不同作物类型下蒸散发时间尺度扩展方法对比

该文的目的是评价由瞬时潜热通量经过时间尺度扩展方法计算日蒸散发量的可靠性。为此,采用蒸发比法、改进的蒸发比法、正弦关系法及作物系数法等4种常用的蒸散发时间尺度扩展方法,针对位于华北平原的高营站和位于东北平原的通榆站的5种典型下垫面类型,分别对瞬时潜热通量进行时间尺度扩展,估算日蒸散发量,并与通量站采用涡度相关系统观测的日蒸散发量进行对比。结果表明,尽管4种方法在总体上具有一致性,但改进的蒸发比法的模拟精度最高(相对均方根误差20%左右),更适合于估算中国北方典型农田的日蒸散发量。然而,4种方法均存在系统误差,从而导致采用上午时段瞬时通量估算的日蒸散发量系统偏小,而采用下午时段估算的日蒸散发量系统偏大。     

基于气温估算参考作物蒸散量方法的对比与改进

为提高基于气温数据估算参考作物蒸散量（ET0）模型的精度,该研究对比分析了基于温度数据估算ET0的Penman-Monteith（PMT）模型、Hargreaves-Samani（HS）模型和改进HS模型,并运用基于气温数据估算实际水汽压和太阳辐射的最新进展改进PMT模型。结果表明：Paredes等提出的改进HS模型较传统HS模型提高了半干旱区到湿润区ET0的估算精度;使用Paredes等提出的PMT模型与改进HS模型估算的各气候区相关系数（r）均值相似,但PMT模型提高了除湿润区和亚湿润干旱区外各气候区的ET0估算精度,均方根误差（RMSE）和相对均方根误差（RRMSE）均值分别降低0.01～0.15 mm/d和0～0.05,且模型效率（EF）均值提高了0.01～0.06;本文提出的改进PMT模型可进一步改进PMT模型估算除干旱区和半干旱区外各气候区精度,RMSE和RRMSE均值分别降低0.04～0.12 mm/d和0.02～0.04,r和EF均值更接近于1;并且改进PMT模型估算各站点全局性能指数（Global Performance Index,GPI）值较好,90%的站点GPI值排名第一。因此,建议在仅有气温数据时,使用改进PMT模型作为估算ET0的推荐模型。研究成果可为区域农业水资源管理提供依据。     

基于不同植被指数三角形法的蒸散指数研究

蒸散发的研究对于绿洲的生态安全、农业生产及水资源合理配置等问题具有重要意义。利用Landsat-8遥感影像获取于田绿洲2011年5月17日与2016年5月15日的地表温度和植被指数信息,根据地表能量平衡原理,构建三角形特征空间,基于一定的假设条件,并根据其"干边"和"湿边"方程系数计算研究区蒸散指数,同时采用MOD16-ET产品数据和研究区土壤含水量数据对地表温度与不三种不同植被指数计算出的蒸散指数进行对比分析。结果表明:基于三角形法的蒸散指数能够很好地估算陆面蒸散发,且与MOD16-ET产品的精度验证相关系数较高,R~2均大于0.7;而通过对比三种常用植被指数与地表温度计算的蒸散指数,采用ET-Ts/EVI计算出的蒸散指数精度较高,R~2大于0.8;同时,该方法与土壤含水量拟合结果同样,表现出ET-Ts/VI具有更高的精度(R~2大于0.7)。     

基于MODIS遥感资料估算高原地表潜热通量

利用2014年夏季青藏高原9个观测站的实测资料,首先分析了夏季高原地区的湍流输送特征,并对MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)地表潜热产品在高原地区的适用性进行检验,进一步在潜热模型中引入MODIS昼夜地表温度来估算研究区的地表潜热,并将估算值与实测值进行对比。结果表明:下垫面以裸土/稀疏植被为主的阿里站能量输送以感热为主,其他观测站的湍流输送则以潜热输送为主;MODIS潜热产品在高原各地区的适用性存在差异,产品在高原东部偏东地区适用性较好,其他地区适用性较差,且高原西部的潜热有效数据大量缺失;而新提出的方法不仅可以弥补高原西部地表潜热的缺失,还可以提高地表潜热的估算精度,估算值与实测值之间相关系数达到0.77,均方根误差仅为29.8 W/m2,相对误差为35.59%;模型给出的高原地区地表潜热区域分布特征与高原的地表覆盖类型吻合较好,说明模型给出的高原地表潜热分布是合理的。     

