北方典型农业生态区陆面过程研究简述

邹旭东+刘海龙+贾庆宇+王笑影+杨洪斌+张云海+汪宏宇+孙凤华

摘要：介绍了关于北方地区的陆面过程观测、模式发展以及陆气相互作用研究方面所取得的主要研究成果。分别从陆面过程观测、陆面过程数值模拟和陆面过程模式中土壤湿度数据同化3个方面，概述了国内开展陆面过程研究的主要内容。指出了陆面过程观测、陆面模式研究中存在的不足以及陆面过程数据同化发展的新途径。分别介绍了在西北干旱区和锦州农田开展的陆面过程观测和数值模拟研究。最后总结了陆面过程研究中存在的问题和未来发展的方向。

关键词：陆面过程；陆气相互作用；西北干旱区；锦州农田

中图分类号：P463.1 文献标识码：A 文章编号：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

陆面过程是包含发生在陆面上所有的物理、化学、生物过程以及这些过程与大气的关系[1]。太阳辐射有近一半的能量被地球表面吸收，辐射能量进而转化为感热和潜热等多种形式的能量，驱动大气环流、维持生命活动，促进水分、二氧化碳等物质在气候系统中循环运动。陆地面积约占全球表面的30%，对于大气与下垫面相互作用过程，陆地比海洋的可变性更大。陆地表面是人类生存的场所，陆地水资源、作物产量、植被的演替及其他物理环境等与人类生存活动息息相关。深入研究陆面过程，发展和完善陆面模式，对陆面过程及地—气交换过程进行合理描述，是改善气候模式对地球气候系统的模拟能力和深入认识地球气候系统变化的物理机制所必须解决的一个根本问题[2，3]。准确计算陆面与大气之间的动量、热量和水分的交换，对于预测全球及区域气候变化趋势、提高天气预报水平、应对极端天气气候事件有重要的科学意义[4]。本研究总结和归纳了国内关于陆面过程的部分研究成果，尝试在此基础上讨论陆面过程研究的几点科学问题和未来发展的方向。由于关于陆面过程研究的内容过于宽泛而且大量。所以，对其中关于西北干旱区和代表典型东北玉米农田的锦州生态观测站开展的研究给出了专门介绍。

1 陆面过程研究主要内容

1.1 陆面过程观测

陆面过程野外观测试验是陆面过程研究的最基础性也最为重要的方面，它是推动陆面过程研究的主要手段。科研人员对生态系统陆面过程中湍流、涡度、CO2、水汽等物质通量感测开展大量观测研究[5-15]。开展了陆面过程中各种关于热量通量觀测的研究工作[16-19]。郭辉等[20]采用Li-8100碳通量自动监测系统观测低质林分土壤碳通量，运用统计分析方法，分析采伐强度对土壤碳通量、土壤温度与湿度的影响。刘越等[21]应用ASTER热红外遥感图像，采用PCACA模型以及理论定位算法，反演了城市地表热通量的相关参数，分析城市下垫面不同土地覆盖类型对地表热通量以及能量平衡的影响，得出了关于城市热岛效应形成的重要机制。刘实等[22]采用静态暗箱-气相色谱法，比较研究东北东部4种典型温带森林土壤表面CO2、CH4和N2O通量在非生长季中的时间动态及其影响因子。李亮等[23]利用2004-2007年中国科学院中国生态系统研究网络（CERN）生态站实测土壤通量、辐射等资料，分析不同土壤类型表层热通量的日变化和季节变化，以及不同土壤类型的热通量与总辐射、净辐射的关系。徐自为等[24]利用土壤热通量等相关观测数据对多种测算土壤热通量的方法进行了对比分析，分析了观测站点土壤热通量日、季节变化特征。大口径闪烁仪和微波辐射计等仪器被应用于研究陆面过程观测中[25-33]。还有一些用其他方式对生态系统特征的研究，例如刘永强[34]计算分析美国大陆干旱指数变化，比较植被类型对干旱强度和频率的影响。蔡福等[35]结合GIS技术、气候倾向率以及突变分析方法对辽宁近50年热量资源相关要素的时空演变特征和突变特征进行分析。陆面过程观测试验研究还存在明显的局限性和不足。观测试验的空间布局还不够合理、完善，还有一些典型地区没有开展过比较综合的观测试验研究，而且一些站点的选址存在一定的问题，区域代表性差。缺少受人类活动影响的陆面过程特征及复杂下垫面和非均匀下垫面陆面过程特征方面的研究。缺少长期的野外观测试验以获取长时间序列的观测资料。观测试验研究偏重热力和动力过程，水分过程和生态生理过程方面的研究相对较少。endprint

