北方典型農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)陸面過程研究簡述

鄒旭東+劉海龍+賈慶宇+王笑影+楊洪斌+張云海+汪宏宇+孫鳳華

摘要：介紹了關于北方地區(qū)的陸面過程觀測、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。分別從陸面過程觀測、陸面過程數(shù)值模擬和陸面過程模式中土壤濕度數(shù)據(jù)同化3個方面，概述了國內(nèi)開展陸面過程研究的主要內(nèi)容。指出了陸面過程觀測、陸面模式研究中存在的不足以及陸面過程數(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)田開展的陸面過程觀測和數(shù)值模擬研究。最后總結(jié)了陸面過程研究中存在的問題和未來發(fā)展的方向。

關鍵詞：陸面過程；陸氣相互作用；西北干旱區(qū)；錦州農(nóng)田

中圖分類號：P463.1 文獻標識碼：A 文章編號：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

陸面過程是包含發(fā)生在陸面上所有的物理、化學、生物過程以及這些過程與大氣的關系[1]。太陽輻射有近一半的能量被地球表面吸收，輻射能量進而轉(zhuǎn)化為感熱和潛熱等多種形式的能量，驅(qū)動大氣環(huán)流、維持生命活動，促進水分、二氧化碳等物質(zhì)在氣候系統(tǒng)中循環(huán)運動。陸地面積約占全球表面的30%，對于大氣與下墊面相互作用過程，陸地比海洋的可變性更大。陸地表面是人類生存的場所，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息息相關。深入研究陸面過程，發(fā)展和完善陸面模式，對陸面過程及地—氣交換過程進行合理描述，是改善氣候模式對地球氣候系統(tǒng)的模擬能力和深入認識地球氣候系統(tǒng)變化的物理機制所必須解決的一個根本問題[2，3]。準確計算陸面與大氣之間的動量、熱量和水分的交換，對于預測全球及區(qū)域氣候變化趨勢、提高天氣預報水平、應對極端天氣氣候事件有重要的科學意義[4]。本研究總結(jié)和歸納了國內(nèi)關于陸面過程的部分研究成果，嘗試在此基礎上討論陸面過程研究的幾點科學問題和未來發(fā)展的方向。由于關于陸面過程研究的內(nèi)容過于寬泛而且大量。所以，對其中關于西北干旱區(qū)和代表典型東北玉米農(nóng)田的錦州生態(tài)觀測站開展的研究給出了專門介紹。

1 陸面過程研究主要內(nèi)容

1.1 陸面過程觀測

陸面過程野外觀測試驗是陸面過程研究的最基礎性也最為重要的方面，它是推動陸面過程研究的主要手段?？蒲腥藛T對生態(tài)系統(tǒng)陸面過程中湍流、渦度、CO2、水汽等物質(zhì)通量感測開展大量觀測研究[5-15]。開展了陸面過程中各種關于熱量通量觀測的研究工作[16-19]。郭輝等[20]采用Li-8100碳通量自動監(jiān)測系統(tǒng)觀測低質(zhì)林分土壤碳通量，運用統(tǒng)計分析方法，分析采伐強度對土壤碳通量、土壤溫度與濕度的影響。劉越等[21]應用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參數(shù)，分析城市下墊面不同土地覆蓋類型對地表熱通量以及能量平衡的影響，得出了關于城市熱島效應形成的重要機制。劉實等[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通量在非生長季中的時間動態(tài)及其影響因子。李亮等[23]利用2004-2007年中國科學院中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡（CERN）生態(tài)站實測土壤通量、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、凈輻射的關系。徐自為等[24]利用土壤熱通量等相關觀測數(shù)據(jù)對多種測算土壤熱通量的方法進行了對比分析，分析了觀測站點土壤熱通量日、季節(jié)變化特征。大口徑閃爍儀和微波輻射計等儀器被應用于研究陸面過程觀測中[25-33]。還有一些用其他方式對生態(tài)系統(tǒng)特征的研究，例如劉永強[34]計算分析美國大陸干旱指數(shù)變化，比較植被類型對干旱強度和頻率的影響。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遼寧近50年熱量資源相關要素的時空演變特征和突變特征進行分析。陸面過程觀測試驗研究還存在明顯的局限性和不足。觀測試驗的空間布局還不夠合理、完善，還有一些典型地區(qū)沒有開展過比較綜合的觀測試驗研究，而且一些站點的選址存在一定的問題，區(qū)域代表性差。缺少受人類活動影響的陸面過程特征及復雜下墊面和非均勻下墊面陸面過程特征方面的研究。缺少長期的野外觀測試驗以獲取長時間序列的觀測資料。觀測試驗研究偏重熱力和動力過程，水分過程和生態(tài)生理過程方面的研究相對較少。endprint

