鄒旭東+劉海龍+賈慶宇+王笑影+楊洪斌+張?jiān)坪?汪宏宇+孫鳳華

摘要：介紹了關(guān)于北方地區(qū)的陸面過(guò)程觀測(cè)、模式發(fā)展以及陸氣相互作用研究方面所取得的主要研究成果。分別從陸面過(guò)程觀測(cè)、陸面過(guò)程數(shù)值模擬和陸面過(guò)程模式中土壤濕度數(shù)據(jù)同化3個(gè)方面，概述了國(guó)內(nèi)開展陸面過(guò)程研究的主要內(nèi)容。指出了陸面過(guò)程觀測(cè)、陸面模式研究中存在的不足以及陸面過(guò)程數(shù)據(jù)同化發(fā)展的新途徑。分別介紹了在西北干旱區(qū)和錦州農(nóng)田開展的陸面過(guò)程觀測(cè)和數(shù)值模擬研究。最后總結(jié)了陸面過(guò)程研究中存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：陸面過(guò)程；陸氣相互作用；西北干旱區(qū)；錦州農(nóng)田

中圖分類號(hào)：P463.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）21-4006-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.21.002

A Brief Introduction of Study on Land Surface Processes in Typical Agro Ecological Regions of North China

ZOU Xu-dong1，LIU Hai-long2，JIA Qing-yu1，WANG Xiao-ying1，YANG Hong-bin1，

ZHANG Yun-hai1，WANG Hong-yu1，SUN Feng-hua1

（1.Institute of Atmospheric Environment，CMA，Shenyang 110166，China；

2.Liaoning Meteorological Equipment Support center，Shenyang 110166，China）

Abstract： This paper introduces the research results of the study on the observation of land surface processes， the development of models and the study of land atmosphere interaction in North China. The main contents of the study on land surface processes in China are summarized from three aspects： land surface observation， land surface process numerical simulation and soil moisture data assimilation in land surface process model. The shortcomings of land surface processes observation and land surface models is proposed， and new approach to the development of land surface data assimilation is proposed. Introduces the observation and numerical simulation of land surface processes in arid areas of Northwest China and in Jinzhou famland. Finally， the existing problems and future development of land surface process research are summarized.

Key words： land surface process； land atmosphere interaction； arid area of northwestern China； Jinzhou farmland

陸面過(guò)程是包含發(fā)生在陸面上所有的物理、化學(xué)、生物過(guò)程以及這些過(guò)程與大氣的關(guān)系[1]。太陽(yáng)輻射有近一半的能量被地球表面吸收，輻射能量進(jìn)而轉(zhuǎn)化為感熱和潛熱等多種形式的能量，驅(qū)動(dòng)大氣環(huán)流、維持生命活動(dòng)，促進(jìn)水分、二氧化碳等物質(zhì)在氣候系統(tǒng)中循環(huán)運(yùn)動(dòng)。陸地面積約占全球表面的30%，對(duì)于大氣與下墊面相互作用過(guò)程，陸地比海洋的可變性更大。陸地表面是人類生存的場(chǎng)所，陸地水資源、作物產(chǎn)量、植被的演替及其他物理環(huán)境等與人類生存活動(dòng)息息相關(guān)。深入研究陸面過(guò)程，發(fā)展和完善陸面模式，對(duì)陸面過(guò)程及地—?dú)饨粨Q過(guò)程進(jìn)行合理描述，是改善氣候模式對(duì)地球氣候系統(tǒng)的模擬能力和深入認(rèn)識(shí)地球氣候系統(tǒng)變化的物理機(jī)制所必須解決的一個(gè)根本問(wèn)題[2，3]。準(zhǔn)確計(jì)算陸面與大氣之間的動(dòng)量、熱量和水分的交換，對(duì)于預(yù)測(cè)全球及區(qū)域氣候變化趨勢(shì)、提高天氣預(yù)報(bào)水平、應(yīng)對(duì)極端天氣氣候事件有重要的科學(xué)意義[4]。本研究總結(jié)和歸納了國(guó)內(nèi)關(guān)于陸面過(guò)程的部分研究成果，嘗試在此基礎(chǔ)上討論陸面過(guò)程研究的幾點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展的方向。由于關(guān)于陸面過(guò)程研究的內(nèi)容過(guò)于寬泛而且大量。所以，對(duì)其中關(guān)于西北干旱區(qū)和代表典型東北玉米農(nóng)田的錦州生態(tài)觀測(cè)站開展的研究給出了專門介紹。

