精确评估地-气之间物质和能量交换对于有效管理水资源和促进农业可持续发展至关重要.为揭示黄河故道区玉米农田生态系统的能量分配特征和水热分量动态变化过程及其对气象因子的变化响应,本研究基于涡度相关系统和全要素自动气象站,对2019-2020年黄河故道区典型夏玉米农田生态系统的能量通量以及常规气象要素进行不间断观测,分析夏玉米农田各能量通量的变化特征以及与气温、降水、风速等环境因子的相关关系,并计算夏玉米生育时期的能量闭合率和能量分配比率.结果表明:研究区夏玉米净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在11:00-14:00,土壤热通量的峰值发生在14:00-15:00.在能量分配上,夏玉米农田全生育期的能量分配以潜热通量和显热通量为主,播种-出苗期能量主要被显热通量消耗,占净辐射的37.1％,其余生育周期的能量均以潜热通量消耗为主.全生育期能量闭合率较好,决定系数为0.83,其中,白天闭合率较高,晚上较低.降水对潜热通量和显热通量都有明显影响,潜热通量对降水的反应更敏感,生育后期潜热通量在降雨后与降雨前的增幅比生育前期低.在夏玉米全生育期内,太阳辐射是水热通量最主要的气象因子,其次为饱和水汽压差.温度和饱和水汽压差对潜热通量的贡献度明显高于显热通量,风速、相对湿度和太阳辐射对潜热通量的解释率低于显热通量,叶面积指数和植被覆盖度与潜热通量呈显著正相关、与显热通量呈显著负相关.本研究的定量化结果可以深化对黄河故道区夏玉米农田水热传输规律的认识,为作物高效用水提供理论依据.

利用耦合了陆面模式的大气环流模式,结合青藏高原植被退化的范围和程度,通过在模式中修改高原地区(27°-40°N,75°-100°E)的叶面积指数的方法,探讨了植被退化以后对高原及其附近地区上空大气环流的影响.结果表明,该模式对高原地表温度场具有很强的模拟能力,并且能够很好地模拟出青藏高原及附近地区夏季位势高度场的平均特征及南亚高压的位置和强度,但南亚高压中心强度偏大且略微西退.在青藏高原植被出现退化以后,高原整体地表土壤温度和地表2m空气温度升高,感热通量增加、潜热通量减小,进而改变了高原地区的波文比.地表感热增加导致高原及附近地区500 hPa高度场降低和200 hPa高度场升高,并在200hPa上存在强大的反气旋性环流异常,导致南亚高压增强和北扩东伸.植被退化造成的青藏高原感热增加导致了高原南部上升运动增强和北部上升运动减弱,同时又引起高原以北地区下沉气流的影响范围扩大,而下沉气流的强度减弱,其结果有助于高原以北的干旱范围扩大,而干旱程度却得到缓解.

以极端干旱环境中的胡杨群落为研究对象,利用涡度相关通量观测系统,研究了胡杨群落CO2通量与水分利用效率在不同物候期的动态规律.结果表明:胡杨CO2通量在不同物候期日变化趋势基本一致,但存在明显的季节差异,其中果熟期CO2通量变化幅度最大,开花期最小,展叶期介于二者之间.相关分析表明,胡杨群落CO2通量均与显热通量、潜热通量、动量通量、土壤热通量、净辐射以及空气相对湿度呈极显著相关.其中,净辐射、潜热通量和显热通量与CO2通量的相关系数较大,其变化范围分别为-0.82—-0.88、-0.64—-0.66和-0.63—-0.94,是影响群落CO2通量的最主要环境因子.胡杨群落水分利用效率(WUE)同样存在明显日变化规律.其时间动态表现为:群落水分利用效率在开花期、叶黄期和落叶期变化幅度大,开花期最高,在展叶期和果熟期WUE最稳定.净辐射和风速是影响群落水分利用效率的两个最关键要素.