1.2 陸面過程數(shù)值模擬

陸面過程模式是對陸氣之間水分、熱量和動量等交換過程進行準確的數(shù)學描述。將發(fā)生在陸氣交界面上的各種物理、化學和生物過程參數(shù)化用于數(shù)值模擬。在陸面過程研究中CLM和WRF等數(shù)值模式有大量應用[36-43]。劉樹華等[44，45]發(fā)展了陸面過程參數(shù)化模式，建立了研究陸面物理過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個模式對20世紀和21世紀陸面能量和水文變量模擬和對比分析，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。周劍等[47]將包氣帶土壤水分傳輸方程與陸面過程模式（SIB2）相耦合，建立研究分層包氣帶土壤水分運移、非穩(wěn)態(tài)的地下水位和地表蒸散發(fā)之間定量關系的模型。周鎖銓等[48]對陸面過程模式（BATS）進行了改進。張晶等[49]參考（BATS）模式，發(fā)展了一個陸面過程模式（LPM-ZD）。丁一匯等[50]將陸面過程模式（LPM-ZD）與區(qū)域氣候模式（RegCM）實現(xiàn)耦合。李紅祺等[51]探討條件非線性最優(yōu)擾動（CNOP）方法在陸面過程模式（CoLM）的參數(shù)優(yōu)化方面的擴展應用。王建棟等[52]驗證了傅里葉幅度敏感性檢驗方法（EFAST）在陸面過程模式（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，不能應用于大氣數(shù)值模式，這是需要解決的問題。

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

土壤濕度是描述植被生長、陸面和大氣之間能量交換的關鍵參數(shù)，土壤濕度通過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生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡和碳循環(huán)過程產(chǎn)生影響。當生態(tài)模型擴展到較大的空間尺度上時，生態(tài)過程模型參數(shù)的時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)域尺度對土壤參數(shù)隨著空間變異進行校正需要大量的實地觀測數(shù)據(jù)，此種方法難以實現(xiàn)。造成模型對土壤濕度的估計不夠準確，計算誤差隨著時間累計，估計值越來越偏離真實值。數(shù)據(jù)同化方法將機理模型與土壤水分觀測資料進行融合，利用前一時刻的模型預報值調(diào)整和校正下一時刻模型狀態(tài)變量預報值，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)中應用更廣泛。中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所和蘭州大學合作，基于EnKF和SiB2模型的單點土壤濕度同化系統(tǒng)，研發(fā)了中國西部陸面數(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和陸面過程模型研發(fā)了中國區(qū)域陸面土壤濕度同化系統(tǒng)。Tian等[59-62]、張生雷等[63]對土壤濕度同化方案的建立和發(fā)展進行了不斷的探索。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等陸面過程模型，采用微波輻射傳輸模型，初步建立了中國陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)。國內(nèi)外研究人員利用衛(wèi)星提供的遙感影像，基于可見光、近紅外等遙感資料建立了大量的檢測土壤濕度的遙感反演方法。隨著遙感技術(shù)的日益成熟，利用遙感手段對區(qū)域性土壤水分監(jiān)測已被普遍采納。隨著遙感反演技術(shù)的進步，遙感反演的土壤濕度精度越來越高，為利用同化方法進行區(qū)域土壤濕度優(yōu)化提供了可靠的觀測數(shù)據(jù)。

