ChinaFLUX CO2通量数据处理系统与应用

CO₂通量观测数据的规范处理及其高质量数据产品的发布,是CO₂通量及其相关领域研究的前提和基础。为解决目前通量观测数据处理工作中存在的过程繁琐、方法不统一、处理不及时等问题,本研究以MATLAB为开发工具,利用其强大的数学计算功能和可视化GUI技术,集成目前主要的通量数据处理方法,开发了一套具有自主知识产权的中国通量网(ChinaFLUX)通量观测数据处理系统。该系统的处理对象为30min的CO₂通量观测数据,其主要处理步骤包括湍流通量计算、观测数据的质量控制/质量保证、缺失观测数据的插补,以及不同时间尺度下碳交换量的分解和计算等。该系统自动化程度高、可视化程度强,为ChinaFLUX通量观测数据处理及服务提供了一个良好的平台。     

MTCLIM模型系列研究报告(4):辐射估算方法在我国南方亚热带山地的改进

以已有的数据、理论和模型为基础,在我国南方亚热带山地对MTCLIM模型的辐射估算方法进行了改进,对模型参数作了重新估计。经过改进后,辐射子模型中的参数B的变化不再用月平均温差表示,而是用月平均水汽压来表示。交互验证估计参数的方法能消除不良数据的影响,获得较好的模拟效果,最后估计的参数T0 nadir.dry、α、C、a和b分别为0 823、0 000039、1 7、0 0173和0 0000122。与用原来参数估计的结果相比,参数估计后预测的日总辐射结果有明显改善,相关系数R2从原来的0 55～0 73提高到0 65～0 82,总平均绝对误差从原来的3 81MJ/m·d-1降低为2 90MJ/m·d-1,减少了约1MJ/m·d-1。     

生态系统科学研究与生态系统管理

中国科学院地理科学与资源研究所生态系统学科以生态系统生态学研究为核心,通过研制生态系统观测和模拟分析的技术和方法,探索解决区域性/大尺度生态学问题的理论和方法,监测生态系统变化,认知生态系统变化规律,推动生态系统生态学、生物地理生态学、全球变化生态学和生态信息科学技术的发展,创新生态系统管理模式,服务于国家和地方的生态建设、应对全球变化及区域可持续发展。面向国家重大需求,在中国华北平原农业区、南方红壤丘陵林业区、青藏高原农牧区以及黄土高原区等典型区域开展生态系统管理技术与模式的集成与创新研究,着力解决国家生态文明建设和应对全球气候变化中的重大生态学问题,推动区域生态系统管理领域的科技进步。围绕生态系统生态学学科前沿,着重在① 生态系统联网观测、模拟与信息管理,② 生态系统结构、过程与功能,③ 生态系统空间格局与机制,④ 生态系统对全球变化的响应与适应,⑤ 生态系统管理与生态系统服务等五大主要研究方向,系统开展生态系统生态学前沿理论和实践的创新研究,研究成果处于国内和国际生态学研究的科学前沿。     

陆地生态系统碳—水耦合机制初探

陆地生态系统的碳循环和水循环是当前全球变化研究的热点。大量的研究已经表明两者之间具有密切的耦合作用。但是目前对于两者的耦合关系和耦合机制还缺乏系统的分析和总结。本文在综合相关研究的基础上,对陆地生态系统碳-水耦合的基本过程和基本作用机制作了概括。我们认为陆地生态系统碳-水耦合过程共包括土壤-植被节点、植被-大气节点（气孔节点）、土壤-大气节点和生化节点4个碳-水耦合节点。碳-水间的生化反应、气孔对光合-蒸腾的共同控制和优化调控作用、生态系统对碳、水循环的同向驱动机制分别是陆地生态系统碳-水耦合的生物化学、生物物理学和生态学基础,共同构成了碳-水耦合的基本作用机制。我们还用水分利用效率（WUE）概念对碳-水耦合过程中的碳/水耦合比例关系作了探讨。     

