Three-year Variations of Water, Energy and CO$_2$ Fluxes of Cropland and Degraded Grassland Surfaces in a Semi-arid Area of Northeastern China

Based on 3 years （2003-05） of the eddy covariance （EC） observations on degraded grassland and cropland surfaces in a semi-arid area of Tongyu （44°25′N, 122°52′E, 184 m a.s.1.）, Northeast China, seasonal and annual variations of water, energy and CO2 fluxes have been investigated. The soil moisture in the thin soil layer （at 0.05, 0.10 and 0.20 m） clearly indicates the pronounced annual wet-dry cycle; the annual cycle is divided into the wet （growing season） and dry seasons （non-growing season）. During the growing season （from May to September）, the sensible and latent heat fluxes showed a linear dependence on the global solar radiation. However, in the non-growing season, the latent heat flux was always less than 50 W m^-2, while the available energy was dissipated as sensible, rather than latent heat flux. During the growing season in 2003-05, the daily average sensible and latent heat fluxes were larger on the cropland surface than on the degraded grassland surface. The cropland ecosystem absorbed more CO2 than the degraded grassland ecosystem in the growing season in 2003-05. The total evapotranspiration on the cropland was more than the total precipitation, while the total evapotranspiration on the degraded grassland was almost the same as the total annual precipitation in the growing season. The soil moisture had a good correlation with the rainfall in the growing season. Precipitation in the growing season is an important factor on the water and carbon budget in the semi-arid area.     

一个区域地气耦合柱状模式的发展及其对半干旱区的模拟

在现有的区域气候模式的基础上构建了用于研究地气耦合模拟的区域柱状模式,其中包括了详细的物理过程,可以作为研究半干旱区地气相互作用过程的工具。通过区域柱状模式与不同陆面模式的耦合,检验了不同陆面模式在非耦合和耦合两种情况下对半干旱区的模拟性能。结果表明,陆面模式在耦合后对感热的模拟偏差放大,而潜热的模拟效果得到了改进,不同的陆面模式对区域柱状模式的模拟性能影响较大,耦合了CoLM后的区域柱状模式对地表气象要素的模拟得到了较大的改进。     

我国东、西部夏季水汽输送特征及其差异

本文利用ERA-40再分析每日资料分析了我国东部季风区与西北干旱—半干旱区夏季1971～2000年气候平均的水汽输送特征及其差异, 分析结果表明我国东部季风区与西北干旱—半干旱区夏季气候平均的水汽输送特征有明显的差异。由于亚洲夏季风从孟加拉湾、 南海和热带西太平洋输送大量水汽到我国东部季风区, 故在东部季风区夏季经向水汽输送通量比纬向水汽输送通量大。而西北干旱—半干旱区受中纬度西风带的影响, 夏季纬向水汽输送通量比经向水汽输送通量大, 且此区域夏季无论纬向或者经向水汽输送通量均比东部季风区的水汽输送通量小一量级。并且, 分析结果还表明: 我国东部季风区由于湿度大, 故夏季水汽输送通量的散度不仅依赖于湿度平流, 而且依赖于风场的辐合、 辐散, 而西北干旱—半干旱区夏季水汽输送通量的散度主要依赖于湿度平流。此外, 分析结果还表明了我国东部季风区的水分平衡与西北干旱—半干旱区的水分平衡也有明显的不同。     

干旱半干旱区太阳辐射特征

Climatic characteristics of broadband solar radiation （Rs） in Chinese arid and semi-arid areas are reported in this study. The annual average daily Rs in the arid and semi-arid areas is 16.3 ±5.77 and 15.3 ± 5.16 MJ m^-2 d^-1, respectively. The highest value （17.2 ± 5.84 MJ m^-2 d^-1） appears in an arid area at Linze. The lowest value appears in the semi-arid area of Ansai. Pronounced seasonal variation of Rs is observed with the highest value in summer and the lowest in winter. The clearness index showed similar seasonal pattern at most sites, with the minimum observed in the summer and the highest values in winter at both arid and semi-arid areas. The seasonal variation of the ratio of Rs to its extraterrestrial value Kt in the arid area is more significant than that observed in the semi-arid region, and it is caused by the different range of variation of water vapor between arid and semi-arid areas. The seasonal fluctuations in Rs and Kt are mainly controlled by the water vapor content in these areas. The aerosol particles have significant influence on Rs and Kt at stations with higher aerosol burden.     

亚洲中部干旱半干旱区近100年来的气温变化研究

利用亚洲中部干旱半干旱区1961—2003年共计69个站的气温实测资料,并通过EOF展开的延长插补方法,将研究区的气温序列延长到1901年,进而分析了这一区域近100年来的气温变化。研究表明,该区域气温的一致性变化占主导地位,同时存在东部季风区、中亚、蒙古高原和塔里木干旱区等4个主要温度变化分区,均表现出显著的增暖趋势,其代表站近100年来线性拟合的增温率分别为0.19,0.16,0.23和0.15℃/10a,研究区平均增温率为0.18℃/10a,冬季达0.21℃/10a,远高于北半球、全球和我国的增温率,但与青藏高原增温率相近。除20世纪10年代和50年代外,研究区气温变化主要取决于冬季温度的变化。研究区近100年来的气温变化经历了70年代以前的相对缓慢升温和以后的显著升温过程,且增温率越来越大。亚洲中部干旱半干旱区的气温变化过程与我国东部地区显著不同,没有出现明显的20~40年代暖期,整个升温过程由6次明显的锯齿状的升温-降温变化过程(即20,40,60,80,90年代和本世纪初气温变化过程)构成,升温阶段持续时间较长,幅度较大,而降温阶段时间短,幅度小,但不论升温还是降温过程,其变化幅度均大于我国东部和全球平均。     