土壤有机碳储量估算与土地利用的关系研究

土地利用方式的变化在土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)积累的过程中起着非常重要的作用。目前在估算土壤有机碳储量的过程中,一直没有重视土地利用属性。运用基于土壤学专业知识的连接方法 (pedological professional knowledge-based method,PKB法),结合江苏省新沂县1∶20万土壤图,1∶20万土地利用图和1∶20万土壤类型土地利用混合图,估算了各图在不同土壤剖面点数情况下的新沂县SOC储量,并将三者在最佳剖面点数下估算出的SOC储量和SOC密度(SOCD)进行了比较及精度评价。结果表明:在土壤类型图、土地利用图和土壤类型土地利用混合图上进行的PKB法连接时最佳剖面点数均为397点,最佳网格为2 km×2 km;在中比例尺图件上进行PKB法连接估算SOC储量时,综合考虑土壤类型和土地利用类型可以大大提高估算精度,同时土地利用类型属性比土壤类型属性更为重要。研究结果可为在中比例尺条件下提高SOC估算精度提供科学依据。     

径流曲线法在东北半干旱区几种土地利用方式径流估算中的应用与改正

探讨径流曲线法(SCS—CN法)在不同土地利用方式中的适用性,为该方法评价水保措施提供一定参考。选择东北半干旱区径流小区监测资料,采用同时率定径流曲线数(CN)与初损率(λ)的方法,分析SCS—CN法在评价水保措施与耕作方式的可行性。结果表明:(1)干旱情况下(AMC1),最优λ值为0.05时,不同土地利用方式模拟不理想;利用改正潜在蓄水能力(S)方法得到的裸地、等高沟垄和顺坡垄作结果较为理想,对应CN1值分别为87.54,68.49和60.46,最优λ值为0.40。(2)水平槽、地埂植物带和水平梯田结果不理想,当实测径流量>10mm时,计算值过大,利用径流系数比改正后,模拟精度有较大提高,是适合水保措施的改正方法。(3)正常(AMC2)与湿润(AMC3)情况下数据量有限,保持最优λ值不变,改正S值,模拟效果较为理想,是适合干旱地区的估算方法。     

苏南地区典型作物冠层阻力参数及潜热通量的模拟

准确测算和模拟农田潜热通量对农业生产有着重要意义。该研究基于波文比能量观测系统对苏南地区夏玉米和冬小麦生育期内潜热通量进行连续观测,采用Katerji-Perrier（KP）和Todorovic（TD）两种方法来确定Penman-Monteith（P-M）模型中冠层阻力参数,探究两种冠层阻力参数子模型的估算误差及成因。结果表明：冬小麦生育期内主要气象因子呈现相似变化趋势,净辐射日均值呈现出波动上升趋势。两种冠层阻力参数子模型对冬小麦潜热通量模拟均取得良好的模拟效果,模拟R2不小于0.84,纳什系数不小于0.86,但KP模型精度稍高于TD模型。KP模型对冬小麦和夏玉米潜热通量均有高估,而TD模型高估了夏玉米潜热通量,饱和水汽压差是影响KP和TD两种冠层阻力参数子模型误差的主要因素,且饱和水汽压差越大绝对误差越大。研究为当地农业用水管理提供科学依据。     

饮用水源区小流域氮素污染负荷估算方法比较

采用输出系数法、通用土壤流失方程估算法、径流试验场法和相关关系法4种方法对密云土门西沟小流域非点源氮污染负荷进行估算。结果表明：输出系数法中的Johnes模型和考虑降雨影响的输出系数模型计算值相对误差比较大,考虑流域损失的输出系数模型计算结果与实测结果相对误差仅为5%;输出系数方法适用于资料比较缺乏的地区,输出系数的确定是提高估算精度的关键。对流域非点源污染发生类型区和类型单元进行详细划分,并将对各类型采用径流试验场法的监测结果推算到小流域就能减小估算相对误差;采用径流试验场法推算密云土门西沟小流域非点源氮污染负荷相对误差仅为8%;相关关系法通过建立降雨和污染负荷的关系,其估算值相对误差达到4%,此方法需要长期的降雨-水质监测数据;通用土壤流失方程估算法主要估算流域土壤侵蚀量,没有考虑径流对污染物输移过程中的沉积、起动和交换等问题,估算值会偏大。     