近年来生态学研究热点透视——基于“中国生态大讲堂”100期主题演讲的总结

“中国生态大讲堂”(China Ecological Forum, CEF)是一个中国生态学领域的综合学术论坛;它以“传播新知识,交流新思想,展示新成果”为宗旨,举办系列学术讲座、春冬季专题研讨会、高级研讨班以及焦点论坛等学术交流活动。自2005年创办以来,“中国生态大讲堂”已经组织了100期主题演讲和12次大型学术研讨会、6次专题研讨会、2次高级研讨班,成为广大科研人员进行学术交流的重要平台。迄今,已有300人次的知名科学家、中青年学者在大讲堂作了学术讲演,其中150人次是来自国外研究机构的知名学者。从近年来演讲的主题来看,“气候变化与生态系统适应性”、“生态系统评估和管理”和“生态系统服务”等是生态学研究的热点问题。自2009年以来,根据“中国生态大讲堂”研讨会整理出版的《中国生态大讲堂系列丛书》已经出版了5本,涵盖了当前生态学研究的主要领域及其关键科学问题,反映了当代生态学研究的科学前沿。本文通过对“中国生态大讲堂”讲座和研讨会主题的梳理,探讨了近年来生态学研究前沿领域和热点问题,希望能为中国生态系统研究者提供参考。     

近50 年中国光合有效辐射的时空变化特征

基于中国陆地区域1961-2007 年逐年/季节平均光合有效辐射(PAR) 的空间化数据(10km×10km),结合GIS 空间分析技术与Mann-Kendall 趋势分析方法对近50 年年/季节平均PAR进行时空变化特征分析。结果表明：① 全国PAR的空间分布差异明显,总体上呈现东南低、西部高的特点,年均PAR在17.7~39.5 mol m^-2 d^-1之间。② 全国像元平均的年/季节平均PAR表现出一个较明显的波动下降过程,年均PAR降幅为0.138 mol m^-2 d^-1/10a,不同季节下降幅度存在差异,夏季降幅最大。③ 逐像元分析显示全国大部分地区PAR呈现显著下降趋势(α = 0.05),东部趋势变化较西部明显,夏冬两季在PAR年际变化中的贡献最大。华北地区在不同季节都是下降区域,而青藏高原西北地区在不同季节都表现为上升趋势。④ PAR年际变化率空间分布在不同时段差异明显,同一地区PAR年际变化率不仅在不同季节存在差异,而且在不同时段也不相同,总体上1990年代之前PAR下降较快,之后下降趋势变缓。     

鼎湖山针阔叶混交林生态系统能量平衡分析

能量平衡分析作为评价涡度相关法通量观测数据可靠性方法，备受学界重视。应用OLS（Ordinary least squares）和EBR（Energy Balance Ratio）2种方法，系统分析了广东省鼎湖山针阔叶混交林生态系统能量平衡特点，并分析各种涡度通量修正方法对能量平衡的影响，结果表明鼎湖山通量站平均能力平衡不闭合度为33％-47％，略高于普遍报道的不闭合度范围（10％-30％）。WPL修正、μ＊订正和坐标转换，使得能量平衡闭合度有所提高，但夜间特别是冬季能量平衡较差问题依然没有得到根本解决，表明夜间弱湍流并不是导致夜间能量平衡闭合度差的主要原因。为客观评价本通量站以及ChinaFLUX能量平衡状况和通量数据质量，确定涡度相关法CO2通量数据分析方法和改进策略提供依据。     

