土壤-植被-大气系统水分能量传输模拟与试验

本文着重探讨土壤一植被一大气各子系统之间的相互作用。用冠层蒸腾和地表蒸发有机分离的方法,确定冠层蒸腾和地表蒸发在总蒸散中的相对贡献。考虑土壤饱和一非饱和界面以及土壤温度梯度对系统水分迁移的响应,从摸型与试验两方面探求了土壤-植被-大气系统的水分能量传输机制。     

干旱地区植被影响沙地水分传输机理及其参数化

从植物生长与水分平衡的关系入手,在土壤水分动力学和近地面空气动力学等学科的研究基础上,依据植物生理生态学原理,探讨了干旱地区植被影响沙地水分传输的机理,初步建立了植被参数化模型和土壤-植物-大气连续体(SPAC)水分传输综合模型。主要研究结果如下:①分析了荒漠植物的生长及其动态变化特征,对沙生植物地上部与根系生长,尤其是根系在土壤中的分布进行了量化。②分析了荒漠植物的蒸腾特性及其气孔调节作用机制,指出了土壤水分亏缺是叶片气孔关闭、蒸腾作用降低的主要原因,探讨了植物蒸腾作用与气孔调节之间的复杂关系及其今后的研究重点。③揭示了沙地植被蒸发蒸腾的变化规律;分析了影响沙地植被蒸发蒸腾的生物因素和环境因素的作用。④初步建立了植被参数化和SPAC水分传输综合模型,模拟了植被结构影响冠层能量平衡过程,探讨了植物状态参数、生理参数与蒸发蒸腾的相互关系。     

灌溉方式对现代绿洲影响的数值模拟

灌溉是农业发展的根本,没有灌溉就没有荒漠区农业。利用美国NCAR中尺度模式MM5V3模拟了喷灌与不同水量地灌以及没有灌溉对绿洲土壤湿度、地下径流以及感热、潜热通量的不同影响。结果表明:①地灌后地表蒸发与植被层的蒸腾更旺盛,散失的水分更多;而喷灌可以抑制地表蒸发与植被层的蒸腾,对土壤水的保持更有利。②喷灌试验要在土壤湿度达饱和以后才会形成地下径流量,而地灌试验则是土壤湿度与地下径流量同时增长。总之,喷灌方式是一种高效节水的灌溉方式,它比其它灌溉方法更有利于绿洲农业生态系统的温度整体降低,不论土壤湿度还是大气湿度都会相应增大,抑制地表土壤水分的蒸发,有利于绿洲农业维持。     

半干旱地区地表水平衡的特征和模拟

作者分析了我国半干旱区草原典型地区的水量平衡的特点。由于地处东亚季风区和西风带的过渡带,降水主要集中在夏季,且多短时间对流性降水,其中绝大部分消耗于蒸发,地表径流很少,土壤比较干燥。冬季积雪, 春季融雪集中,能产生较强的径流,这与夏季降水形成的径流构成双峰型特征,在我国半干旱区较为典型。由于这些特点,在地表水量平衡的计算和模拟中,蒸发的估算十分重要,为此在植被-大气相互作用模式 (AVIM) 中对水文过程作了改进,模式中包含了大气-植被-土壤间的能量和水分传输过程,特别是半干旱区地表蒸发和植被的蒸腾过程作了比较细致的处理,考虑了蓄满和超渗两种产流机制,同时采用了一个简化的雪盖模型。以此模型模拟了内蒙古半干旱草原上锡林河流域的地表水文过程。计算结果显示,半干旱区地表水平衡,蒸发大而径流小及产流的春夏双峰型特征都能很好地模拟。这些过程的参数化方案也适用于非干旱区。     