利用陆面模式和遥感经验模型估算半干旱区陆面蒸散量

陆面蒸散发是地表水循环和能量循环的重要组成部分,准确的估算蒸散发对区域气候研究和干旱监测有重要意义。利用公用陆面过程模式CLM 4.0模式输出的高时间分辨率的净辐射、地表温度作为遥感经验模型的输入,结合SACOL站观测资料估算了西北半干旱区的陆面蒸散发,并将估算值与观测值进行了对比分析。结果表明:CLM模式对净辐射、地表温度的模拟性能较理想,与观测值的RMSE,MAPE相对较小,相关性更高。遥感经验模型估算的SACOL站陆面蒸散发与实测值的偏差较小,CLM模式模拟的蒸散发与观测值的一致性较好,但模式较观测值偏大。基于CLM模式模拟得到更为准确的净辐射、地表温度和NDVI估算得到的蒸散发与观测值的变化趋势较为一致,两者的误差较小,相关性更好,对半干旱区蒸散发的估算精度有显著提高,且能够得到更高时间分辨率的陆面蒸散发。     

畦灌地表储水形状系数的变化规律

为了提高水量平衡模型模拟水流运动过程的精度。以水量平衡原理为基础,结合动力波（KW）模型,通过对其无量纲化,研究了畦灌过程中的地表储水形状系数变化规律并提出了估算其值的经验计算式。研究表明同一次畦灌过程中地表储水形状系数并非恒定值,而是随灌水时间和水流推进距离等因素变化的。结合已有文献资料验证,结果表明采用水量平衡模型模拟畦灌水流运动过程,考虑动态的地表储水形状系数取值,可有效提高模型的计算精度23.32%。同时也表明采用该文所建经验计算式估算畦灌地表储水形状系数值是可靠的。     

冬季日光温室北墙内表面热流分析

为了摸清日光温室墙体内表面上辐射、对流传热分量和向墙体内部的传导热分量的日变化情况,以及墙体内部传导传热热流状况,以指导温室生产有针对性的采取保温措施,采用墙体内及表面空气多点多日连续温度监测,用传热学中平板表面对流换热和物体内部热传导传热计算方法进行分析,研究日光温室北墙表面热量收支和墙体热量流动状况。结果表明,墙体内40-50cm深度存在日温不变层;40cm热流仅4W.m-2左右。传热学计算表明北墙内表面自然对流为湍流状态,对流传热系数在1.69～4.43W.m-2.K-1。墙体内表面晴天白天最大对流换热量为26.5W.m-2,而墙面接受最大辐射热交换69.8W.m-2;墙内表面向墙内传导传热量最高达83.6W.m-2;随深度增加,热流降低,位相滞后。阴天时热流量迅速减小。结论:在郑州冬季天气条件下,60cm厚墙体已接近合理水平,再增加厚度增强保温效果的潜力不大;北墙表面空气与墙体间传热为湍流状态,而非平流状态;白天北墙表面以辐射换热量为主,是对流换热量的2.6倍。     

半干旱风沙草原区草地潜热通量的特征

半干旱风沙草原区是北方的主要生态系统类型,对调节局地和全球气候具有重要意义.蒸散作为热量和水量平衡的重要分量,是该生态系统水分损失的主要途径,在水分平衡中占有重要地位.本文利用开路涡度相关系统和常规气象梯度观测系统对科尔沁半干旱风沙草原2007年9月1日-26日的蒸散量和微气象条件进行了观测,根据观测得到数据分析了观测系统的能量平衡闭合状况,探讨了潜热通量与气象因子之间的关系.结果表明,观测系统的能量平衡闭合度为82.7%,处于国内外同类观测闭合度范围的中上水平.30min的潜热通量与净辐射数据之间呈线性相关关系,潜热通量日变化特点是白天高于夜间,中午时刻最高,净辐射与潜热通量每日峰值同时出现,温度、饱和差的峰值比潜热通量峰值滞后2～3h,潜热通量峰值时刻的空气相对湿度处于一日内最低,此季潜热通量平均日总量为5.44MJ*m-2,相当于2.21mm蒸散量,潜热日总量与净辐射日总量呈指数关系.     