西双版纳热带季节雨林树冠上生态边界层大气稳定度时间变化特征初探

为探讨热带季节雨林林冠上方大气稳定状态,为通量计算提供依据,利用2003-2004年热带季节雨林林冠上方的涡度相关法观测资料,对西双版纳热带季节雨林树冠上生态边界层内大气的稳定度频率分布进行了分析研究。计算了稳定度参数（z/L）,并对大气稳定度类型进行了划分,分析了大气稳定状态的时间变化。结果表明：在热带季节雨林林冠上方的大气稳定度频率分布存在明显的日变化。昼间不稳定状态占优势,晚上以稳定状态为主;在早晨和下午稳定状态和不稳定状态频率分布易发生变化,导致中性的大气稳定状态更容易出现;而各大气稳定状态的频率分布年和季节变化相对较小,大气不稳定状态出现频率以雾凉季最高、干热季最低;稳定状态出现频率以干热季最高、雨季最低;中性状态出现频率以雨季最高、雾凉季最低。     

西双版纳热带季节雨林热储量初步研究

为探讨西双版纳热带季节雨林不同季节多种形式热储量值的大小及其变化规律,利用该地区热带季节雨林碳通量、常规气象和生物量观测资料,对该地区森林生态系统从2003年1月1日起到2004年12月31日两年内所有晴天条件下的空气显热和潜热、林冠热储量、光合作用耗能以及热流板之上的土壤热储量在雾凉季、干热季和雨季期间的数值大小、变化规律以及它们与净辐射的比值等进行了比较分析.研究表明,各季节空气显热和潜热、林冠热储量以及热流板之上的土壤热储量值均是在昼间变化幅度较大,而夜间很小;各季节空气显热和潜热的绝对值明显高于其他形式的热储量;总热储量的绝对值是干热季时最大,雾凉季时最小,雨季则介于两者之间.昼间空气显热和潜热、林冠热储量、光合作用耗能以及热流板之上的土壤热储量与净辐射的比值在各季节普遍呈现随时间的推移而逐渐下降的趋势;其中空气显热和潜热与净辐射的比值较高,而林冠热储量、光合作用耗能以及热流板之上的土壤热储量在净辐射中所占比例都很小,最大值均不超过3.5%.昼间总热储量与净辐射的比值在1200前较大,且季节间差异明显,1200后都小于10%,且季节间差异较小.计算热储量数据后,各季节能量闭合程度均有所提高,表明这一能量形式不可忽视.受多种因素的影响,观测得到的该热带季节雨林的能量闭合程度不高,需做进一步研究.本研究结果有助于更好的理解热带森林生态系统与大气间的能量传输和物质交换过程,并为其他生态系统能量平衡的研究提供借鉴.     

利用MODIS影像和气候数据模拟中国内蒙古温带草原生态系统总初级生产力

温带草原生态系统与大气间的碳交换通量受到降水和土壤水分可利用性的强烈影响,时空变化显著．所以,整合卫星遥感和田间通量观测成为准确刻画中国北方内蒙古温带草原生态系统区域碳循环动态的重要基础．基于涡度相关通量观测系统提供的生态系统与大气间的碳交换通量数据,研究发现：对于内蒙古锡林郭勒温带草原试验站,遥感增强植被指数（EVI）与植被总初级生产力（GPP）的相关关系强于归一化植被指数（NDVI）与GPP的关系．因此,利用基于EVI的植被光合模型（VPM）对该站点的总初级生产力进行了遥感模拟,模型的输入包括增强植被指数,陆地表面水分指数（LSWI）,平均空气温度（勋）和光合有效辐射（PAR）．对比2003年5月到2005年9月的涡度相关通量观测数据和模型模拟结果发现：植被光合模型可以准确模拟研究时间段内总初级生产力的季节动态限（R^2=0．903,N=111,p〈0．0001）;研究时间段内模拟的总初级生产力为641．5g C．m^-2,仅高估了约6％,且植被光合模型模拟效果优于其他生产效率模型（比如：TURC,MODIS-PSN）．因此,引进改进的植被指数（比如EVI和LSWI）,植被光合模型可以成功模拟温带草原生态系统的总初级生产力,可能成为区域碳通量准确模拟的有效工具．