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毕业论文

英文翻译

原文标题:How will land use affect air temperature in the surface boundary layer ? Lessons learned from a comparative study on the energy balance of an oak savanna and annual grassland in California, USA

译文标题:土地利用类型如何影响边界层表面的空气温度？——基于美国加州的橡树稀树草原和年际型牧草地辐射收支对比的研究

土地利用类型如何影响边界层表面的空气温度？——基于美国加州的橡树稀树草原和年际型牧草地辐射收支对比的研究

Dennis Baldocchi and Siyan Ma

摘要

本文研究了不同土地利用类型下空气温度的差异。在相同气候条件下，利用两种对比鲜明的景观:橡树稀树草原和年际型牧草地，进行了长达十年的天气以及能量通量观测研究分析。在这十年里，就日均值而言，空气动力学粗糙度较大，颜色较深的橡树稀树草原比空气动力学粗糙度较光滑，颜色较亮的年际型牧草地温度高0.5 ℃。然而，空气温度差异是季节性的：在暮春土壤水分几近枯竭时，二者潜在温度差异最小；在冬天的雨季，草地仍为绿色尚能进行蒸腾作用，而树木衰老落叶之际，二者潜在温度差异最大。为了了解土地利用类型对当地气候的影响，我们利用测量和计算模型研究了两地净辐射，感热和潜热交换，空气动力学粗糙度（）、表面水汽蒸发阻力(),空气动力学表面温度和行星边界层的发展。这些生物物理变量提供给我们机械信息去检查和预测不同土地利用类型和管理下温度是如何变化的。总之，土地利用类型的变化会显著影响当地区域气候。在当地水平下，地表能量变化朝着下垫面的颜色更深、更粗糙变化时，会产生附加的气候变暖效应，使得大气负担更多的温室气体。

关键词：气候变化、微气象学、能量平衡、草原、土地利用变化、涡度相关

1引言

土地利用类型的变化正在成为新时代下主要特征之一(Steffen et al., 2007)。在地球表面，由于直接或者间接的人类活动，土地利用发生着不同方式，不同程度的变化。在热带地区，森林砍伐相当广泛，使其成为农业用地(DeFries et al., 2002)；在温带地区，随着人口从农村转向城市，废弃的农田成为了造林和再造林的地方(Nabuurs, 2004)；在半干旱地区，灌木正在入侵很多牧场(He et al., 2011)，广泛地区的沙漠和草原变成了灌溉绿色农业景观(Christy et al., 2006) 。在北方和北美西部的森林由于伐木、火灾(Randerson et al., 2006; Westerling et al., 2006)以及昆虫侵扰(Brown et al., 2010)加速了湍流扰动。

土地利用类型的变化在改变地面辐射平衡以及加重温室气体负担(Foley et al., 2005)上有着至关重要的作用。土地利用类型变化对陆地能量平衡的影响是复杂的，因为它可以在不同层面加速调节生物物理过程（小时、日、季节）。具体来说，森林的存在或者缺失，能够通过调节其表面性质来影响陆地能量平衡，比如地表和行星反照率、空气动力学、地表热传导和水分转移以及地表辐射和和空气动力学温度。(Dickinson, 1983; Verma, 1989; Sellers et al., 1997a; Masson et al., 2003)。原则上来讲，反照率是一个关于叶面积指数、叶片光谱反照率、叶片含氮量和the clumping and angle of leaves (Sellers, 1985; Ollinger, 2010)的函数，若将土地从森林转为草原，会使表面反照率增加两倍(Hollinger et al., 2010)。然而，由于森林蒸腾作用产生的积云，会增加此空气柱下的反照率(Bonan, 2008)，空气动力学电导率受大气稳定度、粗糙长度和植被和风速的零平面位移的影响 (Shaw and Pereira, 1982; Verma, 1989)。用草地取代森林，将改变地表的2-10个因素(Kelliher et al., 1993)，进而降低地表空气动力学电导率。表面电导率，或其逆阻力，最易受到叶面积指数、光合作用能力、土壤水分以及叶片含氮量的影响(Schulze et al .,1994)；用灌溉肥沃的作物来替代森林，可使其表面电导率增加两倍(Kelliher et al., 1995; Baldocchi and Xu, 2007)。调节由于感热和潜热交换引起的地表温度变化，对地表净辐射中的长波能量的损失有着深厚的影响，其能量损失是正比于其温度四次方的函数。根据斯蒂芬-波尔兹曼公式(Monteith and Unsworth, 1990)，地表温度每升高5开尔文，天空长波辐射损失将增加7%。另外，地表感热交换决定了行星边界层的深度(McNaughton and Spriggs, 1986)。因此在行星边界层更深的森林将比生长较低的植被的感热通量更大(Barr and Betts, 1997)。Kelvin研究表明，若将地表能量平衡、行星边界层的深度以及自由对流层空气的夹卷作用全部考虑，则可以使近地层温度上升几度(McNaughton and Spriggs, 1986; Siqueira et al., 2009)。