黄土高原退耕还林(草)等生态恢复工程促进了地表植被覆盖增加,进而通过影响地表-大气之间热量交换影响区域气候过程.基于黄土高原1998-2000年和2008-2010年SPOT卫星反演的植被覆盖资料、54个地面气象站气温资料及EIN-Interim地表热通量数据,采用空间分析交叉验证及地表热量平衡分析的方法,从站点尺度探讨了退耕还林(草)工程初期和10年后黄土高原植被变化与气温和地表热通量变化之间的关系.研究表明,退耕还林(草)工程开展10年后,黄土高原气温最小值、最大值与平均值均有下降,植被覆盖增加与气温变量降低在空间上呈正相关.同时,植被覆盖增加与潜热通量增加、感热通量与大气下行长波辐射下降在空间上也呈正相关关系.这些结果表明,植被恢复可通过增加地表蒸散发作用对区域气候产生降温效应,会减缓气温升高对黄土高原生态系统的影响.

农田水热通量的变化特征以及气候学足迹分析对加强区域气候资源管理和提高红壤地区水热资源利用率有重要意义.利用低丘红壤区的大孔径闪烁仪和自动气象站数据,在保证数据质量的基础上,详细分析了低丘红壤区农田在非雨季、作物生长旺期不同时间尺度水热通量的变化特征和观测通量的源区分布特征.结果表明:水热通量的日变化呈单峰型,但与晴天相比较,多云天的日变化曲线波动更为复杂;无论是旬尺度还是月尺度,8月的水热通量整体上都大于9月,且净辐射通量都更多地用于潜热交换,但9月潜热通量所占净辐射比例相较于8月有所减少,感热通量则相反;受气象条件(尤其是风)、稳定度和下垫面状况影响,不同时间尺度的观测通量源区特征不同;结合下垫面作物来看,不同时间尺度源区的通量贡献来源也不同.

地表能量平衡问题一直是陆面过程研究中的重点和难点问题.以2014年8-10月和2015年4-6月黄土高原北部水蚀风蚀交错带柠条林地涡度相关通量观测数据为依据,分析柠条林地热储通量变化特征,在此基础上分析热储通量对能量闭合度的影响.结果表明,柠条林地各热储通量均表现出明显的季节和日变化规律.在能量平衡方程中,考虑热储通量项后能显著提高柠条林地能量闭合度,平均提高幅度为11.91％.其中,土壤表层热储通量对能量闭合度的贡献最大,占总热储通量的95.63％;光合作用热储通量和大气感热存储通量占总热储通量的比例不足5％,光合热储通量略高于大气感热存储通量;而大气潜热存储通量则降低了能量闭合度,平均降低幅度为0.06％.因此,在分析黄土高原柠条林地能量平衡中热储通量项是不可忽略的.影响柠条林地各热储通量的因素主要有太阳辐射、大气温度、土壤温度和水分.植被生长状况是影响柠条林地热储通量各分量项季节和日变化的重要因素,并对能量闭合度产生影响.

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器观测了我国北亚热带-暖温带气候过渡带(河南南阳)的一片锐齿栎天然林的能量通量及常规气象.以一个完整年(2016年10月-2017年9月)的观测数据为依据,定量分析了此锐齿栎林的能量通量的日变化、季节变化以及各能量分量的分配特征,并计算了能量闭合度以及波文比.结果表明:锐齿栎林观测期间一整年净辐射为2626.17 MJ/m2,感热通量为867.1 MJ/m2,潜热通量为1417.25 MJ/m2,土壤热通量为-2.60 MJ/m2,土壤为热源;各能量分量日变化基本呈单峰型曲线,季节变化特征明显.非生长季,锐齿栎林的能量主要分配给感热通量,占净辐射的54.18％;生长季,能量主要分配给潜热通量,占净辐射的67.48％.观测期间研究区年降雨量较平均值稍大(1231.8 mm),森林蒸散量为579 mm,仅为降雨量的47％.波文比受森林物候变化影响较大,在非生长季平均值约为2.1,生长季约为0.2.土壤热通量在生长季2017年4-9月份为正值,土壤表现为热汇,其余月份皆为热源.土壤热通量的变化过程主要受净辐射调控,森林物候也起了一定的作用.河南宝天曼锐齿栎森林通量观测站全年能量闭合度为67％,在国际同类观测站的范围之内(55％-99％).不能完全闭合的原因可能与通量源区面积不匹配、计算能量平衡时忽略冠层热存储等有关.

