汶川特大地震灾后山洪灾害预估与应对措施

“5·12”汶川特大地震造成的灾区地表松动，使处于雨季的灾区面临山洪灾害的严峻挑战。通过对比历史上灾区和近邻地区已发生山洪灾害的历史状况，分析灾区山洪灾害的重点防范月份，绘制灾区山洪灾害高、次高、中、低易发区的分布位置，提出了不同风险区防范山洪灾害的应对措施，供汶川特大地震灾后山洪灾害预警参考。     

湿周法估算河道内最小生态需水量的理论分析

研究了不同河道几何断面的湿周法理论,分析了各种几何断面的湿周-流量关系。结果表明,当河道断面呈三角形、U型和抛物线型时,湿周-流量关系曲线可近似用幂函数拟合;当河道断面呈矩形和梯形时,湿周-流量关系曲线可近似用对数函数拟合。通过采用斜率为1法和曲率最大法确定曲线变化点,估算最小生态需水量发现,不论郡种断面,用斜率为1法和曲率最大法估算的结果差异很大,斜率为1法的估算结果均大于曲率最大法。分析同一流量下、不同断面形态对湿周法的适宜情况结果表明,在同一流量下,几何尺寸接近的不同断面,矩形和梯形断面有较大的湿周值,从湿周法初衷来讲,则更有利于生物生境的保护。     

玉米群体辐射传输特征

实验观测分析了玉米群体总辐射的透过率、截获率、反射率和消光系数,结果表明玉米群体总辐射透过率、反射率和消光系数具有明显日变化特征;玉米雄穗开花前后其群体透过率和截获率有明显变化;日际反射率随玉米生育期而异,初期达0.23,之后逐渐下降至0.14左右;生育期平均反射率约为0.19;总辐射和净辐射的消光系数分别为0.51和0.41。提出了总体消光系数的概念,该系数在观测期较稳定,约为0.26,依此利用入射总辐射可算出作物群体冠层辐射截获量。     

基于五水转化装置的玉米光合特性分析

利用中国科学院地理科学与资源研究所"五水转化动力过程实验装置",开展温室条件下玉米净光合速率及其关键影响因子的实验观测研究,探索玉米各生育阶段、植株各叶位叶片净光合速率的分布特征及其与叶片生理生态参数的关联性。结果表明:玉米全生育期内叶片净光合速率、叶绿素含量、气孔导度和氮含量均呈单峰曲线型变化趋势,但净光合速率峰值出现时间在乳熟期,比前人观测的大田峰值出现时间(抽雄吐丝期)晚一个生育期,且数值较低;净光合速率与叶绿素含量、气孔导度随叶位的变化大体呈现中间叶位高、基部与顶端叶位低的分布特征。各生育阶段玉米净光合速率与叶绿素含量间的相关系数最高(R=0.94,P0.05),其次为净光合速率与叶片N含量的相关性及其与气孔导度的相关性(R=0.77,P0.05);各叶位净光合速率与气孔导度的变化特征一致。该装置更适合进行气候变化、水分变化、养分变化等控制实验研究。     

青藏高原草地地上生物量的ANNs模拟分析

草地地上生物量(Aboveground biomass,AGB)的估算有助于理论载畜量的确定。基于人工神经网络(Artificial neural networks,ANNs),利用遥感植被指数和气候变量与AGB观测值构建函数关系,进行了青藏高原草地AGB的模拟,并基于岭回归分析了每个气候因子对AGB变化的影响强弱。结果表明,在训练期(测试期),ANNs的模拟值与实测值之间的R²为0.92(0.88),RMSE为18.48(23.62)g·m^-2。草地类型从草丛到草甸再到草原,AGB依次减少。AGB随海拔的升高先增加后减少。海拔3 400～3 800 m的区域AGB最高。ANNs与5个机理模型对比,发现ANNs模拟值偏低和偏高的面积分别占总面积的1%和10%,主要原因是训练资料的均值与相应地区中机理模型模拟值的偏差所致。影响因子按重要性从高到低的排序分别为大气CO₂浓度、饱和水汽压差、前一年降雨量、平均风速和平均气温。     