1 陸面過(guò)程研究主要內(nèi)容

1.1 陸面過(guò)程觀測(cè)

陸面過(guò)程野外觀測(cè)試驗(yàn)是陸面過(guò)程研究的最基礎(chǔ)性也最為重要的方面，它是推動(dòng)陸面過(guò)程研究的主要手段。科研人員對(duì)生態(tài)系統(tǒng)陸面過(guò)程中湍流、渦度、CO2、水汽等物質(zhì)通量感測(cè)開展大量觀測(cè)研究[5-15]。開展了陸面過(guò)程中各種關(guān)于熱量通量觀測(cè)的研究工作[16-19]。郭輝等[20]采用Li-8100碳通量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)低質(zhì)林分土壤碳通量，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，分析采伐強(qiáng)度對(duì)土壤碳通量、土壤溫度與濕度的影響。劉越等[21]應(yīng)用ASTER熱紅外遙感圖像，采用PCACA模型以及理論定位算法，反演了城市地表熱通量的相關(guān)參數(shù)，分析城市下墊面不同土地覆蓋類型對(duì)地表熱通量以及能量平衡的影響，得出了關(guān)于城市熱島效應(yīng)形成的重要機(jī)制。劉實(shí)等[22]采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法，比較研究東北東部4種典型溫帶森林土壤表面CO2、CH4和N2O通量在非生長(zhǎng)季中的時(shí)間動(dòng)態(tài)及其影響因子。李亮等[23]利用2004-2007年中國(guó)科學(xué)院中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）生態(tài)站實(shí)測(cè)土壤通量、輻射等資料，分析不同土壤類型表層熱通量的日變化和季節(jié)變化，以及不同土壤類型的熱通量與總輻射、凈輻射的關(guān)系。徐自為等[24]利用土壤熱通量等相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)多種測(cè)算土壤熱通量的方法進(jìn)行了對(duì)比分析，分析了觀測(cè)站點(diǎn)土壤熱通量日、季節(jié)變化特征。大口徑閃爍儀和微波輻射計(jì)等儀器被應(yīng)用于研究陸面過(guò)程觀測(cè)中[25-33]。還有一些用其他方式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)特征的研究，例如劉永強(qiáng)[34]計(jì)算分析美國(guó)大陸干旱指數(shù)變化，比較植被類型對(duì)干旱強(qiáng)度和頻率的影響。蔡福等[35]結(jié)合GIS技術(shù)、氣候傾向率以及突變分析方法對(duì)遼寧近50年熱量資源相關(guān)要素的時(shí)空演變特征和突變特征進(jìn)行分析。陸面過(guò)程觀測(cè)試驗(yàn)研究還存在明顯的局限性和不足。觀測(cè)試驗(yàn)的空間布局還不夠合理、完善，還有一些典型地區(qū)沒(méi)有開展過(guò)比較綜合的觀測(cè)試驗(yàn)研究，而且一些站點(diǎn)的選址存在一定的問(wèn)題，區(qū)域代表性差。缺少受人類活動(dòng)影響的陸面過(guò)程特征及復(fù)雜下墊面和非均勻下墊面陸面過(guò)程特征方面的研究。缺少長(zhǎng)期的野外觀測(cè)試驗(yàn)以獲取長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)資料。觀測(cè)試驗(yàn)研究偏重?zé)崃蛣?dòng)力過(guò)程，水分過(guò)程和生態(tài)生理過(guò)程方面的研究相對(duì)較少。endprint

