空气热储存、光合作用和土壤垂直水分运动对黄土高原地表能量平衡的影响

地表能量不平衡问题一直是陆面过程研究的一个重要科学难题. 本文利用黄土高原陆面过程试验(LOPEX)资料, 在将垂直感热平流项引入地表能量平衡方程的基础上, 估算了空气热储存和光合作用储存的大小, 并分别用水分守恒关系和两层土壤温度方法计算了浅层土壤水分垂直通量, 考察了空气热储存、光合作用储存和水分垂直运动热量输送对地表能量平衡的影响.结果表明: 黄土高原区自然植被下垫面的空气热储存、光合作用储存和土壤水分垂直运动热量输送平均日变化峰值分别达到1.5, 2.0和7.9 W·m^-2; 在能量平衡方程中引入这三项后, 地表能量闭合度由88.1%提高到89.6%. 空气热储存、光合作用储存和水分垂直运动热量输送对于改善黄土高原地表能量不平衡状况有一定作用, 研究区域的半干旱气候背景和植被状况是导致各热储存量与其他试验区存在差异的根本原因.     

草原下垫面湍流动量和感热相似性函数及总体输送系数的特征

地表动量和热量输送对全球气候和大气环流变化具有重要影响,Monin-ObukhoV（M-O）相似性函数是计算近地层动量和热量通量的重要手段,获得准确的总体输送系数是提高大气模式模拟能力的关键环节.本文利用锡林郭勒草原2008年春季近地层湍流通量观测资料,对M-O相似性函数进行了修订,拟合出了经验公式,并建立了10 m高度水平风速与动量总体输送系数和感热总体输送系数的关系.研究发现,修订的M-O相似性函数计算的湍流通量与涡旋相关法测量值相比,动量通量低估了10.8%,感热通量高估了6.5%Businger-Dyer通量廓线关系计算的湍流通量与涡旋相关法测量值相比,动量通量低估了37.0%,感热通量高估了16.1%.近地层大气层结不稳定时,动量总体输送系数与10 m高度水平风速满足关系C_D=0.009u^-0.322,感热总体输送系数与10 m高度水平风速满足C_H=0.184U^-1.978;近地层大气层结稳定时,总体输送系数与10 m高度水平风速符合对数规律,并随风速增大趋于中性或近中性.修订的M-O相似性函数可显著提高平均梯度观测资料计算草原下垫面湍流通量的准确性;总体输送系数与10 m高度水平风关系的建立.为描述草原下垫面湍流输送特征提供了可靠的参数化方案.     

湍流旋流燃烧与NO_x生成的实验测量

本文设计了采用分级进风方式的旋流燃烧室,建立了湍流旋流燃烧热态实验装置系统。对分级进风旋流燃烧室内的湍流燃烧与NO_x生成进行了实验测量,获得了在不同的分级进风流量比率即二次风率下燃烧室内气体温度和O₂.CO₂、CO与NO浓度的分布。     

变密度随机涡模型在湍流射流扩散火焰中的应用

采用变密度随机涡模型,对H₂/O₂/N₂湍流射流扩散火焰进行数值模拟,湍流过程通过涡的采样、涡的抑制和涡的翻转实现.其中,针对变密度反应流问题,提出一种大涡抑制的新机制,并详细讨论各种参数对模型预测效果的影响.计算结果表明,修改后的模型可以合理预测H₂/O₂/N₂射流火焰结构,能够反映湍流的涡特性;模型中与涡采样和涡抑制有关的参数对预测结果有一定影响.     

黄土高原地表能量不闭合度与垂直感热平流的关系

地表能量不平衡问题一直是陆面过程研究的一个重要科学难题.本文利用在陇中黄土高原观测的陆面过程资料,分析了气候地表能量不闭合度和短期地表能量不闭合度的分布特征,研究了地表能量不闭合度与垂直速度之间的关系,发现地表能量不闭合与垂直速度具有很好的相关性.并且,估算了近地层垂直感热平流通量,分析了考虑垂直感热平流后的地表能量平衡的特征,发现引入垂直感热平流输送对地表能量不闭合度有明显的改进. 关键词： 黄土高原 非均匀性 垂直感热平流 能量不闭合度     

CO2及其碳同位素比值高精度检测研究

改进了一种基于傅里叶变换红外光谱法测量CO₂气体的装置, 改进后的装置能够提高CO₂检测精度, 并能同时测量CO₂碳同位素比值. 研究了温度和压力对CO₂浓度值和CO₂碳同位素比值测量的影响规律. 利用该装置连续测量了标准CO₂气体和环境大气, 对标准CO₂气体测量得到的CO₂浓度值及其碳同位素比值进行温度和压力影响修正, 获得了较好的精度和准确度. 关键词： 光谱学 同位素比值 傅里叶变换红外光谱 二氧化碳     