巴丹吉林沙漠沙山区径流与地下水补给条件

在全球高差最大的巴丹吉林沙漠沙山斜坡上发现了沙漠区罕见的因大气降水而产生的地表超渗径流,地表径流侵蚀,缓渗径流及因地下径流出露而产生的地表径流--风沙混合物理沉积与化学沉积(次生盐).根据电镜观察,能谱分析,化学分析和粒度分析等资料,研究了径流化学沉积物的矿物和化学组成,风积沙和径流--风沙混合物理沉积物的粒度组成,径流类型及沙山区水分平衡,降水对地下水与湖水的补给机制.超渗径流的出现表明,虽然该区降水量少,但存在能够为地下水提供补给来源的较强有效降雨过程.径流,径流--风沙混合物理沉积和化学沉积等六项科学指标从深层次上充分证明,该区降水通过入渗至少达到了沙山的下部,完全能够对地下水构成有效补给.细粒层相对的隔水性是该区地下径流出露于地表的原因.沙山区确实存在令人惊奇的水分正平衡,即在大气降水在经过蒸发和蒸腾等消耗之后,每年还有约134648.4 t/km²水补给了地下水和湖水,成为湖水的重要补给来源之一.沙山区能够产生有效降水,植被稀少蒸腾量少,沙层入渗率高和沙层受蒸发影响深度很小是该区水分出现正平衡和大气降水能够补给地下水的四个条件,也是导致该沙漠区有众多湖泊发育的主要条件.     

区域土壤植被系统蒸散发二源遥感估算

针对干旱半干旱复杂地形区地表起伏、覆被不均一、植被稀疏的特征,论文对N'95二源遥感模型中地表净辐射计算方案以及地表反照率、零平面位移、动量粗糙长度、热量粗糙长度、动量和热量的稳定度校正项、土壤表面的空气动力学阻抗等算法有针对性地进行了修改.利用修改后的N'95模型,选择位于黄土高原的地表起伏大,植被稀疏的陕甘宁交界区为研究区,计算了研究区的土壤蒸发、植被蒸腾和土壤一植被总蒸散发;并利用附加阻抗法计算实际蒸散发的方法对N'95二源模型法遥感估算结果进行了间接精度评价,比较验证表明N'95二源模型法估算的蒸散发结果合理,精高较高.     

遥感反演土壤蒸发/植被蒸腾二层模型在华北地区的应用

利用一种可操作的地表蒸散遥感反演二层模型,以我国华北平原为研究区,选择2004年的3月至6月华北地区主要农作物冬小麦的生长季节作为研究时段,利用MODIS遥感卫星数据,结合地面130多个气象台站的空气温湿度实测数据,实现了土壤蒸发和植被蒸腾的反演。采用国家生态网络禹城综合试验站利用涡度相关系统观测的地表总蒸散半小时平均的数据进行了模型验证,结果表明模型估算的地表可利用能量与地面实测数据的相关系数可以达到0.92,均方差为30.4w.m^-2;模型估算的地表总蒸散值与地面实测数据的相关系数为0.85,均方差为21.3 w.m^-2,由此证明了模型的可用性。     

黑河下游典型植被下垫面与大气间能量传输模拟研究

在分析过去地-气间相互作用的物理过程、研究进展基础上,探讨了土壤、植被、大气系统中水分与能量的传输过程在模型中不同的计算方法。同时对不同计算方法进行对比,确定了分析土壤、植被、大气系统中水分和能量传输方法的优缺点。利用黑河下游额济纳地区绿洲试验区2003年9月的大气资料作为陆面模式的强迫场,研究陆面过程模式（LSM）在极端干旱地区的模拟能力。模拟结果表明,在观测资料的强迫下,LSM能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势。根据实际情况,定义额济纳地区绿洲的植被覆盖率为0.7, 叶冠高度为1.5 m,位移高度为0.64 h,Karman常数取0.4。通过对比试验发现,采用LSM模型模拟的空气温度和地面蒸发比实际蒸发少,但地表潜热通量、辐射和土壤热通量的模拟结果与实测值的比较吻合。如果地表和植被的参数选择较好,采用LSM模型模拟本地区的陆面过程将有较好的结果。     