1.2 陸面過(guò)程數(shù)值模擬

陸面過(guò)程模式是對(duì)陸氣之間水分、熱量和動(dòng)量等交換過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述。將發(fā)生在陸氣交界面上的各種物理、化學(xué)和生物過(guò)程參數(shù)化用于數(shù)值模擬。在陸面過(guò)程研究中CLM和WRF等數(shù)值模式有大量應(yīng)用[36-43]。劉樹華等[44，45]發(fā)展了陸面過(guò)程參數(shù)化模式，建立了研究陸面物理過(guò)程與大氣邊界層相互作用的模式，用于模擬草原下墊面的土壤環(huán)境物理、地面熱量通量、蒸發(fā)、蒸散及大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征。華文劍等[46]利用12個(gè)模式對(duì)20世紀(jì)和21世紀(jì)陸面能量和水文變量模擬和對(duì)比分析，得出全球陸面溫度、輻射、熱通量、水循環(huán)、土壤含水量變化趨勢(shì)。周劍等[47]將包氣帶土壤水分傳輸方程與陸面過(guò)程模式（SIB2）相耦合，建立研究分層包氣帶土壤水分運(yùn)移、非穩(wěn)態(tài)的地下水位和地表蒸散發(fā)之間定量關(guān)系的模型。周鎖銓等[48]對(duì)陸面過(guò)程模式（BATS）進(jìn)行了改進(jìn)。張晶等[49]參考（BATS）模式，發(fā)展了一個(gè)陸面過(guò)程模式（LPM-ZD）。丁一匯等[50]將陸面過(guò)程模式（LPM-ZD）與區(qū)域氣候模式（RegCM）實(shí)現(xiàn)耦合。李紅祺等[51]探討條件非線性最優(yōu)擾動(dòng)（CNOP）方法在陸面過(guò)程模式（CoLM）的參數(shù)優(yōu)化方面的擴(kuò)展應(yīng)用。王建棟等[52]驗(yàn)證了傅里葉幅度敏感性檢驗(yàn)方法（EFAST）在陸面過(guò)程模式（CoLM）參數(shù)敏感性分析方面的可行性。目前陸面模式研究中缺少局地觀測(cè)結(jié)果有效轉(zhuǎn)化為數(shù)值模式網(wǎng)格尺度上的參數(shù)化方案，不能應(yīng)用于大氣數(shù)值模式，這是需要解決的問(wèn)題。

1.3 陸面過(guò)程模式中基于數(shù)據(jù)同化的土壤濕度優(yōu)化

土壤濕度是描述植被生長(zhǎng)、陸面和大氣之間能量交換的關(guān)鍵參數(shù)，土壤濕度通過(guò)影響下墊面與大氣之間的水分通量、感熱通量和潛熱通量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡和碳循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生影響。當(dāng)生態(tài)模型擴(kuò)展到較大的空間尺度上時(shí)，生態(tài)過(guò)程模型參數(shù)的時(shí)間和空間變異性增大，土壤參數(shù)體現(xiàn)得尤其明顯。在區(qū)域尺度對(duì)土壤參數(shù)隨著空間變異進(jìn)行校正需要大量的實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，此種方法難以實(shí)現(xiàn)。造成模型對(duì)土壤濕度的估計(jì)不夠準(zhǔn)確，計(jì)算誤差隨著時(shí)間累計(jì)，估計(jì)值越來(lái)越偏離真實(shí)值。數(shù)據(jù)同化方法將機(jī)理模型與土壤水分觀測(cè)資料進(jìn)行融合，利用前一時(shí)刻的模型預(yù)報(bào)值調(diào)整和校正下一時(shí)刻模型狀態(tài)變量預(yù)報(bào)值，可不斷提高模型的模擬精度[53]。目前用到的數(shù)據(jù)同化方法主要有最優(yōu)插值法、三維變分法、四維變分法、Kalman濾波和EnKF等。其中，EnKF同化方法在陸面系統(tǒng)模型同化系統(tǒng)中應(yīng)用更廣泛。中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所和蘭州大學(xué)合作，基于EnKF和SiB2模型的單點(diǎn)土壤濕度同化系統(tǒng)，研發(fā)了中國(guó)西部陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)[54-56]。Walker等[57]將遙感反演的生態(tài)物理參數(shù)同化到陸面模式中，能夠提高整層土壤水分的模擬。師春香等[58]基于EnKF和陸面過(guò)程模型研發(fā)了中國(guó)區(qū)域陸面土壤濕度同化系統(tǒng)。Tian等[59-62]、張生雷等[63]對(duì)土壤濕度同化方案的建立和發(fā)展進(jìn)行了不斷的探索。賈炳浩等[64]發(fā)展了能夠直接同化微波亮溫的土壤濕度同化方案。李新等[65]采用集合Kalman濾波，使用CoLM和SiB2等陸面過(guò)程模型，采用微波輻射傳輸模型，初步建立了中國(guó)陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外研究人員利用衛(wèi)星提供的遙感影像，基于可見(jiàn)光、近紅外等遙感資料建立了大量的檢測(cè)土壤濕度的遙感反演方法。隨著遙感技術(shù)的日益成熟，利用遙感手段對(duì)區(qū)域性土壤水分監(jiān)測(cè)已被普遍采納。隨著遙感反演技術(shù)的進(jìn)步，遙感反演的土壤濕度精度越來(lái)越高，為利用同化方法進(jìn)行區(qū)域土壤濕度優(yōu)化提供了可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2 西北干旱區(qū)陸面過(guò)程研究

