中国西北地区黄土高原半干旱地区旱作农田的辐射和能量通量的季节性和年际变化外文翻译资料

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中国西北地区黄土高原半干旱地区旱作农田的辐射和能量通量的季节性和年际变化

Xing Chen^a,b,c,Ye Yu^a,b,*,Jinbei Chen^a,b,Tangtang Zhang^a,b,Chenchao Li^a,b

^a Key Laboratory of Land Surfaceamp;Climate Change in Coldamp;Arid Regions,Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,Gansu,PR China

^b Pingliang Land Surface Processamp;Severe Weather Station，Chinese Academy of Sciences,Pingliang 744015,Gansu,PR China

^c University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,PR China

摘要：黄土高原半干旱地区拥有特殊的气候与独特的下垫面，因此了解当地的陆地-大气相互作用是非常重要的。本实验利用中国科学院平凉地表过程与恶劣天气研究站的两年微气象和能量通量观测资料，研究黄土高原半干旱地区旱作农田的辐射收支和能量通量的季节性和年际变化，这项研究重点关注了降水、土壤湿度以及农业生产活动（例如农作物类型和收获时间）对能量分配和地表能量平衡的影响。结果表明：降水的季节性分布的年际变化很大，导致了土壤湿度产生显著的季节与年际变化。土壤湿度是影响辐射收支与能量分配的主要因素；反射率与土壤湿度之间存在负的线性关系。有效能量的主要消耗者在月份与年份之间存在着变化，它存在显著的水切应力的阈值为0.12m³m^-3,。特别是在生长季，蒸散量受到抑制。在2010年到2011年，中午净辐射最大的消耗者是感热，然而在2011年到2012年，潜热是最大的消耗者，分别占据净辐射的35%和40%。农业活动改变了反照率对土壤湿度以及能量分配模式的敏感性和变化性。在考虑土壤热通量之后，在2010年12月~2011年11月和2011年12月~2012年11月，表面能量收支闭合度分别是77.6%和73.3%。该结果与中国通量网的其他站点相比差不多（8个站点的闭合度从49%到81%）。半干旱地区农作物的能量分配模式与水分切应力阈值可以用来评估与改善陆面模型。

关键词：辐射、感热通量、潜热通量、土壤湿度、能量平衡、黄土高原

1.介绍

陆面过程是气候变化研究中最活跃的研究领域，它控制着地表与大气之间的能量与质量通量之间的交换（Wang et al.,2010）。近年来，全球气候变化促进了全世界不同地区的地表辐射平衡与能量平衡的研究（Zhang et al.,2011a）。太阳能的分配与再分配调节了各种气象环境（Baldocchi et al., 1997; Betts et al., 1996）,并驱动了地方、区域性的乃至最终全球尺度的地球气候系统（Eugster et al.,2000）。陆面净辐射分配到感热、潜热是最重要的陆气耦合方式之一（Gu et al.,2006），它决定了大气中的水汽与热容量，并且对全球的水循环，边界层发展，区域甚至全球气候至关重要（Wilson and Baldocchi,2000）。气候模式结果对地表能量分配的季节性与日变化尤为敏感（Bi et al.,2007;Dickinson et al.,1991）,它受生物地球化学循环、气候之间的长期相互作用，以及植物生理学与大气边界层之间的短期相互作用控制的。为了估算能量平衡与蒸散的长期变化，过去的几十年里全世界各种陆地表面都进行了一些田间试验（Gao et al.,2009）.。涡度协方差技术（EC）是唯一以准连续长期方式测量生态系统湍流通量，对生态系统影响最小的方法，它已成为生态系统中探测碳、水和能量交换的一种标准的工具（Baldocchi,2008;Baldocchi and Meyers,1998）。在通量网中，为了满足生物圈-大气交换的长期研究的新兴需求，已经在不同的生态系统中进行了大量的试验来描述冠层尺度CO2、水汽和能量通量的时空变化。显然，地表能量平衡并不总是闭合的（Foken,2008a;Foken,2008b），这个问题可能会导致观测与模型模拟和系统误差之间巨大的差异（Cuxart et al.,2015）。