2 西北干旱區(qū)陸面過程研究

在中國，干旱和半干旱地區(qū)占有較高比率，約達40%。中國西北干旱區(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，陸面過程以及人類活動對整個區(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)的陸面過程無疑對中國季風環(huán)流和西北干旱氣候的形成有著深刻的影響。國內(nèi)關于西北干旱區(qū)及青藏高原生態(tài)系統(tǒng)陸面過程觀測和數(shù)值模擬已有大量的研究。從20世紀80年代中期開始，中國科學院蘭州高原大氣物理研究所（現(xiàn)并入中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院）主持進行了大量西北干旱區(qū)及青藏高原地區(qū)陸面過程觀測研究項目[66]。張強等[67，68]討論了黃土高原陸面過程野外科學試驗研究項目的有關科學技術(shù)問題，并利用黃土高原陸面過程觀測試驗在隴中黃土高原榆中SACOL站5年多的觀測資料，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、土壤熱傳導率和粗糙度長度等陸面過程參數(shù)對氣候波動的響應規(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種下墊面的觀測資料，分析了水、熱和CO2通量特征。岳平等[17]利用蘭州大學半干旱氣候與環(huán)境觀測站的湍流、輻射、土壤溫度和通量梯度觀測資料，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)土壤熱量儲存對地表能量閉合率的影響。王學佳等[18]利用NCEP/NCAR地面感熱通量再分析格點資料，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t檢驗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]利用通量貢獻區(qū)模型對位于古爾班通古特沙漠試驗場通量觀測資料的空間代表性進行了初步分析。陳愛軍等[72]應用青藏高原3個站點的地表反照率觀測結(jié)果，對比分析了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站的熱紅外測溫儀和長波輻射表的實測數(shù)據(jù)，分析了實測地表溫度的精度及其影響因子，評估了MODIS地表溫度產(chǎn)品。王澄海等[74]運用改進的陸面過程模式CoLM，對青藏高原西部的陸面特征進行了模擬研究。羅立輝等[75]將WRF氣候模型的模擬結(jié)果作為驅(qū)動陸面過程模式CLM的面上強迫場數(shù)據(jù)來對青藏高原陸面能量特征進行模擬研究。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]利用陸面過程模式CoLM，選取青藏高原上3個不同下墊面觀測站的觀測資料，進行了單點數(shù)值模擬試驗。鄭輝等[78]利用巴丹吉林沙漠觀測資料，分析和計算了地表反照率、比輻射率、粗糙度和土壤熱容量、熱傳導系數(shù)等關鍵陸面過程參數(shù)，建立了適合于沙漠地區(qū)的陸面過程模式。李火青等[79]利用塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測站的土壤溫度、濕度和土壤熱通量觀測資料，定量分析了沙漠土壤熱擴散率、溫度、熱通量的變化規(guī)律。用諧波法、振幅法、相位法和熱傳導對流法計算了沙漠土壤的熱擴散率、土壤溫度、土壤熱通量，將計算值和觀測值進行了比較。張芬等[80]利用張掖非均勻下墊面地表蒸散發(fā)的多尺度觀測試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合同步觀測的航空和衛(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]利用中國科學院納木錯多圈層綜合觀測研究站大氣湍流觀測資料，應用Footprint模型分析了青藏高原非均勻下墊面湍流觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量、質(zhì)量評價及不同下墊面對湍流通量的貢獻。曾劍等[82]采用中國干旱—半干旱區(qū)實驗觀測協(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的土壤溫度、濕度和通量資料，分析了觀測期間土壤溫度、濕度和通量特征。采用振幅法、相位法、諧波法和熱傳導對流法計算了土壤熱擴散率，對計算值和觀測值進行了比較。王玉輝等[83]利用亞洲中部干旱區(qū)3個站點的渦度相關資料，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通量對主要環(huán)境因子的響應。左金清等[84]對比分析了地表土壤熱通量的3種計算方法和3種不同方法的計算結(jié)果對地表能量平衡的影響。在干旱區(qū)陸面過程研究中，存在著觀測試驗的代表性、復雜下墊面、陸面模式和大氣模式相結(jié)合的尺度轉(zhuǎn)化、地標能量不平衡、陸面水分過程的復雜性等各種科學問題有待持續(xù)探索，這些問題在所有的陸面過程研究中都是存在的。endprint