1.2 陆面过程数值模拟

陆面过程模式是对陆气之间水分、热量和动量等交换过程进行准确的数学描述。将发生在陆气交界面上的各种物理、化学和生物过程参数化用于数值模拟。在陆面过程研究中CLM和WRF等数值模式有大量应用[36-43]。刘树华等[44，45]发展了陆面过程参数化模式，建立了研究陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式，用于模拟草原下垫面的土壤环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征。华文剑等[46]利用12个模式对20世纪和21世纪陆面能量和水文变量模拟和对比分析，得出全球陆面温度、辐射、热通量、水循环、土壤含水量变化趋势。周剑等[47]将包气带土壤水分传输方程与陆面过程模式（SIB2）相耦合，建立研究分层包气带土壤水分运移、非稳态的地下水位和地表蒸散发之间定量关系的模型。周锁铨等[48]对陆面过程模式（BATS）进行了改进。张晶等[49]参考（BATS）模式，发展了一个陆面过程模式（LPM-ZD）。丁一汇等[50]将陆面过程模式（LPM-ZD）与区域气候模式（RegCM）实现耦合。李红祺等[51]探讨条件非线性最优扰动（CNOP）方法在陆面过程模式（CoLM）的参数优化方面的扩展应用。王建栋等[52]验证了傅里叶幅度敏感性检验方法（EFAST）在陆面过程模式（CoLM）参数敏感性分析方面的可行性。目前陆面模式研究中缺少局地观测结果有效转化为数值模式网格尺度上的参数化方案，不能应用于大气数值模式，这是需要解决的问题。

1.3 陆面过程模式中基于数据同化的土壤湿度优化

土壤湿度是描述植被生长、陆面和大气之间能量交换的关键参数，土壤湿度通过影响下垫面与大气之间的水分通量、感热通量和潜热通量对生态系统的能量平衡和碳循环过程产生影响。当生态模型扩展到较大的空间尺度上时，生态过程模型参数的时间和空间变异性增大，土壤参数体现得尤其明显。在区域尺度对土壤参数随着空间变异进行校正需要大量的实地观测数据，此种方法难以实现。造成模型对土壤湿度的估计不够准确，计算误差随着时间累计，估计值越来越偏离真实值。数据同化方法将机理模型与土壤水分观测资料进行融合，利用前一时刻的模型预报值调整和校正下一时刻模型状态变量预报值，可不断提高模型的模拟精度[53]。目前用到的数据同化方法主要有最优插值法、三维变分法、四维变分法、Kalman滤波和EnKF等。其中，EnKF同化方法在陆面系统模型同化系统中应用更广泛。中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和兰州大学合作，基于EnKF和SiB2模型的单点土壤湿度同化系统，研发了中国西部陆面数据同化系统[54-56]。Walker等[57]将遥感反演的生态物理参数同化到陆面模式中，能够提高整层土壤水分的模拟。师春香等[58]基于EnKF和陆面过程模型研发了中国区域陆面土壤湿度同化系统。Tian等[59-62]、张生雷等[63]对土壤湿度同化方案的建立和发展进行了不断的探索。贾炳浩等[64]发展了能够直接同化微波亮温的土壤湿度同化方案。李新等[65]采用集合Kalman滤波，使用CoLM和SiB2等陆面过程模型，采用微波辐射传输模型，初步建立了中国陆面数据同化系统。国内外研究人员利用卫星提供的遥感影像，基于可见光、近红外等遥感资料建立了大量的检测土壤湿度的遥感反演方法。随着遥感技术的日益成熟，利用遥感手段对区域性土壤水分监测已被普遍采纳。随着遥感反演技术的进步，遥感反演的土壤湿度精度越来越高，为利用同化方法进行区域土壤湿度优化提供了可靠的观测数据。