在中國(guó)，干旱和半干旱地區(qū)占有較高比率，約達(dá)40%。中國(guó)西北干旱區(qū)戈壁沙漠面積廣泛，年均降水量多在200 mm以下。由于下墊面干燥、生態(tài)環(huán)境脆弱，陸面過(guò)程以及人類活動(dòng)對(duì)整個(gè)區(qū)域的生態(tài)、氣候和土壤特性的影響明顯比其他地區(qū)顯著。該地區(qū)的陸面過(guò)程無(wú)疑對(duì)中國(guó)季風(fēng)環(huán)流和西北干旱氣候的形成有著深刻的影響。國(guó)內(nèi)關(guān)于西北干旱區(qū)及青藏高原生態(tài)系統(tǒng)陸面過(guò)程觀測(cè)和數(shù)值模擬已有大量的研究。從20世紀(jì)80年代中期開始，中國(guó)科學(xué)院蘭州高原大氣物理研究所（現(xiàn)并入中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院）主持進(jìn)行了大量西北干旱區(qū)及青藏高原地區(qū)陸面過(guò)程觀測(cè)研究項(xiàng)目[66]。張強(qiáng)等[67，68]討論了黃土高原陸面過(guò)程野外科學(xué)試驗(yàn)研究項(xiàng)目的有關(guān)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，并利用黃土高原陸面過(guò)程觀測(cè)試驗(yàn)在隴中黃土高原榆中SACOL站5年多的觀測(cè)資料，系統(tǒng)分析了該地區(qū)自然植被下墊面陸面水分收支和能量平衡及地表反照率、土壤熱傳導(dǎo)率和粗糙度長(zhǎng)度等陸面過(guò)程參數(shù)對(duì)氣候波動(dòng)的響應(yīng)規(guī)律。王維真等[16]在黑河上中游地區(qū)選取草地、森林及農(nóng)田3種下墊面的觀測(cè)資料，分析了水、熱和CO2通量特征。岳平等[17]利用蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站的湍流、輻射、土壤溫度和通量梯度觀測(cè)資料，分析了地表能量通量的日變化、季節(jié)變化及能量分配特征，討論了典型黃土高原溝壑區(qū)土壤熱量?jī)?chǔ)存對(duì)地表能量閉合率的影響。王學(xué)佳等[18]利用NCEP/NCAR地面感熱通量再分析格點(diǎn)資料，分析了青藏高原地區(qū)地面感熱通量的基本氣候特征、年際與年代際變化及其空間分布，采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)和小波分析研究了高原年平均感熱通量變化的突變特征。徐冰鑫等[69]選擇騰格里沙漠東南緣天然植被區(qū)由藻類、蘚類以及二者混生的覆蓋土壤為研究對(duì)象，以增溫方式模擬全球變暖，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法探究了增溫和不增溫處理下CO2、CH4和N2O通量的變化特征。胡宜剛等[70]在騰格里沙漠東南緣沙坡頭地區(qū)不同時(shí)期建植的人工植被固沙區(qū)，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法研究了不同類型和不同演替階段生物結(jié)皮覆蓋的土壤CO2、CH4和N2O的通量特征。周琪等[71]利用通量貢獻(xiàn)區(qū)模型對(duì)位于古爾班通古特沙漠試驗(yàn)場(chǎng)通量觀測(cè)資料的空間代表性進(jìn)行了初步分析。陳愛(ài)軍等[72]應(yīng)用青藏高原3個(gè)站點(diǎn)的地表反照率觀測(cè)結(jié)果，對(duì)比分析了GLASS地表反照率產(chǎn)品的精度。閔文彬等[73]利用青藏高原東側(cè)理塘大氣邊界層觀測(cè)站的熱紅外測(cè)溫儀和長(zhǎng)波輻射表的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了實(shí)測(cè)地表溫度的精度及其影響因子，評(píng)估了MODIS地表溫度產(chǎn)品。