中国温带荒漠植物蒸腾过程模拟的若干问题分析

荒漠植被蒸腾过程是研究干旱区生态水文过程的关键一环。当前对植物蒸腾过程模拟的发展方向是光合-气孔导度-蒸腾过程耦合模型,将植物叶片的水碳交换过程通过气孔导度模型耦合起来,从而反映植物生理生态对植物蒸腾的影响特征,也揭示水分胁迫是如何影响植物生长过程的。中国干旱区水分环境是特殊的,温带荒漠植物的生理生态对干旱环境下水分条件的响应过程也是独特的,这决定了荒漠植物蒸腾过程特征的独特性,也使得当前先进的水碳耦合蒸腾模拟方法针对中国荒漠植物需要进行有针对性的修改。这些修改的关键包括对干旱区荒漠植物SPAC水分运动过程、植物水分胁迫的生理生态响应规律和荒漠植物气孔导度变化规律等的理解和模拟。相关的国内研究近些年已经有了一些开展,部分领域也得出了许多有意义和可以借鉴的结论。但是围绕蒸腾模型建立所必需的一些水碳交换过程规律的深入认识和模拟等方面,目前的研究没有比较好的支撑,还需要进一步深入研究。     

荒漠下垫面陆面过程和大气边界层相互作用敏感性实验

建立了一个研究荒漠下垫面陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式. 模拟了荒漠下垫面的土壤环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征.并对主要的环境物理参数进行了敏感性实验.结果表明,本模式能合理地模拟荒漠下垫面地表热量平衡、土壤体积含水量、地表植被蒸发散阻抗、地表水汽通量日变化和湍流交换系数、湍流动能、位温和比湿廓线等.该模式还可进一步应用于研究区域陆面物理过程与大气边界层相互作用机制,及与中尺度大气模式耦合用于区域环境生态和气候的研究.     

流域土地覆被变化水文效应的模拟——以长江上游源头区梭磨河为例

为分析地表覆被变化的水文效应,以半分布式的地形指数模型 (TOPOMODEL) 为基础,对梭磨河流域1960~1999年逐日流量过程进行了模拟。结果表明,对于流域面积2536km² 的梭磨河流域,该模型也能取得较好的模拟结果。模拟了流域40年来气候波动和地表覆被变化对流域水文的影响。最后在4种不同的流域土地覆被情景下模拟了1960~1999年逐日径流过程。对于实际蒸散发与潜在蒸发有300多mm差距的梭磨河流域,在其它条件不变的情况下,随着流域土地覆被和冠层最大截流量的增加,冠层截流蒸发和流域总蒸发增加,植被蒸腾和土壤表面蒸发减少,土壤水分增加而流域水分含量和饱和层含水量减少。地表径流、地表以下径流、总径流减小。重现期小于20年的洪峰流量减小,但对40年一遇的洪峰流量影响很小,甚至有增加洪峰流量的作用。     

城市地域地表温度-植被覆盖定量关系分析--以深圳市为例

地表温度-植被覆盖间的关系一直是城市热岛研究的热点之一,两者均为描述生态系统特征的重要参数。本文利用深圳市2004年的ETM+影像,基于遥感技术提取相关的下垫面类型、地表温度和植被覆盖等信息,探讨不同下垫面类型对地表温度-植被覆盖关系的影响,并结合分形维度计算方法,比较不同分辨率下地表温度、植被覆盖及其相关关系的变化。研究结果表明,植被覆盖程度与地表温度之间存在明显的负相关,并且在不同的植被覆盖程度下,地表温度-植被覆盖关系呈现分段线性关系。下垫面类型及其组合主要通过植被覆盖的分布对地表温度产生影响。而在不同空间分辨率下(30m至960m),地表温度和植被覆盖的空间变异程度均表现为先升后降,在120m的分辨率下,两者的相关程度达到最高。结果证实区域植被覆盖状况可直接影响辐射、热动力以及土壤水分等多种地表特征,从而导致地表温度分异等。     

干旱半干旱区天然植被的地下水水文生态响应研究

在干旱半干旱地区,天然植被与地下水关系是生态水文地质学的重要研究内容之一.生态地下水埋深等概念建立了生态地下水位的基本框架,但研究成果仅是定性或半定量的描述.为弥补这一不足,国内外学者开展了大量的理论和实验研究.在理论研究方面,提出了植物蒸腾地下水临界水位埋深理论公式,确定了植被受水分胁迫响应的评价方法,并利用植物生理...     