2 西北干旱区陆面过程研究

在中国，干旱和半干旱地区占有较高比率，约达40%。中国西北干旱区戈壁沙漠面积广泛，年均降水量多在200 mm以下。由于下垫面干燥、生态环境脆弱，陆面过程以及人类活动对整个区域的生态、气候和土壤特性的影响明显比其他地区显著。该地区的陆面过程无疑对中国季风环流和西北干旱气候的形成有着深刻的影响。国内关于西北干旱区及青藏高原生态系统陆面过程观测和数值模拟已有大量的研究。从20世纪80年代中期开始，中国科学院兰州高原大气物理研究所（现并入中国科学院西北生态环境资源研究院）主持进行了大量西北干旱区及青藏高原地区陆面过程观测研究项目[66]。张强等[67，68]讨论了黄土高原陆面过程野外科学试验研究项目的有关科学技术问题，并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。王维真等[16]在黑河上中游地区选取草地、森林及农田3种下垫面的观测资料，分析了水、热和CO2通量特征。岳平等[17]利用兰州大学半干旱气候与环境观测站的湍流、辐射、土壤温度和通量梯度观测资料，分析了地表能量通量的日变化、季节变化及能量分配特征，讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响。王学佳等[18]利用NCEP/NCAR地面感热通量再分析格点资料，分析了青藏高原地区地面感热通量的基本气候特征、年际与年代际变化及其空间分布，采用滑动t检验和小波分析研究了高原年平均感热通量变化的突变特征。徐冰鑫等[69]选择腾格里沙漠东南缘天然植被区由藻类、藓类以及二者混生的覆盖土壤为研究对象，以增温方式模拟全球变暖，采用静态箱-气相色谱法探究了增温和不增温处理下CO2、CH4和N2O通量的变化特征。胡宜刚等[70]在腾格里沙漠东南缘沙坡头地区不同时期建植的人工植被固沙区，采用静态箱-气相色谱法研究了不同类型和不同演替阶段生物结皮覆盖的土壤CO2、CH4和N2O的通量特征。周琪等[71]利用通量贡献区模型对位于古尔班通古特沙漠试验场通量观测资料的空间代表性进行了初步分析。陈爱军等[72]应用青藏高原3个站点的地表反照率观测结果，对比分析了GLASS地表反照率产品的精度。闵文彬等[73]利用青藏高原东侧理塘大气边界层观测站的热红外测温仪和长波辐射表的实测数据，分析了实测地表温度的精度及其影响因子，评估了MODIS地表温度产品。王澄海等[74]运用改进的陆面过程模式CoLM，对青藏高原西部的陆面特征进行了模拟研究。罗立辉等[75]将WRF气候模型的模拟结果作为驱动陆面过程模式CLM的面上强迫场数据来对青藏高原陆面能量特征进行模拟研究。韩松俊等[76]建立了绿洲水热耦合平衡模型，分析中国塔里木盆地沙漠绿洲的水资源转化消耗规律。李燕等[77]利用陆面过程模式CoLM，选取青藏高原上3个不同下垫面观测站的观测资料，进行了单点数值模拟试验。郑辉等[78]利用巴丹吉林沙漠观测资料，分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数，建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式。李火青等[79]利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测站的土壤温度、湿度和土壤热通量观测资料，定量分析了沙漠土壤热扩散率、温度、热通量的变化规律。用谐波法、振幅法、相位法和热传导对流法计算了沙漠土壤的热扩散率、土壤温度、土壤热通量，将计算值和观测值进行了比较。张芬等[80]利用张掖非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验数据，结合同步观测的航空和卫星遥感图像，分析了绿洲-荒漠区域近地层气象要素、辐射和能量收支特征。李茂善等[81]利用中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站大气湍流观测资料，应用Footprint模型分析了青藏高原非均匀下垫面湍流观测数据的数据质量、质量评价及不同下垫面对湍流通量的贡献。曾剑等[82]采用中国干旱—半干旱区实验观测协同与集成研究资料分析了西北干旱区、黄土高原区和东北冷区陆面热量平衡和辐射平衡日变化的区域差异。缪育聪等[19]利用甘肃金塔绿洲中部观测的土壤温度、湿度和通量资料，分析了观测期间土壤温度、湿度和通量特征。采用振幅法、相位法、諧波法和热传导对流法计算了土壤热扩散率，对计算值和观测值进行了比较。王玉辉等[83]利用亚洲中部干旱区3个站点的涡度相关资料，分析了亚洲中部干旱区荒漠与草地生态系统能量、水汽和CO2通量的日变化及季节变化特征，探究了水汽和CO2通量对主要环境因子的响应。左金清等[84]对比分析了地表土壤热通量的3种计算方法和3种不同方法的计算结果对地表能量平衡的影响。在干旱区陆面过程研究中，存在着观测试验的代表性、复杂下垫面、陆面模式和大气模式相结合的尺度转化、地标能量不平衡、陆面水分过程的复杂性等各种科学问题有待持续探索，这些问题在所有的陆面过程研究中都是存在的。endprint