王澄海等[74]運(yùn)用改進(jìn)的陸面過(guò)程模式CoLM，對(duì)青藏高原西部的陸面特征進(jìn)行了模擬研究。羅立輝等[75]將WRF氣候模型的模擬結(jié)果作為驅(qū)動(dòng)陸面過(guò)程模式CLM的面上強(qiáng)迫場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)青藏高原陸面能量特征進(jìn)行模擬研究。韓松俊等[76]建立了綠洲水熱耦合平衡模型，分析中國(guó)塔里木盆地沙漠綠洲的水資源轉(zhuǎn)化消耗規(guī)律。李燕等[77]利用陸面過(guò)程模式CoLM，選取青藏高原上3個(gè)不同下墊面觀測(cè)站的觀測(cè)資料，進(jìn)行了單點(diǎn)數(shù)值模擬試驗(yàn)。鄭輝等[78]利用巴丹吉林沙漠觀測(cè)資料，分析和計(jì)算了地表反照率、比輻射率、粗糙度和土壤熱容量、熱傳導(dǎo)系數(shù)等關(guān)鍵陸面過(guò)程參數(shù)，建立了適合于沙漠地區(qū)的陸面過(guò)程模式。李火青等[79]利用塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)站的土壤溫度、濕度和土壤熱通量觀測(cè)資料，定量分析了沙漠土壤熱擴(kuò)散率、溫度、熱通量的變化規(guī)律。用諧波法、振幅法、相位法和熱傳導(dǎo)對(duì)流法計(jì)算了沙漠土壤的熱擴(kuò)散率、土壤溫度、土壤熱通量，將計(jì)算值和觀測(cè)值進(jìn)行了比較。張芬等[80]利用張掖非均勻下墊面地表蒸散發(fā)的多尺度觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合同步觀測(cè)的航空和衛(wèi)星遙感圖像，分析了綠洲-荒漠區(qū)域近地層氣象要素、輻射和能量收支特征。李茂善等[81]利用中國(guó)科學(xué)院納木錯(cuò)多圈層綜合觀測(cè)研究站大氣湍流觀測(cè)資料，應(yīng)用Footprint模型分析了青藏高原非均勻下墊面湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量、質(zhì)量評(píng)價(jià)及不同下墊面對(duì)湍流通量的貢獻(xiàn)。曾劍等[82]采用中國(guó)干旱—半干旱區(qū)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)協(xié)同與集成研究資料分析了西北干旱區(qū)、黃土高原區(qū)和東北冷區(qū)陸面熱量平衡和輻射平衡日變化的區(qū)域差異?？娪?shù)萚19]利用甘肅金塔綠洲中部觀測(cè)的土壤溫度、濕度和通量資料，分析了觀測(cè)期間土壤溫度、濕度和通量特征。采用振幅法、相位法、諧波法和熱傳導(dǎo)對(duì)流法計(jì)算了土壤熱擴(kuò)散率，對(duì)計(jì)算值和觀測(cè)值進(jìn)行了比較。王玉輝等[83]利用亞洲中部干旱區(qū)3個(gè)站點(diǎn)的渦度相關(guān)資料，分析了亞洲中部干旱區(qū)荒漠與草地生態(tài)系統(tǒng)能量、水汽和CO2通量的日變化及季節(jié)變化特征，探究了水汽和CO2通量對(duì)主要環(huán)境因子的響應(yīng)。左金清等[84]對(duì)比分析了地表土壤熱通量的3種計(jì)算方法和3種不同方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)地表能量平衡的影響。在干旱區(qū)陸面過(guò)程研究中，存在著觀測(cè)試驗(yàn)的代表性、復(fù)雜下墊面、陸面模式和大氣模式相結(jié)合的尺度轉(zhuǎn)化、地標(biāo)能量不平衡、陸面水分過(guò)程的復(fù)雜性等各種科學(xué)問(wèn)題有待持續(xù)探索，這些問(wèn)題在所有的陸面過(guò)程研究中都是存在的。endprint