本文通过对比加州两种不同的下垫面，年际型牧草地和橡树热带稀树草原的小气候以及能量通量数据，旨在研究不同土地利用类型对当地气候的影响。研究结果基于两地十年的观测数据，两地距离2.6公里，因此他们有着相似的土壤和天气状况。另外，此地的地中海气候给了我们进行比较的机会：（1）当树木处于休眠期，而草和叶仍为绿色时（秋冬）；（2）草和树都为绿色（春季）；（3）树绿色，草枯萎（夏季）。

我们假设，橡树热带稀树草原将比年际型牧草地的温度高。我们得到这个假设，基于两个前提。一，因为稀树草原颜色比牧草地的颜色更深，使其能吸收更多的能量，进而使周围空气温度升高；二，稀树草原空气动力学更加粗糙这一特性，使得稀树草原比牧草地能更有效的将多余的感热能量传输到大气中。另外从景观的季节层面考虑，使我们得到一系列其他的假设。首先，夏季牧草地进入衰亡期时，我们假设年际型牧草地的下垫面温度将会更高。这种情况下，使得牧草地会放出更多的长波能量，从而减少了净辐射收支；当草地衰亡后，年际型牧草地较稀树草原会产生较少的感热通量，温暖空气层的能力进而下降。同样地，在夏天在树木蒸腾的冷却作用下，我们假设，稀树草原产生的感热通量比衰亡期的牧草地要少。第二，在冬季，牧草地的蒸腾使其比处于休眠期和衰老期的稀树草原冷却作用更强，因此我们假设草原加热空气作用更弱。同样地，不产生蒸腾作用的枯树，由于空气动力学粗糙度的原因，将产生更多可利用能量转化为感热，温暖气层。

基于能量平衡模型的一维行星边界层模型(Mc Naughton and Spriggs, 1986)，我们通过测量和模型计算能量通量，揭示了机制，描述了我们的结果。具体来说，我们利用能量通量的测量和模型计算研究了相应的净辐射、反照率、表面温度、空气和空气动力学阻力和空气温度下的行星边界层深度；这些工作的完成是通过研究如何调节净辐射以及能量如何划分到感热和潜热交换的。

2 材料与方法

2.1站点信息

两个站点位于内华达山脉的山麓处，毗邻艾奥尼（Ione），CA(美国地质调查局,四边形地图:爱尔兰山脉)，均进行了气象条件和能量通量的观测。Tonzi牧场，作为橡树稀树草原林地（纬度：北纬38.43118；经度：东经120.9668；高度：177米）；Vaira牧场，距离Tonzi牧场小于2.6km，归类为加州年际型牧草地（纬度：北纬38.41338；经度：东经120.95088；高度：129米）。图1为空中景观，两站的共同点：具有季节性，存在畜牧现象，较低的库存率。牧草地于2000年11月初开始进行环境测量，橡树稀树草原于2001年4月末开始，测量随着我们撰写文章仍在继续。

