陆地生态系统通量观测的原理与方法PDF电子书下载

第1章　全球变化与陆地生态系统碳循环和水循环 1

1.1 引言 2

1.2 全球气候变化与陆地生态系统碳循环和水循环 3

1.2.1　全球变化及其成因 3

1.2.2　全球气候变暖的基本事实 3

1.2.3　全球变暖的成因 4

1.2.4　全球气候变化对生物圈的影响 4

1.2.5　陆地生态系统的碳循环和水循环与管理 5

1.3 陆地生态系统碳循环和水循环研究中的科学问题 6

1.3.1　陆地生态系统碳循环 6

1.3.2　陆地生态系统水循环 7

1.3.3　陆地生态系统的碳水耦合循环 10

1.4 陆地-大气系统的物质和能量交换的观测研究 13

1.4.1 国际通量观测研究网络概况 13

1.4.2　中国通量观测研究状况 13

1.4.3　中国通量观测网络建立的意义 14

引用文献 15

第2章 陆地生态系统能量和物质的交换通量 19

2.1 生态系统的物质循环与能量传输 20

2.1.1 陆地生态系统的概念与分布格局 20

2.1.2　陆地生态系统的能量传输和转化 22

2.1.3　陆地生态系统的物质循环 24

2.2 生态系统物质与能量通量的基本概念 32

2.2.2　辐射通量 33

2.2.3　显热和潜热通量 33

2.2.1 动量通量 33

2.2.4　物质通量 34

2.2.5　H2O通量 34

2.2.6　CO2通量 35

2.3 生态系统生产力与碳通量 35

2.3.1 总初级生产力（GPP） 36

2.3.2　净初级生产力（NPP） 36

2.3.3　净生态系统生产力（NEP） 36

2.3.4　净生物群系生产力（NBP） 37

2.3.5　净生态系统碳交换量（NEE） 37

2.4 生态系统碳通量的生态学测定方法 40

2.4.1　基于生物量变化的估算法 40

2.4.2　基于碳平衡方程的估算法 42

2.4.3　基于碳循环模型的估算法 43

2.4.4　同化箱测定法 44

2.5 生态系统水、碳与能量通量的微气象学测定法 45

2.5.1 H2O和CO2通量微气象学方法概论 45

2.5.2　涡度相关法的特点及其应用 45

2.5.3　拓宽湍涡累积法 46

引用文献 46

第3章　地球大气圈的垂直构造与大气成分 51

3.1 地球的气候系统 52

3.1.1 大气圈 52

3.1.2　生物圈 54

3.1.3　岩石圈与土壤圈 55

3.2.1　地球大气圈的垂直分层现象 56

3.2 大气圈的垂直构造 56

3.1.4　水圈与冰雪圈 56

3.2.2　对流层 57

3.2.3　平流层 59

3.2.4　中间层 60

3.2.5　热层 60

3.2.6　散逸层 61

3.3 地球大气成分及其进化 61

3.3.1　地球大气圈的成分 61

3.3.2　行星和第一次原始大气 62

3.3.3　第二次原始大气的生成与进化 62

3.3.4　地球大气中氧的生成与进化 64

3.4.2　大气中臭氧生成与分解的化学过程 66

3.4.1 大气的臭氧与臭氧层 66

3.4 大气层臭氧的生成与分解 66

3.4.3　环境污染对大气臭氧层的影响 67

3.5 大气中的CO2、CH4和N2O的浓度变化 69

3.5.1　二氧化碳 69

3.5.2　甲烷 71

3.5.3　氧化亚氮 71

3.6 大气圈的气象要素 73

3.6.1 空气温度 73

3.6.2　空气压力 73

3.6.3　空气湿度 73

3.6.4　风速与风向 74

3.6.5　能见度、云与降水 74

引用文献 75

第4章 大气圈的辐射传输与地表辐射平衡 77

4.1 辐射的基本概念与定义 78

4.1.1　辐射的物理特性 78

4.1.2　辐射与辐射能 80

4.1.3　物体对辐射能的吸收、反射和透射 81

4.1.4　物体的辐射源函数 81

4.1.5　物体辐射的基本定律 82

4.2 太阳辐射和地球辐射 83

4.2.1　太阳辐射和地球辐射的特征 83

4.2.2　太阳辐射在大气上界的分布 86

4.2.3　太阳辐射在大气中的衰减 88

4.3.1　大气圈的辐射平衡 90

4.3 大气圈的辐射平衡 90

4.3.2　辐射平衡与时间常数 91

4.4 大气中辐射传输的基本法则 92