青藏高原及其周边地区的能量交换过程是推动我国及东亚地区天气过程演变与气候变化的重要因素.青藏高原及其周边山谷地区与青藏高原一四川盆地过渡区具有独特的大气边界层热力结构,其能量收支研究不可忽视,但由于长期观测数据的缺失,该地区的能量平衡特征尚未解明.以青藏高原东北边缘向四川盆地陡跌的过渡地带的典型亚高山河谷九寨沟的针阔混交林为研究对象,利用涡度相关系统,对九寨沟典型针阔混交林2014-2015年各能量通量进行了连续观测,分析了该生态系统能量平衡各分量的变化特征,讨论其能量闭合状况.结果表明:能量平衡各分量均与净辐射有相似的日变化、季节变化特征.与萌芽期、生长期、生长后期相比,冻土期各分量峰现时间均延迟2-3 h;而且各项绝对值大小在不同季节占比不同:冻土期和萌芽期显热通量为能量主要支出项;而生长期与生长后期潜热通量占主导地位.九寨沟2014与2015年生长期潜热通量占净辐射比值分别为0.69、0.75,远高于青藏高原其他地区.两年间研究区能量不闭合,能量闭合度分别为0.75,0.71.对于更好地理解高原山区和从高原到盆地的能量循环机理和动力学有着重要意义.

针对我国西南地区桂林喀斯特城市近20多年来快速扩展所引发的热环境问题,改进METRIC模型使其适用于喀斯特城市实际状况,利用模型和1994-2015年5景Landsat遥感图像反演地表水热通量,分析通量时空变化规律.结果 表明,潜热通量从高到低依次为水体、喀斯特山峰阳坡植被、地面植被、喀斯特山峰阴坡植被、建筑/道路和裸土、喀斯特山峰裸岩,显热通量从高到低依次为喀斯特山峰裸岩和建筑/道路、裸土、喀斯特山峰阳坡植被、地面植被、喀斯特山峰阴坡植被、水体.水热通量随时间的变化受地表覆盖变化的影响,研究区波文比(显热通量与潜热通量比值)在1994年最高,达到1.62,2000年下降到1.24,之后逐渐升高至2015年的1.51.城市扩展过程出现的显热高值区和潜热低值区比例低于10％,其变化引发显热中低值区和潜热中高值区比例的变化,显热高值区最高比例在1994年(10.0％),2000年下降到5.4％,之后至2010年逐渐上升到9.4％,但2015年下降到7.1％,潜热低值区比例的变化趋势与显热高值区比例基本相同.植被覆盖度(Vegetation fraction,Pv)在0.1-0.8范围时对水热通量的影响相对更显著,Pv增加0.1,显热通量降低8-27 W/m2,而潜热通量升高8-24 W/m2.喀斯特山峰植被保护和城区地面绿化建设对喀斯特城市热环境的改善至关重要.

生态输水工程使得黑河下游地区荒漠河岸林的面积得到了恢复,为进一步巩固生态恢复的成果,非常有必要深入研究胡杨林生态系统的水热交换过程及其对环境因子和人类活动的响应机理.基于涡度相关技术,对2013-2016年荒漠河岸胡杨林生态系统的水热交换过程进行了研究,得出的主要结论如下:(1)生长季生态系统的能量消耗以潜热通量为主,波文比为0.21;非生长季则以感热通量为主,波文比为3.61;春季和秋季的灌水过程,使得胡杨生长前期和后期的潜热通量值较高,直接影响着胡杨林生态系统的能量分配.(2)灌水的时间改变了潜热通量和蒸散发的季节变化过程,而灌水的量决定着春季和秋季潜热通量和蒸散量的年际差异.(3)2014-2016年,生态系统的年蒸散量和生长季蒸散量平均分别为1092 mm和932 mm.荒漠河岸胡杨林生态系统的蒸散量主要受系统水分状况(灌水量)及植物生长状况的影响.