3 錦州玉米農(nóng)田生態(tài)研究基地相關(guān)研究綜述

遼寧省錦州市中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所錦州農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱錦州生態(tài)站）位于121°12′E，41°49′N，海拔17.0 m。該地區(qū)屬溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，四季分明，常年溫差較大，最高氣溫35 ℃，最低氣溫-29.9 ℃，全年平均氣溫7.8～11.0 ℃，年平均降水量為550～630 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 186 mm。無(wú)霜期約180 d，主要農(nóng)作物為玉米。錦州生態(tài)站對(duì)典型玉米生態(tài)系統(tǒng)的小氣候、大氣環(huán)境、水環(huán)境、土壤和生物狀況等進(jìn)行長(zhǎng)期綜合觀測(cè)。獲得了東北地區(qū)玉米典型下墊面，包括氣象要素、熱通量、水分交換、土壤參數(shù)、生物生長(zhǎng)狀況等比較全面的多元綜合數(shù)據(jù)集?，F(xiàn)在關(guān)于錦州觀測(cè)站陸面過(guò)程有大量的觀測(cè)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。蔡福等[85]利用錦州生態(tài)站動(dòng)態(tài)連續(xù)的通量、氣象及生物因子觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了BATS1e陸面模型對(duì)動(dòng)態(tài)的粗糙度（Z0）、葉面積指數(shù)（LAI）、植被覆蓋度（FVEG）及反照率（α）變化的敏感性。利用錦州玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)站動(dòng)態(tài)連續(xù)的通量、氣象及生物因子觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)玉米植株高度、葉面積指數(shù)（LAI）、粗糙度（Z0）、表層土壤濕度（SWC）、反照率的動(dòng)態(tài)變化及其相互關(guān)系進(jìn)行了分析[86]。利用2006-2008年錦州生態(tài)站的通量、氣象及生物因子觀測(cè)資料研究了地表反照率（α）的動(dòng)態(tài)參數(shù)化方案[87]。利用地表反照率α動(dòng)態(tài)參數(shù)化方案對(duì)BATS1e模型進(jìn)行改進(jìn)，基于玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的通量、氣象及生物因子的連續(xù)觀測(cè)資料，研究了α動(dòng)態(tài)參數(shù)化對(duì)玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與大氣間通量交換的影響[88]。分析了錦州玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)季內(nèi)的粗糙度（z0）和零平面位移（d）動(dòng)態(tài)特征及其與風(fēng)速、株高（h）和葉面積指數(shù)（LAI）的關(guān)系[89]?；阱\州玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的通量、氣象及生物因子連續(xù)觀測(cè)，利用所建立的考慮玉米不同發(fā)育期葉面積指數(shù)、冠層高度和風(fēng)速的地表粗糙度（z0）和零平面位移（d）動(dòng)態(tài)參數(shù)化方案對(duì) BATS1e陸面模型進(jìn)行改進(jìn)，研究了空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化對(duì)玉米田陸—?dú)馔磕M的影響[90]。利用2008年錦州玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)站資料對(duì)CoLM與BATS1e模型模擬能力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[91]?；阱\州農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的通量、氣象及生物因子連續(xù)觀測(cè)，分析了玉米農(nóng)葉面積指數(shù)、植被覆蓋度、平均葉傾角、葉片反射率和透射率動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及各因子間的關(guān)系，對(duì)CoLM模型輻射傳輸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)模型優(yōu)化效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[92]。利用錦州生態(tài)觀測(cè)站資料，基于CoLM模型對(duì)玉米根分布在陸—?dú)馑疅嵬磕M中的影響進(jìn)行了研究[93]。韓廣軒等[94-97]基于錦州農(nóng)田玉米生長(zhǎng)季土壤呼吸作用及其影響因子的動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，分析了玉米地土壤呼吸作用的日和季動(dòng)態(tài)及其對(duì)土壤溫度和生物因子協(xié)同作用的響應(yīng)；分析了水熱因子、土壤性質(zhì)、根系生物量及其測(cè)定位置對(duì)土壤呼吸作用空間異質(zhì)性的影響，并對(duì)生長(zhǎng)季中根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例進(jìn)行了估算；分析了水熱因子、土壤性質(zhì)、生物量及葉面積指數(shù)（LAI）對(duì)土壤呼吸的影響；對(duì)玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸作用進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，建立土壤呼吸速率與玉米根系生物量的回歸方程，對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸作用占土壤呼吸作用的比例進(jìn)行間接估算。