4.4.1 比尔-伯戈-兰伯特法则 93

4.4.2　施瓦兹希尔方程和灰色大气的辐射传输方程 93

4.4.3　辐射平衡解 93

4.5 辐射传输对大气温度的影响 94

4.5.1 大气层的辐射平衡温度与气温分布 94

4.5.2　辐射吸收的温室效应 96

4.5.3　辐射冷却效应 97

4.6 陆地表面的辐射平衡 99

4.6.1　地表的太阳辐射平衡 99

4.6.2　地表接受的光合有效辐射 104

4.6.3　地表的长波辐射平衡 105

4.6.4　地表的辐射能量平衡 108

4.7 植物群落对地表辐射平衡的影响 109

4.7.1 植物叶片的光反射率、透射率与吸收率 109

4.7.2　植物群落的光反射率、透射率与吸收率 111

4.7.3　植被指数、叶面积指数与植被光合作用的关系 111

4.8 全球的能量平衡 114

4.8.1　地面的热量平衡 114

4.8.2　全球的热量平衡模式 115

引用文献 116

第5章 近地边界层特征与空气运动基本方程 119

5.1.1　大气边界层的概念 120

5.1 大气边界层的概念及其特征 120

5.1.2　大气边界层的构造特征 121

5.1.3　近地边界层的动力学特征 123

5.2　边界层空气的状态方程 123

5.2.1　理想气体的状态方程 124

5.2.2　干空气的状态方程 124

5.2.3　湿空气的状态方程 124

5.3 边界层空气的运动方程 125

5.3.1　连续方程（质量守恒方程） 126

5.3.2　动量守恒方程 128

5.3.3　能量守恒方程 130

5.4.2　热量守恒方程 132

5.4.3　水汽守恒方程 132

5.4 标量、热量与水汽的守恒方程 132

5.4.1　标量守恒方程 132

5.5 空气动力学方程的简化、近似和尺度理论 133

5.5.1　状态方程 133

5.5.2　连续方程（质量守恒方程） 133

5.5.3　平均运动方程——雷诺方程（动量守恒，牛顿第二定律） 134

引用文献 135

附录 矢量分析、张量简介 135

第6章 近地边界层湍流运动特征与扩散通量 139

6.1 边界层的湍流现象及其作用 140

6.1.1 湍流现象 140

6.1.2　湍流的作用 141

6.1.3　湍流的发生、发展和维持 141

6.2.1　湍流描述的基本思想 143

6.2　湍流物理量的定量描述 143

6.2.2　湍流谱 144

6.2.3　湍流输送与涡度相关 146

6.3 边界层湍流研究的理论基础 147

6.3.1　π定理与莫宁-奥布霍夫相似理论 148

6.3.2　湍流的半经验理论 150

6.3.3　基于K理论的扩散通量 152

6.4　湍流动能和稳定度 153

6.4.1　湍流动能收支方程 153

6.4.2　稳定度的概念 155

6.4.3　理查孙数 156

6.4.4　综合稳定度表 157

6.5.1　风速垂直分布的对数法则 158

6.5.2　空气动力学粗糙度 158

6.5 植被冠层对近地边界层湍流的影响 158

6.5.3　植被冠层对风速分布的影响 159

6.5.4　植被冠层内的风速分布 161

6.5.5　植被冠层对温度、湿度和CO2浓度垂直分布的影响 162

引用文献 163

第7章 基于空气动力学和热平衡的通量观测 165

7.1 湍流运动的物质和热量输送 167

7.1.1　物质和热量输送过程 167

7.1.2　物质和热量输送通量 169

7.2　梯度法的原理及其应用 169

7.2.1　梯度法的基本原理 169

7.2.2　莫宁-奥布霍夫相似理论在梯度法中的应用 172

7.2.3　梯度法的通量计算 174

7.2.4　梯度法的局限性及其改良 175

7.2.5　梯度法通量观测仪器的设置、检验及结果修正 177

7.3 整体法的原理及其应用 178

7.3.1　整体法测定原理 178

7.3.2　整体法测定通量的方法及注意事项 178

7.4 热量平衡法的原理及其应用 179

7.4.1　热量平衡方程 179

7.4.2　波文比法 180

7.4.3　彭曼法 181

7.5　拓宽湍涡累积法的原理及其应用 183

7.5.1 拓宽湍涡累积法的原理 183

7.5.2　拓宽湍涡累积法测定通量的传感器和采样器 183

