)和表层土壤水分作为输入变量,模拟了CO2通量的动态变化．结果表明,人工神经网络模型具有较好的模拟结果,其R2系数在0．75与0．866之间．RMSE在0．008μmol／m2与0．012μmol／m2之间,MAE在1．38μmol／m2与3．60μmol／m2之间,其中农田和森林生态系统的模拟精度略高于草地生态系统．其次,通过比较土壤水分要素是否参与模拟的结果表明,在生长季期间,不存在土壤水分胁迫的情况下,土壤水分的参与并不能显著提供模型模拟的精度．最后,应用连接权重方法进行了神经网络模型不同输入变量的重要性分析,指出神经网络模型不完全是一个黑箱模型,也可以有效地揭示出某些机理性现象．该研究证明,神经网络模型不仅可以有效地模拟CO2通量,也可以揭示出一些机理现象,为通过涡度相关观测与遥感反演技术的集成途径,利用已获取的区域尺度能量通量数据,模拟分析区域尺度的CO2通量分布格局提供了一种有效的方法．     

冬季强风条件下森林冠层/大气界面开路涡动相关CO_2净交换通量的UU修正

冬季夜间负净CO2通量的发生机制及合理处置的研究对于准确估算北方森林碳代谢状态具有重要影响.通过对长白山阔叶红松林2002年11月~2003年4月开路涡动相关系统获得的CO2净交换通量及相应交换过程的分析,发现(ⅰ)夜间负CO2通量主要发生在强风速条件下;(ⅱ)强风速条件下的压力脉动及平流过程是夜间负净CO2通量主要原因,鉴于对压力脉动及平流过程与CO2净交换同步实时监测的困难,提出了可操作的强风条件下CO2净交换通量的上界摩擦风速(UU)修正方法,长白山阔叶红松林的UU=0.4m·s?1,这个修正也适用于白天;(ⅲ)UU修正解决了长白山阔叶红松林冬季夜间净交换负总量问题.     

太湖小时尺度水面蒸发特征及3种模型模拟效果对比

小时尺度水面蒸发可影响水面大气边界层热力和动力结构,分析湖泊小时尺度水面蒸发主要影响因素,选取准确模拟其特征的蒸发模型,将有助于改善流域天气预报和空气质量预报.基于太湖避风港站2012—2013年通量、辐射和气象观测数据,分析太湖小时尺度水面蒸发主要影响因子和3个模型(传统质量传输模型、Granger and Hedstrom经验模型、DYRESM模型)的模拟效果.结果表明:影响太湖小时尺度水面蒸发的主要因子为水气界面水汽压差和风速的乘积,而非净辐射.传统质量传输模型、Granger and Hedstrom经验模型、DYRESM模型模拟值与全年实测值的一致性系数分别为0.92、0.87和0.89,均方根误差分别为28.35、41.58和38.26 W/m~2.传统质量传输模型对太湖小时尺度水面蒸发的日变化和季节动态模拟效果最佳,其夜间模拟相对误差小于3%,除秋季外,其他季节的模拟绝对误差均小于4 W/m~2.Granger and Hedstrom经验模型系统性地高估太湖潜热通量,在大气较为稳定的午后(高估22~32 W/m~2)和冬季(高估72%)高估最为明显,模拟效果最差.DYRESM模型也系统地高估太湖潜热通量,模拟效果居中.考虑水汽交换系数随风速的变化特征将有助于改善传统质量传输模型和DYRESM模型对太湖小时尺度水面蒸发的模拟精度.     

内蒙古半干旱草原CO2排放通量日变化特征及环境因子的贡献

利用静态暗箱法对内蒙古半干旱羊草草原2001~2002年不同物候期原状群落与土壤呼吸通量日变化进行了野外定位试验研究, 并就水热因子(气温、表层地温、土壤表层含水量)及生态因子(地上活体现存量、地下生物量、凋落物现存量)对原状群落和土壤呼吸通量日变化规律及日呼吸量差异的贡献进行了相应的统计分析. 结果表明: 原状群落和土壤呼吸具有明显的日变化规律, 不同物候期呼吸通量的日变化模式基本相同, 环境因子的变化通常只对CO₂排放强度产生影响, 而对草地CO₂排放通量的日变化模式影响较小; 整个羊草草原在不同物候期原状群落日呼吸总量的变化范围为1.34~10.13 g·m^&#8722;2, 土壤日呼吸总量的变化范围为0.98~5.17 g·m^&#8722;2; 原状群落呼吸和土壤呼吸通量的日变化均与气温及地表温度显著相关(p<0.05)或极显著相关(p<0.01), 而与表层5 cm以及10 cm土壤温度相关性较弱; 多元回归分析表明, 不同物候期原状群落日呼吸量的差异约80%是由地上活体现存量的差异引起的, 其余各因子的变化能够共同解释原状群落日呼吸量变化的20%左右; 而不同物候期土壤日呼吸量的变异约有83%左右是由0~20 cm地下生物量的变化引起的, 此外, 表层土壤含水量也是影响羊草草原土壤日呼吸量变异的重要环境因子, 但其与土壤日呼吸量的偏相关系数未达到0.05的显著性水平.     