Heat Flux Measurements and Modeling of Malodorous Compounds above an Anaerobic Swine Lagoon

The number of chemical compounds in sewage and consequently their release into the environment is increasing. Some of them are toxic and many of them are considered endocrine disrupters. Here, the capacity of three wastewater treatment plants (WWTPs) to remove caffeine, hormones and bisphenol-A was investigated. Bisphenol-A and caffeine are highly water-soluble compounds, as opposed to hormones (estradiol, estriol, and ethynilestradiol) which are hydrophobic compounds. In the Sewage Treatment Plant (SWT)1 the sewage is treated by activated sludge process, in the second plant, SWT2, sewage is treated by upflow anaerobic sludge blanket reactors followed by dissolved air flotation, and in the third, SWT3 sewage is treated by stabilization lagoons. The first lagoon is 3.5 m deep, thus facultative and polishment processes occur. It was speculated that there was a difference in efficiency between the three plants in removing micropollutants. Small differences were found in the amounts removed, probably accounted for by retention time. The caffeine and bisphenol-A were almost completely removed, higher than 90% for both compounds (bisphenol-A and caffeine) in all WWTPs. The hormones, however, had a smaller rate of removal, between 70% and 87%. It is suspected that retention time is essential for removal efficiency, together with type of treatment. In fact, the hormones, caffeine, and bisphenol-A found in the environment definitely come from untreated sewage.     

异质下垫面显热通量动态变化及对环境因子的响应

利用2010年7月至2011年6月大孔径闪烁仪的观测数据分析了显热通量的变化规律,通过主成分分析和相关性分析,筛选出影响显热通量的主要控制因子,探讨了鹫峰站点复杂下垫面水热通量对环境因子的动态响应.结果表明:(1)鹫峰站点显热通量日变化规律与平坦(或均匀)下垫面相似,即显热通量与天气条件密切相关,具有明显的季节性变化规律.4个典型晴天均有峰值出现,从年初至年末显热通量峰值从中午11:00左右向上午偏移;秋分日显热通量波动最明显,冬至日波动较为平缓;夏至日显热通量值最大,处于波峰期,冬至日显热通量值最小,处于波谷期.(2)土壤温度、土壤含水量、空气温度、下垫面蒸散发、风速、风向以及太阳净辐射是影响显热通量传输的主导因子,且不同典型晴天的主导因子不同.(3)土壤含水量和土壤温度与显热通量具有极显著相关性,受下垫面植被组成复杂,地形起伏大等因素的影响,风向与风速与显热输送也表现出了显著的相关性.研究结果有助于加强对复杂山区显热通量规律的认识.     

甜椒根区基质与土垄交界处热通量变化特征

在日光温室中采用新型土垄内嵌式基质栽培(SSC)方法栽培甜椒。运用土壤热通量板探究土垄(SR)、标准垄(NR)、窄标准垄(NRn)、矮标准垄(NRs)和种植密度加倍标准垄(NRd)5种不同规格栽培垄东西侧水平方向以及根区垂直方向上热通量昼夜变化特征,探究适合冬季日光温室蔬菜生产的栽培垄。结果表明:各处理热通量均呈相同的昼夜单峰曲线变化特征,但不同处理吸放热的时间有所差异。栽培垄东侧水平方向上,晴天时SR、NR、NRn、NRd4个处理根区吸热的时间为9:00-14:00,阴天时吸热时间延后2h;晴天NRs在23:00-14:00吸热,阴天一直处于吸热状态。栽培垄西侧水平方向上,NRs处理一直为吸热状态,其余4个处理在9:00-17:00吸热。根区垂直方向上热通量变化表明,SR、NR、NRn、NRd4个处理吸热时间晴天为11:00-18:00,阴天为12:00-17:00;NRs放热的时间比其它处理晚2~3h。5个处理在东侧、西侧水平方向上和根区垂直方向上吸放热差值因位置不同有较大差异,在东侧水平方向和根区垂直方向上各处理以放热为主,而在西侧水平方向上吸热较多。东西侧水平方向和根区基质垂直方向上NRs处理基质吸热多放热少,NRd处理基质吸热少放热多,故NRd处理在冬季能更好地维持根区温度,在日光温室冬季和早春季蔬菜生产中具有更好的应用前景。     

土壤热通量板测量误差及Philip修正公式的适用性

土壤热通量的测量是地表热量平衡研究中重要的一部分。测量土壤热通量有很多种方法,其中热通量板法简单易行但准确度无法判定。采用计算机模拟与室内实验相结合的方法,研究土壤热通量板测量误差及影响因素;将土壤作为均匀介质,将热通量板作为复合材料,研究复合材料在均匀介质中对温度场和热流分布的影响。此外,本文还对Philip在1961年提出的修正公式的效果进行了分析。结果表明,当土壤与热通量板的热导率接近时,热通量的测量误差较小;Philip修正公式在瞬态条件下的适用性较差。本研究表明,由于热通量板与土壤二者热导率的差异,热流在板边缘处会扭曲,从而导致热通量测量误差;由于Philip公式在推导过程中存在简化运算的处理,在土壤温度随时间波动的情况下,校正值与理论值间仍存在差异的现象,表明该公式的适用范围有限。     