7.5.3　实验常数的确定 184

引用文献 186

第8章　涡度相关技术的原理及其通量观测 189

8.1 涡度相关通量观测的基本原理 190

8.1.1　涡度相关技术的发展过程 190

8.1.2　生态系统CO2通量的概念 192

8.1.3　通量观测的基本假设 193

8.1.4　物质守恒方程及影响CO2通量的各种效应 194

8.2 通量观测系统及其仪器配置 198

8.2.1　观测系统及其基本要求 198

8.2.2　大气要素观测系统 200

8.2.3　土壤要素观测系统 202

8.2.4　植物要素观测系统 203

8.2.5　观测场的选择与器材设置 204

8.3.1　风速脉动测定 205

8.3 湍流变化与涡度通量的测定及其关键设备 205

8.3.2　CO2和水汽浓度与脉动测定 206

8.3.3　温度脉动测定 209

8.3.4　湿度脉动测定 209

8.3.5　通量测定的开路与闭路系统 210

8.4　通量数据的采集、计算与校正 212

8.4.1　数据采集装置与方法 212

8.4.2　数据处理、结果计算和校正的一般流程 214

8.4.3 通量计算要求的采样频率与平均长度 214

8.4.4　数据趋势去除运算 216

8.4.5　坐标轴旋转 218

8.4.6　WPL校正 222

8.5.1　原始数据分析 223

8.4.7　频率响应校正 223

8.5　通量数据质量的分析与评价 223

8.5.2　湍流的稳态测试 224

8.5.3　大气湍流谱分析 226

8.5.4　大气湍流统计特性分析 228

8.5.5　能量平衡闭合评价 228

8.6 闭路系统通量观测与数据处理 229

8.6.1 开路和闭路系统观测和数据处 229

理过程的差异 229

8.6.2　闭路系统的WPL校正 230

8.6.3　频率衰减校正 232

8.6.4　延迟时间校正 233

引用文献 234

第9章　涡度相关通量观测中的若干理论和技术问题 239

9.1 复杂条件下净生态系统交换量的评价 240

9.1.1 涡度相关技术测定的优点及存在的问题 240

9.1.2　复杂条件下净生态系统交换量评价的不确定性 241

9.2 平均周期、坐标系统与低频湍流传输对通量的影响 243

9.2.1 通量观测的平均周期与坐标系统 243

9.2.2　低频湍流传输对通量的影响 244

9.2.3 通量计算的平均周期对低频传输通量贡献的影响 245

9.3 非理想观测条件下的夜间通量评价 248

9.3.1　非理想条件下的通量评价 248

9.3.2　夜间通量低估的原因 250

9.3.3 夜间通量观测值的校正方法 251

9.4.1　缺失数据插补的必要性 255

9.4　缺失数据的插补 255

9.4.3 半经验方法 256

9.4.2 平均昼夜变化法 256

9.4.4　人工神经网络法 258

9.4.5　数据插补策略对年累积通量的影响 261

9.5 观测系统的误差与不确定性来源 261

9.5.1　误差类型、成因与特征 261

9.5.2　通量测定中不确定性的主要来源 263

9.6　观测系统的能量平衡闭合程度评价 265

9.6.1 能量平衡闭合程度在数据质量评价中的作用 265

9.6.2　能量平衡不闭合状况的变化特征 266

9.6.3　能量平衡不闭合的主要原因 267

9.7.2　通量贡献区概念及其评价模型 269

9.7 通量贡献区与净生态系统CO2交换量评价 269

9.7.1 通量贡献区与净生态系统CO2交换量 269

9.7.3 观测高度、空气动力学粗糙度与大气稳定度对通量贡献区的影响 270

9.7.4　冠层上部与下部通量贡献区的评价 272

9.7.5　通量贡献区评价的研究重点 272

9.8 通量观测在估算区域碳平衡中的应用 273

9.8.1 站点通量观测数据在估算区域碳平衡中的作用 273

9.8.2　站点通量观测与过程模型模拟的结合 274

9.8.3　站点通量观测与遥感观测的结合 275

引用文献 277

第10章　稳定性同位素技术在通量观测中的应用 285

10.1.1　同位素技术的应用 286

10.1 同位素技术的基本概况 286

10.1.2　同位素的基本概念 287

10.2　生态系统碳和水交换过程中的稳定性同位素分馏效应 289