陆面露水资源开发利用技术初探

简要归纳了陆面露水资源独特的生态和气候效应,分析了开发利用陆面露水资源的理论依据,并重点从局地气候条件的选择和陆水凝结面的改进2个方面讨论了陆面露水资源开发利用的科学思路和技术措施。     

应用BIOME-BGC模型研究典型生态系统的潜热通量——半干旱地区吉林通榆的模拟

年降雨量和年蒸发量在某种程度上反映了区域内水资源的丰富程度。随着社会和经济的发展,我国东北西部半干旱区的水资源供需矛盾日益突出。作者应用BIOME-BGC模型模拟了国际协调强化观测计划(CEOP)亚洲季风比较研究(CAMP)的一个地面观测基准站半干旱地区吉林通榆2002年10月~2003年9月草地和农田生态系统的潜热通量,并将模拟结果与通榆“干旱化和有序人类活动”长期观测站涡度相关法测定的观测值进行了比较,结果表明两者基本一致。此外,CEOP的观测数据对模型的验证和改进具有重要意义,半干旱区水资源的合理利用须引起当地政府和群众的重视。     

国产高分数据在草原露天煤矿植被监测中的应用

利用高分一号卫星数据建立小尺度CASA－NPP估算模型,反演及监测草原露天煤矿区草地NPP空间分布格局,以及煤矿区内部复垦植被的NPP与表层土壤之间的关系。利用归一化植被指数、归一化水体指数等获取CASA模型有效光辐射参数、水分胁迫系数等,从而简化并改进小尺度CASA模型,遥感反演数据与实测样点数据拟合度达到0．94。结果表明,该模型能够高精度地完成小区域NPP估测。从利用CASA模型反演得到的NPP空间格局可以看出,这一地区的植被退化以采矿、放牧等人类活动为主导,原地貌区域围栏的典型草甸草原NPP在300～400 gC／m2· yr 之间,高于放牧区域 NPP,矿区内 NPP 空间变化显著,矿区内部 NPP 低于100 gC／m2· yr,明显低于周边原地貌地区。对于矿区复垦排土场区域,复垦年限和表土的养分是决定植被生长和NPP的主要因素。研究得出国产高分卫星数据可以高精度地完成小尺度NPP的估测,从而为其在草原地区以及矿山环境中监测提供了研究基础。     

模拟增温和改变降雨频率对干旱半干旱区土壤呼吸的影响

温度和降水是干旱半干旱区土壤呼吸的重要扰动因子,全球气候变化导致的未来干旱半干旱区增温和降水变率增大对土壤呼吸有着重要影响。研究通过人工设置P_16×2.5mm、P_8×5mm、P_4×10mm、P_2×20mm、P_1×40mm的降雨频率梯度和增温2 ℃左右的控制试验,探讨不同降雨频率和增温处理对干旱半干旱区土壤呼吸的影响,以及土壤呼吸与土壤温湿度的关系及其对降雨频率改变的响应。结果表明：降雨频率和增温单独对土壤呼吸具有极显著影响（P<0.001）,但是两者之间并无交互作用（P>0.5）;在降雨量一定的情况下,土壤呼吸速率随着降雨频率的减小而减小,即多频率小降雨事件激发的土壤呼吸速率大于小频率大降雨事件;增温促进土壤呼吸,提高了约11%的土壤呼吸。本结果有助于对未来干旱半干旱地区全球变暖背景下降雨格局的改变对土壤呼吸产生的影响进行预测,同时也为进一步估算该区域生态系统的碳收支提供参考数据。     

遥感及再分析降水产品在缺资料干旱内陆盆地的适用性评估

山区降水较集中,但降水测站多位于山谷或人口密集区,代表性差。遥感和再分析降水产品能提供时空分布连续的数据,不受地形条件限制。柴达木盆地中心属干旱荒漠区,水是制约该区开发的首要条件,其四周属高寒山区,降水相对较多,但降水监测十分薄弱。为获取该区相对精确的降水时空分布信息,本文评估了4套高分辨率降水产品（CMADS、TRMM、GPM和MSWEP）的适用性。首先基于地面站点数据评估它们在不同时空尺度上的精度,并分析它们在柴达木盆地的空间分布和年内分配特征。然后,以盆地东南隅的无测站山区香日德河流域为研究区,利用降水产品驱动SWAT模型来评估它们的分布式水文模拟适用性。结果表明：① MSWEP在年、月尺度上与站点降水的吻合程度最高（R ≥ 0.79,PBIAS = 0.5%）,其次是GPM和TRMM,CMADS精度最低（R ≥ 0.64,PBIAS = 5.8%）;② 从降水精度与站点高程的关系来看,降水产品在相对低海拔区容易高估站点降水,而在相对高海拔区常低估实际降水;③ 在香日德河流域,MSWEP（NSE = 0.64）在基准期（2009—2012年）的径流模拟表现明显好于其它降水产品（NSE = 0.36~0.59）,变化期（2013—2016年）表现最好的是CMADS（NSE = 0.75,其余产品NSE = 0.53~0.68）。本研究可为缺资料干旱山区获取精确的降水时空信息和后续水资源的科学管理与规划提供重要支撑。