孫敬松等[98，99]利用錦州玉米農(nóng)田土壤呼吸作用的觀測(cè)資料分析太陽(yáng)輻射對(duì)土壤呼吸作用的影響；以玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為例，闡明了生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境因子和生物因子在不同生長(zhǎng)季對(duì)直角雙曲線模型中參數(shù)值的影響。趙先麗等[100]研究春玉米在8種供水處理?xiàng)l件下的玉米出苗率及玉米根系和葉片對(duì)水分脅迫的響應(yīng)。王宇等[101]基于玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)整個(gè)生長(zhǎng)季的渦度相關(guān)通量資料，對(duì)蒸散的日、季動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，建立了半小時(shí)尺度的作物系數(shù)（K指數(shù)）模型。張峰等[102]基于觀測(cè)數(shù)據(jù)，開展了玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)冠層光合能力（最大光合速率）與光合效率（凈CO2通量交換/吸收光合有效輻射；總初級(jí)生產(chǎn)力/吸收光合有效輻射；表觀量子效率）參數(shù)的多光譜遙感反演能力評(píng)估研究。梁濤等[103]利用錦州生態(tài)觀測(cè)站渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)通量觀測(cè)資料，分析了玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)季及非生長(zhǎng)季CO2通量動(dòng)態(tài)變化。李祎君等[104]基于玉米農(nóng)田渦度相關(guān)系統(tǒng)近2年的水熱通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了玉米農(nóng)田水熱通量的日際、年際變化特征及其能量平衡狀況。米娜等[105]應(yīng)用基于生理生態(tài)學(xué)過(guò)程的EALCO模型，對(duì)玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的蒸散過(guò)程進(jìn)行了模擬，在模型檢驗(yàn)基礎(chǔ)上，使用該模型模擬了玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散過(guò)程對(duì)未來(lái)氣候變化的響應(yīng)。麻雪艷等[106-108]結(jié)合已經(jīng)建立的玉米葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)普適模型，探討了準(zhǔn)確模擬玉米葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)所需的最適野外觀測(cè)資料，提出了春玉米葉面積指數(shù)達(dá)到最大時(shí)的積溫指標(biāo)，采用修正的Logistic方程構(gòu)建了春玉米相對(duì)葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)普適模型，構(gòu)建了玉米光合產(chǎn)物分配模型，與WOFOST模型的CO2同化模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)玉米各器官生物量動(dòng)態(tài)的逐日模擬。李榮平等[109]利用連續(xù)3年玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)非生長(zhǎng)季的渦度相關(guān)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)，分析土壤呼吸值與土壤溫度、土壤體積含水量的相關(guān)關(guān)系，通過(guò)耦合土壤溫度和土壤含水量得到土壤呼吸模擬模型。呂國(guó)紅等[110]基于東北地區(qū)玉米生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的觀測(cè)數(shù)據(jù)，闡明了玉米常規(guī)密度種植和低密度種植土壤呼吸的日變化特征及其空間差異性，分析了溫（濕）度對(duì)土壤呼吸的影響。祁紅彥等[111]對(duì)玉米冠層光合有效輻射的垂直分布特征及其影響因子進(jìn)行了分析。平曉燕等[112]發(fā)展了基于施肥、土壤溫度和土壤有效水分系數(shù)的玉米農(nóng)田土壤有效養(yǎng)分系數(shù)模型，建立了基于功能平衡假說(shuō)的日尺度的玉米光合產(chǎn)物的分配模型。關(guān)于錦州農(nóng)田生態(tài)站開展的研究更多是側(cè)重于單點(diǎn)植被生態(tài)系統(tǒng)碳水熱循環(huán)特征，利用陸面模式進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)等。現(xiàn)在東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)臺(tái)站數(shù)量較少，開展的觀測(cè)試驗(yàn)具有明顯的局限性。缺少更長(zhǎng)時(shí)間、更大空間、多時(shí)間尺度和多空間尺度的集成分析[113]。