近年来，中国西北部黄土高原上进行了一些农田试验。黄土高原是中国最大的干旱半干旱地区，它位于西北边界区，受东亚夏季风和南亚夏季风的影响（Zhang et al.,2011a）。他的表面特征有巨大的空间与季节性变化，并且对东亚夏季风的变化很敏感。该地陆面过程不仅影响了当地的气候和大气环流，而且还影响了中国的季风环流。（Wang et al.,2010）。全球变暖与人类活动严重影响了该地区的环境，并在一定程度上改变了时空地表物理过程（Zhang et al.,2011a）。虽然在黄土高原上进行了一些分散的观测，许多研究仅仅调查了短期表面辐射以及能量通量并且大多数重点专注一个季节或者是典型的晴天（Zhang et al.,2011a）,很少有人关注这个地区的长期观测，尤其是农田生态系统。土地利用变化是全球变化最重要的一个方面之一，农田是主要的土地利用变化方式之一，这种方式改变了物种组成与功能，移除了大量的植被，改变了土壤结构并影响了微气象。(hammerle et al.,2006;Lei and Yang,2010;Miao et al.,2009）。这种土地利用变化对生态和水文有着巨大的影响，包括辐射平衡、能量分配、空气动力学特性、土壤湿度和碳循环等过程，这又可能导致区域性和全球气候发生潜在的重大变化（Baldocchi et al.,2001;Betts,2001;Chen et al.,2009;Pielke et al.,1998），尤其在半干旱地区对于土地利用更加敏感。深入了解黄土高原半干旱地区农田生态系统中地面与大气水汽交换过程及其相关控制因子，有利于地表模式的发展和评估人类对区域气候的影响。

本文，综合收集了黄土高原地区典型的旱作农田区域两年（2010年12月至2012年11月）的微气象数据和能量通量数据，用途：（1）分析表面辐射的变化性、能量分配的季节性与年际性变化的特征；（2）阐明它与陆地表面状况和由农业活动引起的土地利用变化的关系，（3）评估表面能量平衡闭合问题。

2.材料和方法

2.1站点

本文中使用的数据来自位于中国典型旱作农田区域黄土高原平凉地表过程与极端天气研究站(图1a)，CAS(104°41′，35°34′N,海拔1630m)。这个地方年平均降水500mm, 超过70%的降水集中在6月到9月的东亚季风。每年的降水总量年际变化很大，使得该地区处于干旱与洪涝交替的条件下。该地土壤以粉质黏土为主，泥沙比例高（黏土：9.8%，淤泥：76.6%，砂：13.6%），农业经济作物以冬小麦和玉米为主，还有小米、大豆和胡麻。测量点位于黄土高原的主要地带，周围地形相对平坦。更多的细节详见 Wen et al.(2009) and Zhang et al.(2014)。图2中是2011年主要的农作物冬小麦以及一些玉米。然而在2012年则以冬小麦、大豆和玉米为主。农作物具体的播种与收获季节被列在表1中。

2.2测量与数据处理

用地面以上1.5m的净辐射计测量表面辐射（CNR-1Kippamp;Zonen Inc,荷兰），四个辐射计分别测量吸收和反射的短波辐射，吸收和释放的长波辐射。土壤温度和土壤含水量使用热敏电阻测量（107，Campbell Scientific Inc.,USA）and TDR 传感器（CS616,Campbell Scientific Inc.,USA）分别位于四个深度（5,10,20,40cm）处测量。土壤热通量使用深度为（5cm 和20cm）热通量板（HFP01,Hukseflux Inc.,荷兰）测量。表面土壤热通量使用在5cm深度处的热通量板上进行校正，本文未使用20cm深度处的板子。用2m高的温度和相对湿度计（HMP45C,Vaisala Inc.,Finland）测量气温和湿度，使用2m高度处的螺旋桨式风速计（034B,Met One Inc.,USA）测量风速和风向。用翻斗式雨量计(52202，RM Young Inc.,USA）测量降水。EC系统被用来测量地面以上2.95米处生态系统的能量与水汽交换，它包括一个开路红外气体分析仪（LI-7500,LiCor,美国）；基本的气象参数每10分钟测量一次，而EC系统的采样频率是10Hz。所有的基本的气象测量都在EC站东南偏东约15m处进行，地表的农作物类型与EC系统处的一样。