近地面大气光学湍流外尺度的实验研究

分析了含有外尺度的Von-Karman湍流空间相关函数模型, 并利用光纤湍流空间传感阵列的实测数据, 根据拟合算法获得了大气光学湍流空间外尺度的值及日变化, 对模型的适用性进行了实验验证. 将空间相关函数理论与空间多点同步测量的数据相结合, 尽可能清晰地展现了几种适合用相关函数描述的湍涡尺度. 结果表明, 在1.8 m的草地上, 大气光学湍流的外尺度呈现出白天较大、夜间较小的日变化趋势, 正午前后均值约为0.44 m, 夜间约为0.3 m. 有三点需要说明: 其一, 当两点间距恰好等于外尺度时, 其空间相关系数为0.26, 当两点间距超过外尺度之后, 仍具有一定的相关性; 其二, 积分尺度代表了湍涡尺度的平均值, 该值略小于外尺度; 其三, 湍涡的最大尺度所对应的湍流空间相关性为0, 其值略大于外尺度. 不难发现: 湍涡三种尺度的日变化与湍流强度的日变化趋势非常相似. 以空间布点探测的方法获取湍流特征尺度, 结果直观, 而且能够直接验证湍流空间相关函数模型, 所以可在一定程度上促进湍流空间结构特性的研究.     

云和降水扰动对黄土高原半干旱草地辐射收支及能量分配的影响

地表辐射收支和能量分配对陆-气系统的反馈是气候模式中最重要的物理过程之一. 认识半干旱地区云和降水的扰动对辐射收支和能量分配的影响规律, 是提高数值模式中评估地表辐射收支和能量平衡参数化效果的关键环节. 利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2008年的观测资料, 研究了云和降水的扰动对辐射收支各分量的削弱作用及对地表能量平衡的影响规律. 年平均结果表明, 多云状况可以作为年平均的气候背景; 云和降水对短波辐射削弱最强, 大气向下长波辐射随天空云量的增加而增强, 地表向上长波辐射随着云量的增加而减小, 净辐射占总辐射的比率受云和降水的影响较小. 季节平均结果显示, 短波辐射日积分量在生长季和非生长季均随云量的增加而降低, 生长季云和降水对短波辐射的削弱作用明显强于非生长季. 生长季, 晴天、少云和多云时向上长波辐射差异不大, 阴天时向下和向上长波辐射明显减小. 非生长季, 地表向上长波辐射受云和降水的影响较小, 日积分量变化不大, 向下长波辐射随云量的增多而增强. 地表反照率具有明显的日变化和季节变化, 冬季大, 秋季小; 地表反照率日变化呈不对称的“V”形分布. 生长季, 感热通量和土壤热通量随云量增多而减小; 潜热通量在晴天、少云和多云状况下随云量增多而增大; 阴天时受降水影响, 净辐射的严重削弱导致了潜热通量大大降低. 非生长季, 少云时净辐射日积分量最大, 晴天时的净辐射与多云和阴天状况接近; 感热和潜热通量随云量的增多而减小, 土壤热通量日平均积分值在非生长季为负. 生长季, 多云状况的能量闭合度最好, 能量不平衡差额占净辐射的3.9%; 阴天时最差, 不平衡差额占净辐射的16.8%; 晴天和少云状况不平衡差额约占净辐射量的7%. 非生长季受积雪影响, 能量不闭合差额明显大于生长季. 关键词： 半干旱草地 云和降水的扰动 辐射收支 能量平衡     

黄土高原区域气候暖干化对地表能量交换特征的影响

本文将观测试验资料与陆面过程模式模拟资料相结合, 对目前4个流行的陆面过程模式的模拟资料进行了验证分析, 发现通用陆面模式(CLM)模式的模拟资料在黄土高原地区比较可靠. 在此基础上,利用近几十年CLM模式模拟资料和气象站观测资料, 分析了黄土高原地区的区域气候和地表能量交换特征的变化规律, 研究了该地区地表能量交换对降水和温度变化的响应特征, 讨论了该地区气候变化对地表能量交换特征的影响机理. 研究发现,近几十年来黄土高原区域气候表现为明显的暖干化趋势, 从而引起太阳总辐射、地表反射辐射和地表长波向上辐射的增加 及地表长波向下辐射的减小,并由此造成地表净辐射通量减少. 与之相对应,不仅地表潜热通量呈减小趋势,而且地表感热通量和土壤热通量也呈减小趋势, 但地表热量分量的分配比例基本不变.并且发现,地表感热通量的年变化主要由太阳辐射控制, 而潜热通量的年变化则受太阳辐射和降水共同影响;地表热量分量的年际变化均对降水变化响应很敏感, 而对温度变化响应不太敏感,气候干旱化对地表能量平衡的影响比气温变暖的影响更突出. 关键词： 黄土高原 区域气候暖干化 陆面过程模拟 陆面能量交换     

