岭南地区典型再生常绿阔叶林下垫面陆气相互作用特征研究

Zhuhai’s tower station for interaction and CO2 flux between land and atmosphere has been built since November 2014. The tower is 60 meters high and has flux, radiation and meteorologic observation system. The underlying surface type is the evergreen broad-leaf forest which represents the typical secondary forest around cities and villages in the south of The Five Ridges in the south subtropical zone. By using the observation data from this tower station, we will analyze the variations of the total solar and spectral radiations over the forest canopy, the variations of their reflection radiations and albedos. The parameterization of albedos will be investigated. The characteristics of the upward, downward long-wave and net radiation will be researched. The transportations of the sensible, latent heat and CO2 fluxes between the forest and atmosphere will be analyzed. The variations and the Monin-Obukhov similarity functions of wind, air temperature and relative humidity will be investigated. We will also analyze the differences of the fluxes between 55m and 32.5m layers, investigate the causes and parameterize the fluxes. The land surface parameters as aerodynamic roughness length, zero-placement, momentum and sensible aerodynamic impedance and their impact factors will be analyzed. By using the land surface model with better land surface parameters and parameterizations, the exchanges of energy and material between the forest canopy and atmosphere will be simulated.

珠海陆气相互作用与碳通量观测塔建成于2014年11月，距地60m高，有通量、辐射和气象3套观测系统，下垫面是岭南地区典型再生常绿阔叶林。本项目利用该观测塔的资料，分析到达森林冠层表面太阳总辐射、分光辐射以及森林冠层对它们的反射辐射、反照率的变化特征，研究反照率的参数化方案，调查天空向下长波和冠层向上长波以及净辐射的变化特征; 分析森林和大气间感热通量、潜热通量和二氧化碳通量的变化特征，分析冠层内部和冠层上部各层风速、气温和比湿及其垂直廓线的变化特征，分析55m和32.5m两层高度观测的通量的差异及其与气象要素的关系；分析冠层表面空气动力粗糙度、位移高度，动力和热力阻抗等陆面过程参数及其影响因子，研究感热、潜热通量与二氧化碳通量的参数化方法；将获得的参数和参数化方案引入陆面过程模型中，对森林冠层和大气间的能量和物质交换进行模拟分析和比较。

利用珠海凤凰山常绿阔叶林下垫面陆气相互作用观测塔站的数据，进行了干季和湿季气象要素的对比分析，发现干季和湿季的夜晚都出现负感热现象，完成了动量和感热交换系数的参数化研究。进行了下垫面太阳总辐射和分光辐射、长波辐射、冠层表面反照率特征分析，典型晴天时太阳辐射日变化均呈常规的“正弦曲线”形式；近红外辐射、可见光和紫外辐射能量占总辐射能量的平均比例分别为51.2%、43.0%和5.8%；秋冬两季总辐射反照率明显高于春夏两季，近红外辐射、可见光和紫外辐射的平均反照率依次为0.195、0.034和0.024。进行了岭南两类森林下垫面陆气相互作用特征的比较研究，发现典型次生常绿阔叶林的固碳能力比丘陵灌木林的固碳能力更强。分析了珠海常绿阔叶林林下土壤温湿及其热通量的变化特征，森林地表温度变化相比于冠层温度变化略有滞后；土壤热通量峰值滞后于冠层净辐射约5个小时。计算了动量、热量的相似性函数和大气稳定度，新拟合了通量廓线公式，较好地模拟了感热。进行了陆面模式辐射与反照率参数化改进研究，改进了陆面过程模型模式对珠海常绿阔叶林地表辐射的模拟水平，太阳高度角与相对湿度是对反照率影响较大的两个变量，分析得到了加法形式与乘法形式的两种新的反照率参数化方案，引入CLM5.0模式中，发现加法形式与乘法形式的新反照率参数化方案可以明显提高模式对反射太阳辐射以及净辐射的模拟能力。分析了珠海凤凰山常绿阔叶林CO2通量与光合有效辐射及气象因子的关系，进行了珠海凤凰山常绿阔叶林净生态系统碳交换量（NEE）的参数化研究，检验和改进了CLM模型对冠层CO2通量的模拟能力，冠层附近饱和水汽压差和空气温度对CO2通量的变化产生了较大影响，用这两个因子修正的Michaelis–Menten模型可以更好模拟昼间森林-大气间的碳通量交换；建立了两种改进模拟NEE的方案，光合合作用改进方案仅在半小时尺度上明显优于CLM 5.0的原始NEE模拟结果，在不同时间尺度上，通量-廓线关系改进方案都表现出了更好的模拟能力。