感热和潜热通量数据从10Hz的原始数据处理出来并计算为30min的平均数据。数据处理过程中应用了一些必要的步骤：校正与质量控制，包括野点剔除、平面坐标旋转、虚温校正、频率响应校正、Pearman 和Leuning密度波动校正（WPL校正）。质量控制是根据缺失值的数量、协方差的固定测试、积分湍流特征测试、平面拟合后的残差和由于校正与转换产生的内部标志相互依赖性（Mauder等2013）。我们根据Mauder 等人的随机误差与系统误差，可能由于降水、故障或者低质量造成的半小时数据明显较差的时段已经被删除了。数据缺口未被填补。2010年12月至2011年11月期间，感热（潜热）通量数据缺失或者数据不良约占25.2%(34.2%),2011年12月至2012年11月，数据缺失或者数据较差的约占40.1%（47.5%），主要是由于仪器故障和供电问题引起的。

2.3 Footprint模型

大多数的通量网站点基本在均匀的环境中运行的，但是，小规模的场内异质性会导致生态系统尺度涡度协方差测量中的问题，并且他们被认为是测量不确定性的来源（Barcza et al.,2009;Gockede et al.,2004）。在我们的研究地点，冬小麦、玉米和大豆是主要的农作物。由于气候条件的影响，黄土高原上主要农作物的生长季具有一定的重叠期，这种独特性与华北平原有所不同（Lei and Yang,2010）。因此，我们需要将测量的陆地-大气交换信号归因于特定的农作物覆盖，来解释测量数据。通过使用最先进的footprint模型（Barcza et al.,2009;Kljun et al.,2004;Peters et al.,2011）和我们站点的农作物覆盖信息解决了这个问题。使用拉格朗日随机footprint估算半小时测量的交叉风综合印痕与最大的源重叠位置。该模型使用如下限制性条件：;;;(;是测量高度，L是莫宁奥布霍夫常数，u*是摩擦速度，h是大气边界层的高度)。由于我们下一部分关注的重点是正午的能量分配，我们将此模型应用于下面两年的正午测量。

图二显示了EC测量的两年的印痕气候。可以看出，有两个区域对测量信号的频繁贡献：一个位于距离EC系统东南、南-东南方约20-60米的地方；第二个位于相反的方向，北、北-北西北方向，这两年的印痕气候分析是相似的，他们是研究点（图1b和c方向）盛行风方向的结果。结合作物覆盖图，我们估计了不同作物覆盖类型对测量信号贡献的相对频率（表1）。总体而言，在2010-2011期间，大部分测量信号来源于冬小麦地区，在2011-2012，约有32.8%的测量信号来自大豆地（前一年是冬小麦地）。

3.结果与讨论

3.1气象条件

图3展示了从2010年12月到2012年11月的气温（Ta）,水汽压（e），土壤含水量（VWC）和降水（P）。2010-2011（2011-2012）的年平均气温是7.8（7.7）℃，这与38年的年平均气温相近（7.7℃是使用距离研究地最近的气象站计算出的数据）。上层土壤 （5cm）的含水量明显低于深层土壤（10cm和20cm）的含水量，并且与降水数据相呼应（图3c）。土壤含水量表现出明显的季节性变化，它主要受降水的影响并且受降水量的扰动。5cm处的最大的土壤含水量是0.297m³m^-3,约为57.7%的土壤孔隙度（研究地点粉砂土壤是0.52 m³m^-3）。图3d试验地降水的季节性和年际变化很大，2011年和2012年总的年际降水分别为615.6mm和453.1mm。与38年的平均年降水量 P(486.7mm)相比，在2011（2012年）年稍微湿润（稍微干燥）。2011年降水全年分布不均匀，70%的年降水集中在7月和9月，2012年降水相对均匀，而月降水量和日降水量5mm以上的天数超过在2011年的冬小麦的生长季（3到6月图3d 和e）。

3.2辐射分量

太阳辐射是地球能量的来源，它驱动着地表和大气之间的能量交换。陆地表面接收到的太阳辐射的季节性变化主要依赖于太阳高度角、天气条件和云量。日平均向下短波辐射（DSR）主要受天气条件的影响，并且在6月中旬达到360.2Wm^-2的最大值，这个结果与甘肃中部地区的结果差不多（Wang et al.,2010）。日平均

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