大气CO2卫星遥感中植物叶绿素荧光影响的校正

大气CO₂卫星遥感监测的关键在于高精度,而植物叶绿素荧光存在与大气散射相似的光谱特征,干扰大气散射相关参数的反演结果,从而影响CO₂的反演精度。因植物叶绿素荧光强度微弱且影响特征与大气散射高度相关而难以准确校正。鉴于现有大气CO₂卫星遥感精度不足,以及植物叶绿素荧光对大气CO₂反演存在不可忽视的影响程度和复杂性,设计了O₂-A、1.6和2.06 μm CO₂三个光谱带协同的参数化校正方法。首先通过对大气散射采取基于光子路径长度概率密度函数（PPDF）的参数化建模,降低叶绿素荧光与大气散射参数的光谱相关性;其次,针对叶绿素荧光强度弱,难以准确反演的问题,基于轨道碳观测器（OCO-2）的叶绿素荧光产品构建了5km分辨率的全球叶绿素荧光先验信息库,增强CO₂与叶绿素荧光同步反演中对叶绿素荧光的先验约束,提高叶绿素荧光的反演精度。通过O₂-A、1.6和2.06 μm CO₂三个光谱带的协同同时反演大气散射、叶绿素荧光和大气CO₂,并结合叶绿素荧光丰富的先验信息,能够较准确剥离大气散射和叶绿素荧光而提高大气CO₂的反演精度。选择叶绿素荧光强度明显较高的柱总碳观测网络（TCCON）中的Park Falls（45.945°N,90.273°W）站点开展验证,对该站点近4年每年8月份的温室气体观测卫星（GOSAT）数据进行反演,发现植被叶绿素荧光导致GOSAT XCO₂反演结果系统偏低2×10-6(ppm)左右,通过本文的方法进行校正,反演结果的低估程度有明显改善,最大低估由2.58 ppm降低到1.49 ppm,且离散程度也有一定程度的改善,明显控制了CO₂反演中叶绿素荧光的影响,对于实现1%（~4 ppm）的CO₂反演精度来说,提供了有力支撑。     

What are the instrumentation requirements for measuring the isotopic composition of net ecosystem exchange of CO2 using eddy covariance methods?

Better quantification of isotope ratios of atmosphere-ecosystem exchange of CO2 could substantially improve our ability to probe underlying physiological and ecological mechanisms controlling ecosystem carbon exchange, but the ability to make long-term continuous measurements of isotope ratios of exchange fluxes has been limited by measurement difficulties. In particular, direct eddy covariance methods have not yet been used for measuring the isotopic composition of ecosystem fluxes. In this article, we explore the feasibility of such measurements by (a) proposing a general criterion for judging whether a sensor's performance is sufficient for making such measurements (the criterion is met when the contribution of sensor error to the flux measurement error is comparable to or less than the contribution of meteorological noise inherently associated with turbulence flux measurements); (b) using data-based numerical simulations to quantify the level of sensor precision and stability required to meet this criterion for making direct eddy covariance measurements of the 13C/12C ratio of CO2 fluxes above a specific ecosystem (a mid-latitude temperate forest in central Massachusetts, USA); (c) testing whether the performance of a new sensor-a prototype pulsed quantum cascade laser (QCL) based isotope-ratio absorption spectrometer (and plausible improvements thereon)-is sufficient for meeting the criterion in this ecosystem. We found that the error contribution from a prototype sensor (approximately 0.2 per thousand, 1 SD of 10 s integrations) to total isoflux measurement error was comparable to (1.5 to 2x) the irreducible 'meteorological' noise inherently associated with turbulent flux measurements above this ecosystem (daytime measurement error SD of approximately 60% of flux versus meteorological noise of 30-40% for instantaneous half-hour fluxes). Our analysis also shows that plausible instrument improvements (increase of sensor precision to approximately 0.1 per thousand, 1 SD of 10 s integrations, and increased sensor stability during the half-hour needed to integrate eddy covariance measurements) should decrease the contribution of sensor error to the point where it is less than the contribution from meteorological noise. This suggests that new sensors using QCL-based isotope ratio absorption spectroscopy should make continuous long-term observations of the isotopic composition of CO2 fluxes via eddy covariance methods feasible.     