10.2.1 光合和呼吸作用过程对稳定性碳同位素的分馏效应 289

10.2.2 生态系统光合和呼吸过程对氧同位素的分馏效应 293

10.2.3 生态系统蒸散过程中氢、氧同位素的分馏效应 294

10.2.4　植物13C同位素组成与植物的水分利用效率 295

10.3 生态系统碳水通量中不同组分的分离 295

10.3.1 稳定同位素通量的组成和来源 295

10.3.2　生态系统呼吸的同位素特征和Keeling图技术 296

10.3.3　净生态系统碳交换量中光合和呼吸通量的区分 296

10.3.4　植物蒸腾和土壤蒸发的区分 298

10.4 应用稳定同位素技术的通量测定方法 299

10.4.1　涡度相关-气瓶采样-质谱 299

仪法 299

10.4.2　拓宽湍涡累积-质谱仪法 300

10.4.3　调制式半导体激光吸收光谱测定法 300

10.4.4　通量测定过程中应注意的问题 303

引用文献 303

第11章 陆地生态系统的碳循环与碳通量评价模型 307

11.1 陆地生态系统的碳循环与碳通量 309

11.1.1　碳循环过程概述 309

11.1.2　植被-大气间的碳交换过程 309

11.1.3　土壤-大气间的碳交换通量 311

11.2.1 光合作用的生物化学机理模型 312

11.2　植被光合作用的环境响应与过程机理模型 312

11.2.2　光合作用的光响应 313

11.2.3　光合作用的温度响应 314

11.2.4　光合作用的水分响应 315

11.3 土壤呼吸的环境响应与过程机理模型 316

11.3.1 全球变化对土壤呼吸的影响 316

11.3.2 土壤呼吸对温度变化的响应及其模拟 317

11.3.3 土壤呼吸对土壤水分变化的响应及其模拟 321

11.3.4　土壤呼吸模拟模型存在的问题 323

11.4 陆地生态系统碳循环和碳交换量的评价模型概要 324

11.4.1　生态系统碳循环模型概要 324

11.4.2　生态系统与气候系统相互作用模型的发展 325

11.4.3　我国生态系统碳循环和碳通量模型研究进展 326

11.5.1　基于气孔行为的光合-蒸腾耦合模型 327

11.5 生态系统尺度的通量模型 327

11.5.2　土壤-植物-大气系统的通量模型 331

11.5.3　景观尺度的过程模型 334

11.6 区域尺度生态系统碳交换的过程模型 335

11.6.1 区域尺度生态系统的碳交换量评价过程模型 335

11.6.2 CEVSA模型 336

11.6.3 InTEC模型 339

11.7 大尺度碳通量评价的过程-遥感模型 342

11.7.1 GLO-PEM模型 342

11.7.2 SiB2模型 343

11.7.3 CASA模型 345

引用文献 348

第12章 陆地生态系统水的特性与水热通量评价模型 359

12.1.1　水的生态学意义 361

12.1 水的概念及性质 361

12.1.2　水的化学结构 362

12.1.3　水的物理和化学特性 363

12.1.4 自然界水溶液的化学组成 365

12.1.5　水的能量状态 365

12.2 水的相变与水循环 366

12.2.1　水的状态与相变 366

12.2.2　水的凝结 367

12.2.3　地球的水资源与水循环 368

12.3 陆地生态系统的蒸散通量评价模型 370

12.3.1 陆地生态系统植被冠层类型 370

12.3.2　单涌源模型 372

12.3.3　双涌源模型 374

12.3.4　多涌源模型 375

12.3.5　数值模拟模型 377

12.4　植被的表面阻力 377

12.4.1　植被表面阻力的各种表现 377

12.4.2　植被总气孔阻力和单叶气孔阻力的关系 378

12.4.3　植被总气孔导度的测定方法 378

12.4.4　植被总气孔导度的推测方法 379

12.5 蒸散模型中其他各种阻力的估算方法 380

12.5.1 封闭冠层的空气动力学阻力 380

12.5.2　疏松冠层的空气动力学阻力 380

12.5.3　土壤表面阻力 381

引用文献 382

12.5.4　植被总叶面边界层阻力 382

第13章　全球陆地生态系统的通量观测及其实例 387