基于Copula的京津冀平原作物水分利用效率驱动因子分析

农业是京津冀地区最主要的用水部门，提高农业用水效率有助于缓解京津冀水资源压力，实现可持续发展。基于VIP模型模拟的1980-2013年京津冀平原作物水分利用效率（WUE）、作物净初级生产力（NPP）、作物实际蒸散发（ETa），结合同期年平均气温（Tmean）、年降水量（Pre）和年日照时数（Sun），应用Copula函数理论分别建立WUE与NPP、ETa、Tmean、Pre、Sun的5组联合概率分布函数，计算各驱动因子在低、中、高取值条件下WUE大于任一特定取值的可能性（定义为WUE条件概率），探索WUE的驱动关系。结果表明：1）驱动因子NPP、ETa、Sun取值越大，WUE大于任一特定取值的可能性越大；而驱动因子Tmean和Pre取值越小，WUE大于任一特定取值的可能性越大。2）若以各驱动因子分别在高、低取值条件下的WUE条件概率的差值来反映WUE对各驱动因子大小的敏感程度，WUE对NPP的大小最为敏感，而后依次是Sun、ETa、Pre、Tmean。3）对比不同驱动因子相同取值条件下的WUE条件概率，较低的NPP会明显抑制WUE的大小，提高NPP对WUE的提升有明显的保障作用。综上所述，作物WUE同时受光合作用和蒸腾作用两个生理过程控制，较难确定光合和蒸腾对WUE的驱动关系；WUE与驱动因子的联合概率分布和条件概率分析指出，在京津冀平原可以采用在控制耗水的条件下提高NPP的策略，该策略可能比在控制产量的条件下减少耗水的策略更有效。     

基于VIP模型评估不同全局敏感性分析方法有效性及效率

参数敏感性分析可提高复杂过程模型参数优化及模型应用效率。为评估不同全局敏感性分析方法在筛选农田生态系统模型敏感参数时的有效性及其效率,该研究以VIP (Vegetation Interface Processes)模型模拟华北平原土壤硝态氮为例,对比分析PSUADE (Problem Solving Environment for Uncertainty Analysis and Design Exploration)提供的8种敏感性分析方法在筛选华北平原农田土壤硝态氮敏感参数时的有效性及其效率。结果表明:在验证敏感性分析方法有效性时,Spearman秩相关系数(Spearman’s correlation coefficient,SPEA)法和Gaussian Process (GP)法与其他方法的敏感参数筛选的结果差异较大;多元自适应回归样条(Multivariate Adaptive Regression Splines,MARS)、Delta Test (DT)、Sum of Trees(SOT)法、McKay法、Morris法和Sobol’法能有效筛选出敏感参数。在分析敏感性方法效率时发现,正交阵列(Orthogonal Array,OA)和基于拉丁超立方的正交阵列(OrthogonalArray-BasedLatinHypercubes,OALH)抽样方式最适于多元自适应回归样条法(Multivariate Adaptive Regression Splines,MARS),所需样本量为361。蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)抽样方式最适合DT和SOT敏感性分析方法,所需最小样本量分别为425和510;与其他抽样方式相比,OALH抽样更适合McKay敏感性分析方法,需要样本量最少;Morris法和Sobol’法所需最小样本量分别为340和810。对于复杂过程模型,可先选用定性敏感性分析方法以较低的计算成本选择敏感的参数,再进行模型参数优化和不确定性分析。     

