稻麦轮作农田地表的物质与能量通量特征分析

 2022-01-17 11:01

论文总字数:22006字

目 录

1.引言 4

2.材料与方法 5

2.1站点 6

2.2微气象测量 7

2.2.1快速响应测量 7

2.2.2慢响应测量 7

2.3理论公式 8

2.4数据处理 9

3.结果与分析 9

3.1气象条件 9

3.2 足迹(Footprint)分析 10

3.3辐射分量 11

3.3.1季节性变化 11

3.3.2月平均日变化 13

3.4表面能量通量 14

3.4.1季节性变化 14

3.4.2月平均日变化 15

3.5波文比 16

3.6能量闭合率 17

4.讨论 18

5.结论 19

参考文献 19

致谢 22

稻麦轮作农田下垫面的湍流通量特征分析

段泽霞

,China

Abstract: In order to examine radiation components, energy partitioning and CO2 exchange over a rice-wheat rotation system in East China, long-term eddy covariance measurements were conducted from June 2015 to May 2017. Over this rice–wheat field, summer rice grows from June to October and winter wheat grows from November to June every year. The terrain in this area is fairly flat and uniform. Seasonal and interannual variations in radiation components, energy components and CO2 fluxes were analyzed, and results show that all of the four radiation components changed seasonally and interannually, resulting in a seasonal variation in net radiation. The magnitude of seasonal changes in latent heat is much greater than that of sensible heat and CO2 flux. During the whole field campaign, latent heat was the main consumer of available energy and it was higher in summer and autumn but lower in winter and spring. In the area, the average albedo in wheat growing season is 0.152, which is higher than that in the rice growing season(0.141). The Bowen ratio of winter wheat is always greater than that of summer rice. The energy closure (0.86) in the rice growing season is slightly greater than the closure of the wheat growing season (0.83).This study measures and analyzes the characteristics of energy balance and CO2 exchange over a rice-wheat paddy in East China, which can be a support to the research of global energy balance and carbon flux.

Key words:eddy covariance technique;rice-wheat rotation system;energy partition;turbulent flux

1.引言

大气边界层及其之上的大气状态都强烈依赖于近地层湍流通量[35]。近地层的湍流通量交换在生态系统过程、水文和生物地球化学循环、天气和气候变化中起到十分重要的作用[2][25]。其中,动量通量直接影响边界层中风速的大小,热量通量则改变大气温度,潜热通量(水汽通量)提供水汽进入大气进而引发降水和潜热释放等一些复杂的物理过程[36]。除此之外,一些温室气体(等)通量对气候的影响也是不可忽略的。气候和中尺度数值模拟结果,特别是影响天气的精细预报,对近地层动量和热量通量极为敏感[23]。因此,研究近地层湍流通量的运动规律及能量交换特征,对天气过程的演变、空气质量、模式预报(如AERMOD模式、CAMx模式、MM5模式和WRF模式)和气候预测的研究都十分重要[22]

稻麦轮作系统在东南亚地区无处不见,大概占据了2400万公顷的面积,在中国广泛分布于江苏、安徽、湖北和四川等地[6]。水稻和小麦表面的能量收支以及交换是湿地生态系统的一个重要过程,因为它们直接影响气温、水汽输送、水资源利用[32]、植物生长和产量等[9][31]。此外,植被本身的属性(如反照率、农作物类型等)对地气之间的辐射传输和能量平衡也会产生极大的影响[10]

自从上个世纪50年代晚期到60年代早期,涡动协方差法(下面简称EC)已开始用作直接测量陆地表面与大气之间的湍流通量,它以高频响应的方式提供可靠的通量测量,目前已经成为探测生态系统中碳、水、能量交换的标准化工具[5][38][49]。利用该法,Lei 和 Yang [4]获得了华北平原冬小麦/夏玉米轮作系统三年(2005年10月至2008年9月)的水汽和能量通量观测数据,根据相关控制因素(气候,土壤湿度,冠层导度)来估算蒸发蒸腾的季节和年际变化,并量化蒸发蒸腾(潜热通量)和能量分配的季节和年际分布;Chen 等[6]描述了中国华北平原稻麦轮作系统碳交换的季节性与年际变化规律。Alberto 等[28][34]在2008年分别对菲律宾flooded水稻和aerobic水稻的热通量、水汽与CO2进行监测,研究表明:aerobic稻田的感热比flooded水稻高,潜热比flooded水稻小;同时aerobic水稻(0.25)的波文比比flooded水稻(0.14)高。Saito等[19]研究了日本Mase地区稻田交换的季节性变化。Hossen等[14]研究了孟加拉国双季水稻表面的能量分配与蒸散规律。但是,目前对于中国东部地区稻麦轮作系统的能量分配以及CO2交换等变化的研究很少, 因此本试验自2014年开始,在东台市南沈灶稻麦轮作农田地区进行了三年的连续观测,观测对象主要包括:常规气象要素(风、温度、湿度、压强、降水)、辐射分量、湍流通量、土壤温湿度及土壤热通量等。由于2014年的数据缺测较多,所以本文只针对2015年到2017年的数据进行分析。

本文主要的研究目的是:研究稻麦轮作系统农作物表面能量分配与通量的季节性变化与年际性变化,旨在加深对不同下垫面的近地层大气湍流运动规律及能量交换特征的认识,并为模型参数的设置提供参考。

2.材料与方法

2.1站点

本文的研究资料主要来自2015年6月初到2017年5月底南沈灶稻麦轮作生态系统野外观测站,该站位于中国江苏省盐城市东台县(32.76°N, 120.47°E;海拔4 m)。图1a展示了观测站点的地理位置,图1b展示了13 m高的气象观测塔,塔上安装了一套完整的涡动观测系统,包括CSAT-3、LI7500、LI7700,安装高度均为10 m。该地区下垫面平坦且均匀,主要以稻麦轮作精细化耕作方式为主。夏水稻在每年六月初完成移栽,在十月底成熟收获;冬小麦生长期为十一月到次年五月。为了分析各气象要素的季节性变化,将3月、4月、5月划分为春季,6月、7月、8月划分为夏季,9月、10月、11月划分为秋季,12月、次年1月、2月划分为冬季。该区属于典型的亚热带季风气候,根据当地的气象数据记录(1984-2013),年平均气温()为,年平均降水量为258mm[40]。 从图2中可以看出,观测期间该地盛行东风。

图1 (a)观测站的地理位置(b)EC观测塔

图2 不同农作物种植期的风玫瑰图(观测高度:10 m)

2.2微气象测量

2.2.1快速响应测量

涡度相关系统的安装高度距离地面10 m,主要包含:三维超声风速/温度仪(CSAT-3,Campbell Scientific Inc.),它被用来测量高频风速分量(u,v,w)和超声虚温(T);LI-7500 开路红外分析仪(LiCor,USA),它可以测量高频水汽密度与信号;开路分析仪(LI-7700, LI-COR Biosciences, Inc., USA),它可以测量通量。上述观测资料均通过CR3000型数据采集器(Campbell Scientific, Inc., USA)连续自动采集,原始数据的采样频率为10Hz,每30min输出一组平均值。

2.2.2慢响应测量

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