安吉毛竹林生长季土壤热通量的变化特征

2011年4月~2011年9月运用常规气象观测仪器和土壤热通量板对浙江安吉毛竹林土壤热通量和气象因子进行观测,探讨了生长季土壤热通量的变化特征以及土壤温度、净辐射与土壤热通量的关系。结果表明:土壤热通量日变化均呈"S"型曲线,毛竹林生长季土壤热通量为58.914 WJ m-2,土壤为明显的热汇;越接近地表,土壤温度月变化越剧烈;不同时间尺度上,土壤5 cm温度与土壤热通量的回归分析,相关性均达显著水平,说明土壤温度变化是以热通量为基础的;在0.5 h尺度上,土壤热通量与净辐射的相关性达极显著水平(P0.001),且延滞1 h后的相关系数最高,说明安吉毛竹林生长季土壤热通量对净辐射的反馈要延滞1 h。     

北方日光温室北墙和后坡热通量日变化的谐波特征

为了确定日光温室北墙和后坡热通量日变化的谐波组成与相应周期,采用谐波分析法,以辽沈Ⅰ型日光温室为研究用温室,分别进行了有无作物条件下的试验.结果表明,无作物区日变化曲线由以π/72、π/36和π/24为周期的正弦曲线组成;作物区日变化曲线由以π/72、π/36为周期的正弦曲线组成,作物明显影响了日光温室北墙和后坡热通量日变化的谐波成分和相应周期.其中选定谐波所占比重均达到90％以上,说明日光温室北墙和后坡的热通量日变化可以用相应周期的谐波组合表达,并且可以利用谐波分析法进行日光温室热通量的日变化特征的研究.     

祁连山海北地区两种高寒草甸植被类型的土壤热通量比较

对祁连山海北地区矮嵩草(Kobresia humilis)草甸和金露梅(Potentilla fruticosa)灌丛草甸两种植被类型土壤热通量观测和比较分析发现:晴天两种植被类型区土壤热通量日变化均表现为单峰型,夜间低午后高;阴雨天土壤热通量变化复杂,随降水或云层厚薄波动剧烈。金露梅灌丛草甸土壤热通量的日变化较矮嵩草草甸更为平稳。两种草甸土壤热通量的月际变化同样表现为单峰型,12月最低(矮嵩草草甸和金露梅灌丛草甸分别为-40.27MJ/m2和-16.85MJ/m2)、6月最高(矮嵩草草甸和金露梅灌丛草甸分别为20.47MJ/m2和18.98MJ/m2)。矮嵩草草甸与金露梅灌丛草甸土壤热通量的年总量差异明显,分别为-24.72MJ/m2和48.10MJ/m2。表现出前者由土壤深层向地表散热,而后者由地表向土壤深层输送热量。两种植被类型区不同时间尺度上的土壤热通量与冠层净辐射均有显著的线性相关关系。由于冠层厚度的影响,金露梅灌丛草甸土壤热通量所占净辐射的比例较小,同步性较差,反馈延时约2.5h,而矮嵩草草甸的土壤热通量与净辐射的相关性更加密切。     

塔克拉玛干沙漠腹地不同天气地表土壤热通量估算对比研究

采用塔克拉玛干沙漠腹地2013年5月1日至7月31日的土壤温度梯度数据,用梯度量热法、强迫恢复法、板式量热法和热传导对流法估算沙尘暴、雨天、晴天、浮尘天气的地表土壤热通量,通过与常用的梯度量热法估计结果对比,对不同天气条件下的不同地表土壤热通量估算法的优劣及其适用条件进行了评价。结果表明,假如以梯度量热法为标准方法,则强迫恢复法在沙尘暴天气下有比较好的估算结果,而在雨天会出现较大误差;热传导对流法在沙尘暴天气下估算结果最好;板式量热法在所有天气条件下均有比较好的估算效果,但估算精度受到热通量板埋深的影响、当热通量板埋深为0.05 m时估算精度更优。