复杂下垫面地表土壤热通量算法改进:以黑河流域为例

地表土壤热通量是地表能量平衡的重要组成部分,对地表蒸散发的估算至关重要.利用土壤温湿度廓线观测资料基于热扩散方程计算地表土壤热通量,并通过冻土融化前后土壤液态水含量变化估算土壤含冰量,分析了土壤含冰量对土壤热通量的影响,旨在分析黑河流域典型下垫面(高山草地、农田和森林)地表土壤热通量的时空变化特征.研究结果表明:(1)黑河流域不同下垫面的地表土壤热通量有明显的日变化差异,日最大值时刻提前净辐射通量几分钟至几小时不等,这与土壤质地、湿度、热属性和植被覆盖度有关;(2)净辐射通量有显著的季节变化,一般夏季达最大值,冬季最小,地表土壤热通量也有明显的季节变化,但并不总是与净辐射通量变化保持一致,春季达最大值,夏季由于植被覆盖的原因反而降低;(3)地表土壤热通量占净辐射通量的比例因季节及下垫面不同而有差异,1月份月平均比值分别为:阿柔25.6%、盈科22.9%和关滩4.3%,7月份月平均比值分别为:阿柔2.3%、盈科1.6%和关滩0.3%;(4)冬季考虑了冰的热容量使得土壤热容量增加,土壤热存储增加,从而由热扩散方程计算的地表土壤热通量增加,使得能量平衡闭合率提高了4.3%.     

基于同步观测信息利用的高寒湖泊湍流通量数据插补方法

源区划分和质量过滤提高湖面涡动相关通量数据可靠性的同时,却降低了通量时间序列的连续性.为此,本文基于TensorFlow机器学习框架构建了一种超宽人工神经网络(ANN)模型.在选择输入ANN模型的特征变量信息时,我们采取了尽可能获取湍流输送过程中热力、动力学同步观测背景强迫信息的原则.通过ANN模型模拟通量的插补,本文实现了通量时间序列连续性的优化,插补后的羊卓雍错湖面通量数据的时间覆盖率从不足0.40提升至超过0.98.基于10次折叠交叉验证的ANN模型通量模拟性能检验则表明,各个检验组之间ANN模型的模拟误差波动较小,这显示出了较好的稳健性.具体地讲,感热通量、潜热通量和水汽通量原始观测平均值分别约为18.8 W/m~2、81.5 W/m~2和1.84 mmol/(s·m~2),10组交叉验证的插补感热通量、潜热通量和水汽通量平均绝对误差分别为5.4 W/m~2、15.7 W/m~2和0.35 mmol/(s·m~2).这表明本文所探索的ANN建模结构和同步观测变量筛选原则可更充分地利用观测点局地同步观测信息估算通量强度,有效地优化湍流通量数据的时间连续性,从而提升通量数据的可分析性.     

中国东部夏季暴雨极端事件与水汽输送相关流型特征

1961~2010年中国东部夏季季风过程降水量与暴雨频数年际变化分析发现,两者年代际变化趋势相反,尤其90年代后暴雨频数年代际变化呈显著上升趋势,而中国东部夏季降水量却总体上呈下降趋势.分析1961~2010年夏季暴雨频数空间分布场,研究发现中国东部暴雨频数分布状态呈东南高频区向西北方向的大地形边缘带逐步递减,其可描述出50mm以上暴雨频数分布特征为"东南高,西北低"的与地形"阶梯式"分布相似的格局.另外,在全球气候变化背景下中国东部夏季降水变率与暴雨极端事件频数年际变率空间分布在中国"三阶梯"地形存在显著的区域性差异.研究发现中国东部夏季季风过程降水与暴雨极端事件频数相关的水汽输送通道及其水汽流型,水汽流汇合区的空间结构均呈显著差异.长江流域及华南等为暴雨高频区,中国东部暴雨过程整层水汽输送通道相关结构可描述出自中低纬海洋三支强水汽流"汇合"及其整层水汽辐合特征,此暴雨高频区水汽流相关"汇合"较夏季季风过程降水或非暴雨类降水"偏南",且水汽"辐合"结构更为显著.另外,中国东部夏季水汽流环流型特征亦对暴雨极端事件发生频数也有着重要的影响.整层水汽通量相关场暴雨类高频区对应矢气旋式涡旋结构环流型,对比分析非暴雨降水和暴雨频数与整层水汽输送通量相关矢场,可发现两者呈空间位置、尺度不同的相关气旋式环流型,其中暴雨类相关环流型"涡动"结构尺度小、位置偏南;非暴雨降水相关涡动结构尺度大、位置偏北.研究表明了夏季风强弱变化背景下整层水汽输送"涡动"环流的"驱动"及其水汽通量"辐合"的结构对中国东部暴雨高频区南-北位移格局变动有显著影响效应,中国东部暴雨高频区的年代际南北动态"摆动"与中国东部水汽输送"涡动"结构的涡度(正值中心)与散度高值区(负值中心)呈"同步"年代际变化特征.基于上述暴雨极端事件水汽输送及环流型影响综合分析研究,本文研究还提出了中国东部暴雨水汽输送流型结构的综合相关模型.