降雨和水保措施对无定河流域径流和产沙量影响

基于无定河流域降雨、泥沙、径流和水土保持措施的历年统计数据,根据M-K-S检验得到径流和侵蚀产沙序列的突变点,将研究期分为基准期(1957—1972年)和措施期(1973—1996年)。采用双累积曲线、经验公式和修正系数法,研究该流域降雨变化和水保措施对径流和产沙量变化的影响,并采用多元回归模型分离了降雨和水保措施对径流和产沙量变化的贡献。结果表明:与基准期相比,水保措施引起径流减少3.16亿～3.42亿m3,占基准期年均径流量的23.0%～24.4%;引起产沙量减少0.71亿～1.07亿t,占基准期年均产沙量的47.1%～57.3%。措施期降雨变化引起径流量减少0.46亿m3,产沙量减少0.13亿t,分别占措施期水、沙实际减少总量的11.6%和11.4%。水土保持措施建设是流域径流和侵蚀产沙减少的主要原因,其对水、沙减少的贡献率分别为80.3%和60.5%。其中,植被措施(林地+草地)对径流影响显著,引起径流量减少2.78亿m3,占径流减少总量的70.2%;工程措施(梯田+坝地)对产沙影响显著,引起产沙量减少0.46亿t,占产沙减少总量的40.3%。降雨变化、植被及工程措施对水沙量变化的影响表现出阶段性变化,主要原因在于降雨的丰枯变化和工程措施对水土流失防治功能的时限性。因此,在水保措施建设过程中,需合理配置工程和植被措施比例,重视对已建梯田、坝地等工程的维护和废弃工程的替换,以增强水土保持措施体系功能的持续性。     

土壤垂向分层和均匀处理下水分差异的数值探讨

在现有众多的陆面过程模型中,对土壤水分的定量描述一般是假设垂向分布均匀,取表层土壤质地来表示整个垂向土壤质地。垂向分层和均匀处理下的土壤水分是存在差异的,这种差异有多大目前少有研究。设置3组不同饱和导水率组合的层状土壤代表不同区域的非均匀土壤,取3组层状土壤的上层土壤代表整个均匀土壤,通过建立一维土壤水分运动模型分析这种差异,同时分析饱和导水率、饱和含水量、残余含水率、孔隙大小分布参数和形状参数对层状土壤和均匀土壤的渗透量和储水量差异的敏感性,探讨垂向层状和均匀处理下土壤水分运动的差异。研究结果表明:1)建立的一维土壤水分运动模型模拟的土壤水分剖面与Yeh解析解和室内五水转化试验的土壤水分剖面一致,表明模型无论是考虑还是不考虑根系吸水都具有可靠性。2)采用垂向均匀方式处理,上下层饱和导水率相差越大的层状土壤,各水文变量的差异越大。当层状土壤上下层饱和导水率相差1.5倍时,层状土壤和均匀土壤的水分分布差别小于0.05 cm~3×cm~(-3);而当层状土壤上下层饱和导水率相差达3.3倍时,层状土壤和均匀土壤的水分分布差别达0.15 cm~3×cm~(-3),渗漏量相差20 cm以上,储水量相差5 cm左右。3)相对于层状土壤下层,均匀土壤下层的持水能力更差,水流速度更快,导致下层水分分布减小,渗漏量增加,储水量减小。4)形状参数n对渗透量的敏感性最强,土壤孔隙大小分布参数对储水量的敏感性最强,形状参数n其次。在实际应用中,如果一个区域的土壤上下层饱和导水率相差较大,那么垂向均匀处理可能会导致很大的误差,和实际土壤的水分分布相差很大,这会严重影响土壤水分的准确估计,在实际处理中需要认真考虑。     

用土壤温度估算表层土壤导温率与热通量的研究

对比研究了6种用土壤湿度计算表层土壤导温率的方法结果表明，振幅法、相位法、反正切法、对数法虽需较少观测值，计算简单，但结果却不太稳定；谐波法计算过程虽较复杂，但导温度的估算值较稳定，是最可靠的方法之一。利用计算的土壤导温率估算近地表土壤热通量，结果与由温度积分法决定的土壤热通量值非常一致。