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区域大气辐射变化及其对地表植被生产力的定量影响研究

王伦澈  
【摘要】:陆地生态系统是人类赖以生存与持续发展的基础,全球气候变化正逐渐改变陆地生态系统固有的自然过程,极大地影响着地-气系统能量、动量和物质的迁移和传输。地表植被吸收太阳辐射进行光合作用将太阳能转化为化学能,促进地球生物圈与大气圈之间的物质和能量循环。在此过程中,气溶胶通过直接和间接辐射强迫效应改变地气系统的能量平衡,对不同性质的辐射量进行重新分配并影响着光合作用过程,对地表植被生态系统的分布格局、过程及其功能造成极大的不确定性,直接或者间接地改变着陆地植被生产力时空分布格局。近年来,气溶胶的增加对气候变化和陆地植被生态系统的影响越来越受到国际科学界的广泛关注。随着中国经济的快速发展,不断增加的消耗需求和人为污染排放迅速增长,中国地区已经成为引起全球气溶胶辐射强迫和气候效应不确定性的主要区域之一,引起区域陆地生态系统碳循环原有的平衡状态被破坏,进而影响到全球陆地生态系统的碳收支(碳源或碳汇)格局。为了科学地认识与评估全球气候变化的影响、适应与减缓措施,迫切需要开展陆地生态系统-大气过程的综合研究,探索植被生产力与大气之间的物质与能量交换、相互作用与反馈机理。本文针对气溶胶-辐射-植被生产力的空间观测及其相互作用,初步开展了区域尺度的太阳辐射成分(光合有效辐射、紫外辐射和总辐射等)观测、模拟及长期变化分析。定量分析了武汉地区气溶胶光学特性和直接辐射强迫效应,对区域植被生产力模型进行了定标、优化和参数敏感性评价。并围绕区域植被生产力与气象因素之间的相互作用和反馈机制进行了定量说明。主要研究内容如下:1)基于实测辐射数据,分析了武汉地区光合有效辐射和紫外辐射等辐射通量昼夜、季节变化特征及其与总辐射的关系,结果显示:光合有效辐射年平均值为22.39±11.11molm-2 d-1,最大值出现在7月,最小值出现在1月,分别为37.77 mol m2 d-1和8.39 mol m-2d-1;紫外辐射值在0.21MJ m-2(1月)~0.81 MJ m-2(7月)范围内,年均值为0.49 MJ m-2;气溶胶、云、水汽和辐射路径等因素综合作用使光合有效辐射和紫外辐射成分在总辐射中比例变化显著,如紫外辐射比在1月份最低(3.23+0.1%),在7月份最高(4.46±0.25%)。进一步定量分析了在不同天气状况(阴天、多云和晴空)、不同云量情况下光合有效辐射和紫外辐射变化特征,发现水汽、气溶胶和云对不同波段辐射成分有选择性的吸收/散射作用。2)利用多种大气参数(晴空指数、大气质量、云修正因子等)分别标定和建立了武汉市光合有效辐射和紫外辐射估算模型,并对各种模型进行了精度验证比较和分析,研究发现最佳日尺度光合有效辐射估算模型的相对偏差为4.98%,MBE、MAE和RMSE分别为-0.71%、3.51%和4.57%;最佳日尺度紫外辐射模型相对偏差为5.98%,MBE、MABE和RMSE分别为-0.68%,7.1%和9.87%。利用上述估算模型,结合1961-2011年间每日的总辐射数据等对武汉地区光合有效辐射和紫外辐射数值进行了历史重建,结果显示:1961-2011年间,光合有效辐射日平均值为23.12 mol m-2d-1,且以每十年-11.2 mol m-2的速率减少;紫外辐射平均值为0.488 MJ m-2d-1,减少趋势为每十年-0.018 MJm-2,且在1990年后以每年0.003 MJm-2的速度增长。基于实测数据进一步将上述辐射模型拓展到全国115个气象辐射站,计算了1961-2012年间全国每日光合有效辐射/紫外辐射量大小,并进行了时空特征和成因分析。结果表明:中国地区光合有效辐射日平均值为27.61 mol m-2d-1,自1961年以来以每十年-0.15 mol m-2d-1速率减少,但自90年代以来以每年0.01 mol m-2d-1的速度增长,且空间分布不均;紫外辐射年均日值为0.61 MJ m-2d-1,1961-2012年间按每十年-2.72 KJ m-2d-1速度逐渐减少,但自90年代初开始辐射值以每年0.7KJ m-2d-1速度增长,且季节变化差异较大。3)利用CE318太阳光度计2007-2013年间观测数据,反演了武汉地区气溶胶光学特性参数(如气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数、气溶胶单次散射反照率、气溶胶粒子体积谱分布和复折射指数)。研究发现:年均AOD500nm为1.05±0.66,Angstrom波长指数为1.23±0.27;440nm波段整体/细/粗粒子单次散射反照率分别为0.9±0.05、0.92±0.05和0.73+0.09;气溶胶粒子体积谱呈双峰分布状态,峰值和气溶胶浓度季节变化显著,夏季细模态粒子主要集中在0.19~0.3μm,粗模态粒子主要集中在1.8~3.0μm,春季细模态粒子集中在0.15~0.25 gm;440、670、870和1020 nm波段的复折射指数实部的年平均值分别为1.45±0.07、1.46±0.07、1.47±0.07和1.48±0.07,虚部分别为0.0149±0.0133、0.0302±0.0362、0.0359±0.0402和0.039±0.0412。对上述气溶胶光学参数季节变化特征、相互关系及成因进行了深入分析和比较,发现武汉市气溶胶粒子较小,人类活动排放的细粒子是本地区气溶胶的主要成分;气溶胶单次散射反照率夏季高冬季低,细粒子具有较强的散射能力,春季也有较多的以吸收性为主的粗粒子气溶胶污染物。进一步利用SBDART辐射传输模式计算晴空条件下地表和大气层顶气溶胶直接辐射强迫和直接辐射强迫效率。武汉市直接辐射强迫平均值分别为-133.25±64.05和-20.52±27.57 W m-2,平均辐射强迫效率为179.66±78.76和-25.48±34.30 W m-2,分析了它们的季节变化特征及其与其他地区计算值的差异。4)利用实测碳通量数据标定了不同类型植被生产力模型(VPM、AVM、TG和GR模型),并与MODIS算法进行了比较分析,评价了它们在中国典型陆地生态系统中的适用性及其参数敏感性,说明了影响各种类型植被光合作用的关键因子。研究发现:MOD17与实测数据误差较大,VPM模型精度最高,最适宜在中国陆地生态系统进行植被生产力研究。分析了增强植被指数、光合有效辐射、地表温度、气温和地表水指数在不同的生态系统中对模型精度影响程度。修正了区域植被生产力模型参数,模拟了武汉地区2001-2011年间植被净初级生产力的时空分布特征,发现武汉地区年均植被生产力为500gCm-2a-1,不同类型植被差异巨大。进一步研究了影响本地区植被生产力动态变化的影响因素,结果表明总辐射和降水是决定本地区植被生产力季节变化的最根本因素,降水对植被生长的作用滞后32天,且影响持续64天。


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