巴丹吉林沙漠沙山区高含量薄膜水与水分平衡研究

通过野外实地考察和实验分析,在巴丹吉林沙漠的呼和吉林湖东沙山、呼和吉林湖西沙山和伊利克敖包沙山斜坡上发现了高含量薄膜水和带状分布的灌木植被。分析表明：① 沙山沙层中出现了含量在3％~5％之间、占据厚度为0.5~3.0 m之间的高含量薄膜水,并出现了一部分水分含量大于5％的重力水,这在极端干旱的沙山斜坡沙层中是非常少见的。② 沙层中的含水量垂向分布与重力水的存在指示,在当年雨季末期,大气降水就完全能够通过沙层入渗达到2~4 m或更大深度,从而避免了蒸发作用的消耗,确保了沙层水分能够通过入渗向深层运移。③ 沙山沙层中高含量薄膜水和重力水的存在以及灌木植被带的发育充分证明,该区大气降水在经过蒸发与蒸腾消耗之后,仍有剩余的水分渗入地下,显示了沙山区沙层水分为明显的正平衡。高含量薄膜水的存在和带状植被的发育的表明大气降水至少是该区地下水和湖水的重要补给来源之一。④ 沙山表层1~4 m深度范围有时存在含量大于5%的重力水,表明沙山表层水分运移动力很强。沙层入渗率高,沙层水受蒸发影响的深度小,利于大气降水向地下水的转化,这也是该区大气降水能够补给地下水的重要原因。     

黑河中游非均匀地表能量通量的卫星遥感参数化

对黑河中游非均匀地表区域地表能量通量和蒸发(或蒸散)的研究是一个十分重要但又是一个难点问题。文中提出了2个基于卫星遥感和地面观测的参数化方案,并把其用于黑河中游地区。同时利用2个景的陆地资源卫星Landsat TM资料进行了分析研究,得到了一些有关非均匀地表的沙漠化地区的区域地表特征参数、植被参数和地表能量通量的新概念。文章最后还讨论了所提出的参数化方案的适用范围和所需的改进之处。     

中国东部南北样带森林生态系统蒸腾与蒸散比值(T/ET)时空变化

植被蒸腾与蒸散的比值(transpiration/evapotranspiration, T/ET)表征了植被蒸腾对生态系统蒸散的贡献率,是准确量化生态系统水分利用效率的关键参数,对研究植被水分运移的生理生态机理以及碳水循环关系具有重要意义。基于站点数据验证PT-JPL模型(Priestly-Taylor JetPropulsion Laboratory Model)模拟精度,集成遥感数据和气象栅格数据模拟中国东部南北样带森林生态系统2001-2010年T/ET,并分析其时空变化及影响因子。结果表明:①PT-JPL模型适用于中国东部森林生态系统蒸散及其组分模拟,具有较高的稳定性和可靠性;②中国东部南北样带森林生态系统T/ET空间差异显著,整体呈南部低、北部高,主要由夏季T/ET空间格局主导;样带整体T/ET均值为0.69,2001-2010年呈显著缓慢上升趋势,增幅为0.007/yr(p <0.01);③T/ET季节和年际变异的主控因子不同:温度和EVI是影响T/ET季节变异的关键因子,两者均可解释T/ET季节变异的90%左右(p <0.01);而T/ET的年际变异则主要受EVI影响,解释率为53%(p <0.05)。     