13.1 全球陆地生态系统通量观测概况 388

13.1.1　通量观测网络的发展概况 388

13.1.2　通量观测站分布不均衡的原因及未来发展方向 390

13.2 全球农田生态系统通量观测 391

13.2.1　农田生态系统在全球碳蓄积中的作用 391

13.2.2　农田生态系统通量观测的特点 392

13.3 全球草地和湿地生态系统通量观测 393

13.3.1 全球草地和湿地生态系统概况 393

13.3.2 草地和湿地生态系统通量观测的特点 395

13.4　全球森林生态系统的通量观测 396

13.4.1 全球森林生态系统通量观测概况 396

13.4.2　森林生态系统通量观测的特点 398

13.5 几种代表性的通量观测实例 399

13.5.1　开路系统通量观测 399

13.5.2　闭路系统通量观测 400

13.5.3　开路和闭路系统的对比观测 402

13.5.4　应用REA法的长期通量观测 404

13.5.5　应用改良梯度法的通量观测 406

13.6　复杂环境条件下的通量观测 408

13.6.1　农业景观尺度的通量观测 408

13.6.2 复杂地形森林生态系统的通量观测 411

13.6.3　流域尺度的通量与水文过程的联合观测 417

13.7 大区域的航空通量观测 421

13.7.1　环境调查航空器简介 421

13.7.2　航空观测的通量计算 422

13.7.3　观测区域及其站点 423

13.7.4　观测结果与分析 424

引用文献 426

第14章　全球陆地大气边界层观测试验／生态系统通量观测网络与相关研究计划 429

14.1 大气边界层气象的综合观测试验 430

14.1.1 国际水文和大气先行性试验 430

14.1.2　国际卫星地表气候研究计划 431

14.1.3　全球能量和水循环试验 432

14.1.4　平流层过程及其在气候中的作用试验 433

14.1.5 国际全球大气化学计划 433

14.1.6　全球海洋通量联合研究计划 434

14.1.7　亚马孙河流域大尺度生物圈-大气圈试验 435

14.1.8　大气地表传输系统联合研究 436

14.1.10　加拿大麦哥泽河流域水热研究 437

14.1.9　北美北部生态系统-大气相互作用的研究 437

14.1.11 大气边界层气象综合观测试验的发展趋势 438

14.2 FLUXNET的发展与合作机制 438

14.2.1 FLUXNET的创建与发展 438

14.2.2 FLUXNET的合作机制 440

14.3 世界主要区域的通量观测研究网络 442

14.3.1 美洲区域的通量观测研究网络 442

14.3.2　欧洲区域的通量观测研究网络 443

14.3.3 亚洲区域的通量观测研究网络 443

14.4　全球通量观测研究关注的主要科学问题 445

14.4.1　通量与边界层 446

14.4.2　通量测定的新技术 448

14.4.3　通量与全球碳模拟 449

14.4.4　通量与遥感观测 450

14.4.5　通量水文学 451

14.4.6　通量生物地理学 451

14.4.7 区域碳平衡及其对全球变化的响应与适应 452

14.5　全球碳观测研究计划 452

14.5.1　集成性全球观测战略 452

14.5.2　集成性全球碳观测研究计划 454

14.5.3 国际上其他与通量观测相关的研究计划 456

引用文献 459

第15章 中国通量观测研究网络的建设与发展 461

15.1 ChinaFLUX建设的背景 462

15.2.2　设计思路 463

15.2.1　研究内容和科学目标 463

15.2 ChinaFLUX的研究内容、目的和设计思路 463

15.3 ChinaFLUX的观测站点、主要仪器设备及观测项目 464

15.3.1　观测站点的布局 464

15.3.2　主要仪器设备 468

15.3.3　各站的观测内容与方法 469

15.4 ChinaFLUX展望 470

引用文献 473

附录Ⅰ 国际制单位（SI）：常用单位及其换算表 475

附录Ⅱ 饱和水汽压与温度的微分方程 479

附录Ⅲ 大气科学中常用的参数 481

附录Ⅳ 重要术语的中英文名称对照表 483

附录Ⅴ 国际通量观测站点一览表 487

名词索引 497