陇中黄土高原自然植被下垫面陆面过程及其参数对降水波动的气候响应

作为气候敏感区和生态脆弱区,黄土高原地区的陆面物理过程受气候波动影响十分明显.目前,虽然对黄土高原特定气候条件下的陆面物理过程有了一定认识,但对其随气候波动的动态变化规律认识却非常有限.本文利用黄土高原陆面过程观测试验在陇中黄土高原榆中SACOL站5年多的观测资料,系统分析了该地区自然植被下垫面陆面水分收支和能量平衡及地表反照率、土壤热传导率和粗糙度长度等陆面过程参数对气候波动的响应规律,发现陇中黄土高原自然植被下垫面的陆面过程特征及其参数对降水的气候波动十分敏感,不仅对降水量波动响应显著,而且与降水性质也密切相关.土壤湿度并不完全随年总降水量波动,而是随有效降水量增加而增大;陆面水分收支和土壤水分收支也随有效降水量波动变化明显;近地层垂直感热平流通量随年总降水量增加而减弱,地表能量不平衡差额却随年总降水量增加而增大.夏半年平均反照率随有效降水量增加而减小,但全年平均地表反照率却受冬季积雪时数影响十分明显,而且随积雪时数增加而增大;土壤热传导率和粗糙度长度均随年有效降水量增加而增加.并且,降水量越小,陆面过程参数对降水波动的响应就越敏感.不过,陆面过程参数基本在荒漠气候平均值和农田气候平均值之间波动,并没有突破气候约束,能够用拟合关系来表示它们对降水因子波动的响应规律,这种动态参数化关系可用来改善以往数值模拟或微气象分析时由于使用非动态陆面过程参数所带来的误差.     

Measurements of vertical kinematic eddy sensible heat flux by means of a doppler sodar and a cryogenic radiometer

Summary Radiative and dynamical energy exchanges in the planetary boundary layer are investigated by the simultaneous operation of a triaxial Doppler sodar, a zenith-pointing cryogenic radiometer with a bandpass centred around 850 μm wavelength, and additional meteorological equipment for near-ground reference. The two instruments provide measurements of the wind field and of the atmospheric radiative temperature, respectively. Two measurement campaigns were carried out in the Rome area in the periods 12–18 Sept. 1990 and 16–22 Sept. 1991. Data were analysed for correlation and used to calculate kinematic eddy sensible heat fluxes. Depending on the meteorological conditions, high values of correlation were found between the fluctuations of the height-averaged (300 m) vertical wind speed and the radiative temperature, in the presence of clear-sky convection. The highest values of correlation were obtained for delays of a few minutes, as expected in agreement with typical dimensions of convective structures in the boundary layer. Estimates of the kinematic eddy sensible heat flux gave average values as high as 0.14 K m s⁻¹ in daytime and 0.005 K m s⁻¹ at night.     

天基电离层气辉成像仿真分析研究

通过气辉成像仪对电离层气辉进行探测,能够反映电离层中电子总含量、等离子体泡分布等特性,是有效的电离层探测方式之一.电离层的原子分子在白天吸收太阳辐射激发到较高能态,在夜间以气辉的形式将能量辐射出去,辐射强度与所参与反应的电离层成分密度等密切相关,因此气辉是用来观测电离层很好的示踪物.天基气辉成像方法具有全球范围观测的巨...     

Evaluating Ecohydrological Model Sensitivity to Input Variability with an Information-Theory-Based Approach

Ecohydrological models vary in their sensitivity to forcing data and use available information to different extents. We focus on the impact of forcing precision on ecohydrological model behavior particularly by quantizing, or binning, time-series forcing variables. We use rate-distortion theory to quantize time-series forcing variables to different precisions. We evaluate the effect of different combinations of quantized shortwave radiation, air temperature, vapor pressure deficit, and wind speed on simulated heat and carbon fluxes for a multi-layer canopy model, which is forced and validated with eddy covariance flux tower observation data. We find that the model is more sensitive to radiation than meteorological forcing input, but model responses also vary with seasonal conditions and different combinations of quantized inputs. While any level of quantization impacts carbon flux similarly, specific levels of quantization influence heat fluxes to different degrees. This study introduces a method to optimally simplify forcing time series, often without significantly decreasing model performance, and could be applied within a sensitivity analysis framework to better understand how models use available information.     

爆轰驱动固体套筒压缩磁场计算及准等熵过程分析

采用构形磁流体力学计算程序SSS/MHD对炸药爆轰驱动固体套筒压缩磁场实验进行了一维磁流体力学模拟计算, 得到空腔磁场以及样品管内壁速度随时间的变化历程, 分别与磁探针和激光干涉测量的实验结果符合. 由分幅照相结果阐述了套筒压缩空腔磁场过程中的屈曲失稳和Bell-Plesset不稳定性现象. 分析了样品管和套筒中的磁扩散、涡流和磁压力的变化规律. 结果表明, 由于聚心运动下样品管和套筒的运动速度不同、电磁力和内爆作用力平衡等原因, 样品管内靠近磁腔处的磁场、涡流和磁压力均高于套筒内距磁腔相同位置处的结果. 讨论了样品管内距磁腔0.05 mm处的熵增随该点压缩度的变化, 最大熵增与样品管材料定容比热的比值在10%左右, 爆炸磁压缩实验过程的等熵程度较高.