3 锦州玉米农田生态研究基地相关研究综述

辽宁省锦州市中国气象局沈阳大气环境研究所锦州农田生态系统野外观测站（以下简称锦州生态站）位于121°12′E，41°49′N，海拔17.0 m。该地区属温带季风型大陆性气候，四季分明，常年温差较大，最高气温35 ℃，最低气温-29.9 ℃，全年平均气温7.8～11.0 ℃，年平均降水量为550～630 mm，年蒸发量1 000～1 186 mm。无霜期约180 d，主要农作物为玉米。锦州生态站对典型玉米生态系统的小气候、大气环境、水环境、土壤和生物状况等进行长期综合观测。获得了东北地区玉米典型下垫面，包括气象要素、热通量、水分交换、土壤参数、生物生长状况等比较全面的多元综合数据集。现在关于锦州观测站陆面过程有大量的观测试验和数值模拟研究。蔡福等[85]利用锦州生态站动态连续的通量、气象及生物因子观测数据，分析了BATS1e陆面模型对动态的粗糙度（Z0）、叶面积指数（LAI）、植被覆盖度（FVEG）及反照率（α）变化的敏感性。利用锦州玉米农田生态系统野外观测站动态连续的通量、气象及生物因子观测数据对玉米植株高度、叶面积指数（LAI）、粗糙度（Z0）、表层土壤湿度（SWC）、反照率的动态变化及其相互关系进行了分析[86]。利用2006-2008年锦州生态站的通量、气象及生物因子观测资料研究了地表反照率（α）的动态参数化方案[87]。利用地表反照率α动态参数化方案对BATS1e模型进行改进，基于玉米农田生态系统的通量、气象及生物因子的连续观测资料，研究了α动态参数化对玉米农田生态系统与大气间通量交换的影响[88]。分析了锦州玉米农田生态系统生长季内的粗糙度（z0）和零平面位移（d）动态特征及其与风速、株高（h）和叶面积指数（LAI）的关系[89]。基于锦州玉米农田生态系统的通量、气象及生物因子连续观测，利用所建立的考虑玉米不同发育期叶面积指数、冠层高度和风速的地表粗糙度（z0）和零平面位移（d）动态参数化方案对 BATS1e陆面模型进行改进，研究了空气动力学参数变化对玉米田陆—气通量模拟的影响[90]。利用2008年锦州玉米农田生态系统野外观测站资料对CoLM与BATS1e模型模拟能力进行定量评价[91]。基于锦州农田生态系统的通量、气象及生物因子连续观测，分析了玉米农叶面积指数、植被覆盖度、平均叶倾角、叶片反射率和透射率动态变化规律及各因子间的关系，对CoLM模型辐射传输参数进行优化，并对模型优化效果进行定量评价[92]。利用锦州生态观测站资料，基于CoLM模型对玉米根分布在陆—气水热通量模拟中的影响进行了研究[93]。韩广轩等[94-97]基于锦州农田玉米生长季土壤呼吸作用及其影响因子的动态观测资料，分析了玉米地土壤呼吸作用的日和季动态及其对土壤温度和生物因子协同作用的响应；分析了水热因子、土壤性质、根系生物量及其测定位置对土壤呼吸作用空间异质性的影响，并对生长季中根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例进行了估算；分析了水热因子、土壤性质、生物量及叶面积指数（LAI）对土壤呼吸的影响；对玉米农田生态系统的土壤呼吸作用进行了连续观测，建立土壤呼吸速率与玉米根系生物量的回归方程，对土壤异养呼吸作用占土壤呼吸作用的比例进行间接估算。孙敬松等[98，99]利用锦州玉米农田土壤呼吸作用的观测资料分析太阳辐射对土壤呼吸作用的影响；以玉米农田生态系统为例，阐明了生态系统的环境因子和生物因子在不同生长季对直角双曲线模型中参数值的影响。赵先丽等[100]研究春玉米在8种供水处理条件下的玉米出苗率及玉米根系和叶片对水分胁迫的响应。王宇等[101]基于玉米农田生态系统整个生长季的涡度相关通量资料，对蒸散的日、季动态进行分析，建立了半小时尺度的作物系数（K指数）模型。张峰等[102]基于观测数据，开展了玉米农田生态系统冠层光合能力（最大光合速率）与光合效率（净CO2通量交换/吸收光合有效辐射；总初级生产力/吸收光合有效辐射；表观量子效率）参数的多光谱遥感反演能力评估研究。梁涛等[103]利用锦州生态观测站涡动相关系统通量观测资料，分析了玉米农田生态系统生长季及非生长季CO2通量动态变化。李祎君等[104]基于玉米农田涡度相关系统近2年的水热通量观测数据，分析了玉米农田水热通量的日际、年际变化特征及其能量平衡状况。米娜等[105]应用基于生理生态学过程的EALCO模型，对玉米农田生态系统的蒸散过程进行了模拟，在模型检验基础上，使用该模型模拟了玉米农田生态系统蒸散过程对未来气候变化的响应。麻雪艳等[106-108]结合已经建立的玉米叶面积指数动态普适模型，探讨了准确模拟玉米叶面积指数动态所需的最适野外观测资料，提出了春玉米叶面积指数达到最大时的积温指标，采用修正的Logistic方程构建了春玉米相对叶面积指数动态普适模型，构建了玉米光合产物分配模型，与WOFOST模型的CO2同化模块相结合，实现了对玉米各器官生物量动态的逐日模拟。李荣平等[109]利用连续3年玉米农田生态系统非生长季的涡度相关系统测量数据，分析土壤呼吸值与土壤温度、土壤体积含水量的相关关系，通过耦合土壤温度和土壤含水量得到土壤呼吸模拟模型。吕国红等[110]基于东北地区玉米生态系统土壤呼吸的观测数据，阐明了玉米常规密度种植和低密度种植土壤呼吸的日变化特征及其空间差异性，分析了温（湿）度对土壤呼吸的影响。祁红彦等[111]对玉米冠层光合有效辐射的垂直分布特征及其影响因子进行了分析。平晓燕等[112]发展了基于施肥、土壤溫度和土壤有效水分系数的玉米农田土壤有效养分系数模型，建立了基于功能平衡假说的日尺度的玉米光合产物的分配模型。关于锦州农田生态站开展的研究更多是侧重于单点植被生态系统碳水热循环特征，利用陆面模式进行数值模拟试验等。现在东北地区生态系统野外观测台站数量较少，开展的观测试验具有明显的局限性。缺少更长时间、更大空间、多时间尺度和多空间尺度的集成分析[113]。