无定河流域水量平衡变化的模拟

利用黄土高原无定河流域1982~1991年的水文气象、土地利用、土壤质地、数字高程和NOAA-AVHRR遥感信息,建立基于土壤-植被-大气传输机理的分布式生态水文模型,模拟流域水量平衡的时空分布。研究结果发现,该流域的年平均植被指数(NDVI) 的年际变化不明显,但NDVI最大值的年际变化显著。该流域年累计NDVI与降水年总量关系不明显,说明该流域植被的生长并不完全受控于降水总量。模拟的实际蒸散量用无定河及其岔巴沟子流域实测降水与实测径流的差值进行验证,误差小于5%。整个流域模拟时段的平均降水量为372±53 mm yr-1,实际蒸散量为334±33 mm yr-1,其中蒸腾为130±21 mm yr-1,有明显的年际波动。地表径流的年际变化相对较小。蒸散发的季节变化特征与降雨基本一致,即7、8、9月雨季高,其他月份低。降水量和实际蒸散量呈现显著的空间分异性,表现出由东南(高NDVI) 向西北(低NDVI) 递减的梯度差异。地表径流的空间分异亦沿东南-西北梯度变化,但高值分散在中部。以岔巴沟子流域1991年的地表覆被度为基准,发现在全流域都覆盖上某一种植被的情况下,蒸腾和土壤蒸发的变化非常明显,地表径流和实际总蒸散的变化并不显著。只有在全流域都变成荒漠情景下,实际总蒸散才显示出较明显变化(17%),表明在西北干旱半干旱区,土地利     

三江平原典型沼泽湿地生态系统水分通量研究

利用野外定位观测数据 ,对三江平原典型沼泽湿地主要界面水分通量进行计算和分析。结果表明 ,2 0 0 3年生长季沼泽湿地系统与大气水分交换量 (蒸散发 )总量为 4 2 4 .7mm ,沼泽湿地水面 -大气水分通量 (水面蒸发 )总量为 2 6 0mm ,沼泽湿地植被 -大气界面水分通量 (蒸腾量 )总量约为 16 4 .7mm ;对沼泽湿地生长季水平衡的计算表明 ,生长季水分亏缺量达 14 0 .5mm ;非生长季大气降水是沼泽湿地生长季生态用水的重要来源。     

泾河上游流域实际蒸散量及其各组分的估算

利用分布式生态水文模型SWIM,基于泾河上游(泾川测站以上) 植被、土壤、气象和水文数据对研究区进行了水文过程的模拟,从而估算了流域的实际蒸散量及其各组分。结果表明：SWIM模型能够较好的模拟泾河上游流域的水文过程,模拟的流域多年(1997-2003 年) 平均实际蒸散量为443 mm,其中土壤蒸发量为259 mm,植被蒸腾量为157 mm,冠层截持量为27 mm。石质山区的森林覆盖区和非森林地的年蒸散总量在整个流域分别具有最大值和最小值,为484 mm和418 mm;黄土区实际蒸散量介于二者之间,平均为447 mm。森林覆盖地区土壤蒸发明显小于其它区域,而蒸腾和冠层截留明显大于其它区域。年内蒸散量主要集中在5-8 月份,占全年总蒸散量的60%,且冠层蒸散比例较大达63%。整个流域湿润年份较干旱年份蒸散量增加了78 mm,其中土壤蒸发增加最多,其次是冠层蒸腾,冠层截留蒸发最小。     

中国西北地区蒸发散量计算的遥感研究

自然陆面区域蒸发散的教育处是一个复杂的问题，在利用遥感资料求取地表特征参数的基础上，首先建立了2种极端条件下（裸露地表和全植被覆盖）的裸土蒸发和全植被覆盖蒸散计算模型，然后结合植被覆盖度给出非均匀陆面条件下的区域蒸发散计算方法，实测资料验算表明该模型具有较高的计算精度，最后利用该模型对我国西北5省区的蒸发散量进行了计算，并对该研究区蒸发散的特点进行了分析。