3 錦州玉米農(nóng)田生態(tài)研究基地相關研究綜述

遼寧省錦州市中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所錦州農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站（以下簡稱錦州生態(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。無霜期約180 d，主要農(nóng)作物為玉米。錦州生態(tài)站對典型玉米生態(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行長期綜合觀測。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)、生物生長狀況等比較全面的多元綜合數(shù)據(jù)集?，F(xiàn)在關于錦州觀測站陸面過程有大量的觀測試驗和數(shù)值模擬研究。蔡福等[85]利用錦州生態(tài)站動態(tài)連續(xù)的通量、氣象及生物因子觀測數(shù)據(jù)，分析了BATS1e陸面模型對動態(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)野外觀測站動態(tài)連續(xù)的通量、氣象及生物因子觀測數(shù)據(jù)對玉米植株高度、葉面積指數(shù)（LAI）、粗糙度（Z0）、表層土壤濕度（SWC）、反照率的動態(tài)變化及其相互關系進行了分析[86]。利用2006-2008年錦州生態(tài)站的通量、氣象及生物因子觀測資料研究了地表反照率（α）的動態(tài)參數(shù)化方案[87]。利用地表反照率α動態(tài)參數(shù)化方案對BATS1e模型進行改進，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)觀測資料，研究了α動態(tài)參數(shù)化對玉米農(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)生長季內(nèi)的粗糙度（z0）和零平面位移（d）動態(tài)特征及其與風速、株高（h）和葉面積指數(shù)（LAI）的關系[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，利用所建立的考慮玉米不同發(fā)育期葉面積指數(shù)、冠層高度和風速的地表粗糙度（z0）和零平面位移（d）動態(tài)參數(shù)化方案對 BATS1e陸面模型進行改進，研究了空氣動力學參數(shù)變化對玉米田陸—氣通量模擬的影響[90]。利用2008年錦州玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站資料對CoLM與BATS1e模型模擬能力進行定量評價[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，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態(tài)變化規(guī)律及各因子間的關系，對CoLM模型輻射傳輸參數(shù)進行優(yōu)化，并對模型優(yōu)化效果進行定量評價[92]。利用錦州生態(tài)觀測站資料，基于CoLM模型對玉米根分布在陸—氣水熱通量模擬中的影響進行了研究[93]。韓廣軒等[94-97]基于錦州農(nóng)田玉米生長季土壤呼吸作用及其影響因子的動態(tài)觀測資料，分析了玉米地土壤呼吸作用的日和季動態(tài)及其對土壤溫度和生物因子協(xié)同作用的響應；分析了水熱因子、土壤性質(zhì)、根系生物量及其測定位置對土壤呼吸作用空間異質(zhì)性的影響，并對生長季中根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例進行了估算；分析了水熱因子、土壤性質(zhì)、生物量及葉面積指數(shù)（LAI）對土壤呼吸的影響；對玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸作用進行了連續(xù)觀測，建立土壤呼吸速率與玉米根系生物量的回歸方程，對土壤異養(yǎng)呼吸作用占土壤呼吸作用的比例進行間接估算。孫敬松等[98，99]利用錦州玉米農(nóng)田土壤呼吸作用的觀測資料分析太陽輻射對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季對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種供水處理條件下的玉米出苗率及玉米根系和葉片對水分脅迫的響應。王宇等[101]基于玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)整個生長季的渦度相關通量資料，對蒸散的日、季動態(tài)進行分析，建立了半小時尺度的作物系數(shù)（K指數(shù)）模型。張峰等[102]基于觀測數(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估研究。梁濤等[103]利用錦州生態(tài)觀測站渦動相關系統(tǒng)通量觀測資料，分析了玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生長季及非生長季CO2通量動態(tài)變化。李祎君等[104]基于玉米農(nóng)田渦度相關系統(tǒng)近2年的水熱通量觀測數(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]應用基于生理生態(tài)學過程的EALCO模型，對玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的蒸散過程進行了模擬，在模型檢驗基礎上，使用該模型模擬了玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散過程對未來氣候變化的響應。麻雪艷等[106-108]結(jié)合已經(jīng)建立的玉米葉面積指數(shù)動態(tài)普適模型，探討了準確模擬玉米葉面積指數(shù)動態(tài)所需的最適野外觀測資料，提出了春玉米葉面積指數(shù)達到最大時的積溫指標，采用修正的Logistic方程構(gòu)建了春玉米相對葉面積指數(shù)動態(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，實現(xiàn)了對玉米各器官生物量動態(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)非生長季的渦度相關系統(tǒng)測量數(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關系，通過耦合土壤溫度和土壤含水量得到土壤呼吸模擬模型。呂國紅等[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）度對土壤呼吸的影響。祁紅彥等[111]對玉米冠層光合有效輻射的垂直分布特征及其影響因子進行了分析。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的日尺度的玉米光合產(chǎn)物的分配模型。關于錦州農(nóng)田生態(tài)站開展的研究更多是側(cè)重于單點植被生態(tài)系統(tǒng)碳水熱循環(huán)特征，利用陸面模式進行數(shù)值模擬試驗等。現(xiàn)在東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)野外觀測臺站數(shù)量較少，開展的觀測試驗具有明顯的局限性。缺少更長時間、更大空間、多時間尺度和多空間尺度的集成分析[113]。