4 存在的问题和未来发展方向endprint

1）陆面过程观测试验研究还存在明显的局限性和不足。虽然已经在青藏高原、极端干旱地区、东北农田等典型区域开展了一系列观测试验。但是，陆面过程观测试验的空间布局还不够合理、完善，还有一些典型地区没有开展过比较综合的观测试验研究，而且一些站点的选址存在一定的问题，区域代表性差。尽管建立了不少站点和获取了不少的资料，但是由于缺乏共享的机制和作风保守，很多资料都不能合理应用，开展大尺度的陆面过程研究比较困难。陆面过程特征研究缺乏系统的比较，缺乏对不同气候区的陆面过程特征差异研究。

2）缺乏受人类活动影响的陆面过程特征及复杂下垫面和非均匀下垫面陆面过程特征方面的研究。缺乏不同天气陆面过程特征的系统性研究。缺少对长时间陆面过程的气候特征研究和区域对比。对于同类下垫面陆面过程的区域对比以及多下垫面陆面过程的对比研究较少。由于复杂多变的下垫面特征，中国陆气相互作用的过程及其机理十分复杂，需要坚持长期的野外观测试验，以获取相关长时间序列的观测资料[114]。需要开展复杂条件下湍流通量观测与分析方法的研究[115]。多数观测试验研究偏重热力和动力过程，缺少水分过程和生态生理过程方面的研究。比较系统地专门针对陆面水分过程的观测试验研究和理论分析均明显不足。建立中国乃至亚洲地区陆地生态系统碳水通量观测网络是当今发展的趋势[116，117]。

3）陆面模式中的核心内容是陆面过程参数化，即对地表过程进行详细的描述，准确计算各种通量，为大气模式提供合理的下边界条件。以往的研究中很多局部地区参数化关系缺乏进一步的应用、检验和改进工作[118]。缺少局部地区观测结果有效转化为数值模式网格尺度上的参数化方案，不能应用于大气数值模式。今后应该把局部地区观测的陆面过程参数化关系逐步转化到大气数值模式的网格尺度上，并用于改进大气数值模式的陆面过程参数化方案。参数化研究中粗糙度的设定还不完善。

4）陆面模式本身存在着很大的不确定性，即使给各个陆面模式提供相同的参数设置，并用相同的强迫资料驱动模式，不同模式对地表通量的模拟依然存在着很大的不确定性，由此引起的通量输送的偏差相当大[119]。陆面模式受降水、辐射等大气驱动资料误差的影响，模拟的陆面物理量存在偏差。模拟分析较多集中在加强观测期的几天到几周内，缺乏对陆面过程的长期模拟。模式参数的确定、相对准确的大气近地面信息、对陆面模式性能的长期检验是目前陆面模式发展中的重要方面。

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