4 存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展方向endprint

1）陸面過(guò)程觀測(cè)試驗(yàn)研究還存在明顯的局限性和不足。雖然已經(jīng)在青藏高原、極端干旱地區(qū)、東北農(nóng)田等典型區(qū)域開展了一系列觀測(cè)試驗(yàn)。但是，陸面過(guò)程觀測(cè)試驗(yàn)的空間布局還不夠合理、完善，還有一些典型地區(qū)沒(méi)有開展過(guò)比較綜合的觀測(cè)試驗(yàn)研究，而且一些站點(diǎn)的選址存在一定的問(wèn)題，區(qū)域代表性差。盡管建立了不少站點(diǎn)和獲取了不少的資料，但是由于缺乏共享的機(jī)制和作風(fēng)保守，很多資料都不能合理應(yīng)用，開展大尺度的陸面過(guò)程研究比較困難。陸面過(guò)程特征研究缺乏系統(tǒng)的比較，缺乏對(duì)不同氣候區(qū)的陸面過(guò)程特征差異研究。

2）缺乏受人類活動(dòng)影響的陸面過(guò)程特征及復(fù)雜下墊面和非均勻下墊面陸面過(guò)程特征方面的研究。缺乏不同天氣陸面過(guò)程特征的系統(tǒng)性研究。缺少對(duì)長(zhǎng)時(shí)間陸面過(guò)程的氣候特征研究和區(qū)域?qū)Ρ?。?duì)于同類下墊面陸面過(guò)程的區(qū)域?qū)Ρ纫约岸嘞聣|面陸面過(guò)程的對(duì)比研究較少。由于復(fù)雜多變的下墊面特征，中國(guó)陸氣相互作用的過(guò)程及其機(jī)理十分復(fù)雜，需要堅(jiān)持長(zhǎng)期的野外觀測(cè)試驗(yàn)，以獲取相關(guān)長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)資料[114]。需要開展復(fù)雜條件下湍流通量觀測(cè)與分析方法的研究[115]。多數(shù)觀測(cè)試驗(yàn)研究偏重?zé)崃蛣?dòng)力過(guò)程，缺少水分過(guò)程和生態(tài)生理過(guò)程方面的研究。比較系統(tǒng)地專門針對(duì)陸面水分過(guò)程的觀測(cè)試驗(yàn)研究和理論分析均明顯不足。建立中國(guó)乃至亞洲地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今發(fā)展的趨勢(shì)[116，117]。

3）陸面模式中的核心內(nèi)容是陸面過(guò)程參數(shù)化，即對(duì)地表過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的描述，準(zhǔn)確計(jì)算各種通量，為大氣模式提供合理的下邊界條件。以往的研究中很多局部地區(qū)參數(shù)化關(guān)系缺乏進(jìn)一步的應(yīng)用、檢驗(yàn)和改進(jìn)工作[118]。缺少局部地區(qū)觀測(cè)結(jié)果有效轉(zhuǎn)化為數(shù)值模式網(wǎng)格尺度上的參數(shù)化方案，不能應(yīng)用于大氣數(shù)值模式。今后應(yīng)該把局部地區(qū)觀測(cè)的陸面過(guò)程參數(shù)化關(guān)系逐步轉(zhuǎn)化到大氣數(shù)值模式的網(wǎng)格尺度上，并用于改進(jìn)大氣數(shù)值模式的陸面過(guò)程參數(shù)化方案。參數(shù)化研究中粗糙度的設(shè)定還不完善。

4）陸面模式本身存在著很大的不確定性，即使給各個(gè)陸面模式提供相同的參數(shù)設(shè)置，并用相同的強(qiáng)迫資料驅(qū)動(dòng)模式，不同模式對(duì)地表通量的模擬依然存在著很大的不確定性，由此引起的通量輸送的偏差相當(dāng)大[119]。陸面模式受降水、輻射等大氣驅(qū)動(dòng)資料誤差的影響，模擬的陸面物理量存在偏差。模擬分析較多集中在加強(qiáng)觀測(cè)期的幾天到幾周內(nèi)，缺乏對(duì)陸面過(guò)程的長(zhǎng)期模擬。模式參數(shù)的確定、相對(duì)準(zhǔn)確的大氣近地面信息、對(duì)陸面模式性能的長(zhǎng)期檢驗(yàn)是目前陸面模式發(fā)展中的重要方面。

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