4 存在的問題和未來發(fā)展方向endprint

1）陸面過程觀測試驗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試驗。但是，陸面過程觀測試驗的空間布局還不夠合理、完善，還有一些典型地區(qū)沒有開展過比較綜合的觀測試驗研究，而且一些站點的選址存在一定的問題，區(qū)域代表性差。盡管建立了不少站點和獲取了不少的資料，但是由于缺乏共享的機制和作風保守，很多資料都不能合理應用，開展大尺度的陸面過程研究比較困難。陸面過程特征研究缺乏系統(tǒng)的比較，缺乏對不同氣候區(qū)的陸面過程特征差異研究。

2）缺乏受人類活動影響的陸面過程特征及復雜下墊面和非均勻下墊面陸面過程特征方面的研究。缺乏不同天氣陸面過程特征的系統(tǒng)性研究。缺少對長時間陸面過程的氣候特征研究和區(qū)域?qū)Ρ取τ谕愊聣|面陸面過程的區(qū)域?qū)Ρ纫约岸嘞聣|面陸面過程的對比研究較少。由于復雜多變的下墊面特征，中國陸氣相互作用的過程及其機理十分復雜，需要堅持長期的野外觀測試驗，以獲取相關長時間序列的觀測資料[114]。需要開展復雜條件下湍流通量觀測與分析方法的研究[115]。多數(shù)觀測試驗研究偏重熱力和動力過程，缺少水分過程和生態(tài)生理過程方面的研究。比較系統(tǒng)地專門針對陸面水分過程的觀測試驗研究和理論分析均明顯不足。建立中國乃至亞洲地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水通量觀測網(wǎng)絡是當今發(fā)展的趨勢[116，117]。

3）陸面模式中的核心內(nèi)容是陸面過程參數(shù)化，即對地表過程進行詳細的描述，準確計算各種通量，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)化關系缺乏進一步的應用、檢驗和改進工作[118]。缺少局部地區(qū)觀測結(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，不能應用于大氣數(shù)值模式。今后應該把局部地區(qū)觀測的陸面過程參數(shù)化關系逐步轉(zhuǎn)化到大氣數(shù)值模式的網(wǎng)格尺度上，并用于改進大氣數(shù)值模式的陸面過程參數(shù)化方案。參數(shù)化研究中粗糙度的設定還不完善。

4）陸面模式本身存在著很大的不確定性，即使給各個陸面模式提供相同的參數(shù)設置，并用相同的強迫資料驅(qū)動模式，不同模式對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大[119]。陸面模式受降水、輻射等大氣驅(qū)動資料誤差的影響，模擬的陸面物理量存在偏差。模擬分析較多集中在加強觀測期的幾天到幾周內(nèi)，缺乏對陸面過程的長期模擬。模式參數(shù)的確定、相對準確的大氣近地面信息、對陸面模式性能的長期檢驗是目前陸面模式發(fā)展中的重要方面。

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