从微气象角度来看，观测站点几乎是理想的。他们都在相对平坦的地势，易于获取足够的数据(Hsiehet al., 2000) 。由于该地的地中海气候，因此降雨主要集中在10月和6月之间，而在夏季基本无降水。年平均降水量为562 mm，1948-2005 年以来标准偏差为193 mm。日平均气温为15.76.8 ℃。

我们用了一系列直接的或者遥感方法，包括机载激光雷达、IKONOS卫星、AVIRIS卫星影像，以及基于地面测量的光传播(Chen et al., 2006, 2008; Ryu et al., 2010)。影像中，蓝色的为橡树(Quercus douglasii)，灰色为松树(Pinus sabineana)，覆盖影像的63%。平均而言，树高度为9.44.3 m，叶面积指数为0.7。

草本植物的叶面积指数的获取是通过利用树叶样本的叶面积仪(LICOR 3100, Lincoln, NE, USA)破坏性取样的方法。平均而言，在秋雨后（日序300天后），草地开始生长，在春雨停止后（到日序100天）不久开始衰老(Ma et al., 2011)。对于牧草地而言，最大叶面积指数接近2 m³ m^-3，出现时间为日序80天的时候，并且导致冠层关闭。相比之下，稀树大草原的下层植被叶面积指数较小，最大值接近1 m² m^-2。牧草地的土质是Exchequer岩石粉砂壤土，橡树稀树草原是Auburn岩石粉砂壤土。探底雷达测量显示，土层厚约0.6米，覆盖裂缝型绿岩基岩 (Raz-Yaseef et al.,2013)。

2.2 微气象和土壤测量

太阳辐射通量密度的测量是在树木冠层以上，分别利用向上向下量子传感器 (PAR Lite, Kipp and Zonen, Delft, The Netherlands)，日射强度计和净辐射计(NR Lite, Kipp and Zonen, Delft, The Netherlands)来测量。静压通过电容气压计(PTB101B, Vaisala, Helsinki, Finland)测得。雨量通过翻斗式雨量计(TE 5252 mm, Texas Electronics, Dallas, TX, USA)测得。空气温度和相对湿度分别用铂电阻温度计和固态湿敏电容器(model HMP-45A, Vaisala, Helsinki, Finland)测得。这些传感器屏蔽了太阳和吸气，测量精度在20 ℃（）。为了降低两个传感器之间的偏差，根据AmeriFlux项目在几个站点的数据 (Schmidt et al .,2012)我们引用了温度测量提供的一个标准；牧草地的2004年和2007年，稀树草原的2005年和2007年的数据有所差异。这个标准温度传感器是一个可屏蔽的，吸气式铂电阻温度计，根据已知的标准在0-100℃的三个关键点校对。

为了提供一个综合的措施来评估空间和时间属性，土壤水分测量采用两种方法。用频域反射阵列传感器连续测量土壤体积含水量(Theta Probe model ML2-X, Delta-T Devices, Cambridge, UK)，这个探针能感测60毫米的土壤深度，并通过测量所含土壤基质中的介电常数推断土壤水分含量。传感器被放置在不同深度的土壤（表面，10，20和50cm），并使用重力法校准。为了提高这些时间测量与更好的空间采样，我们部署了一个小型网络的分段（0-15，15-30，30-45和45-60 cm），时域反射计探头,(Moisture Point, model 917, E.S.I Environmental Sensors, Inc, Victoria, British Columbia, Canada)。土壤水分剖面进行采样，每周或两次在实地考察。

土壤温度由多层热电偶探头测量。传感器间隔对数在下表面0.02、0.04、0.08、0.16和0.32 m。四个探针放置在土壤中的林地，两个在草原上，用于采样土壤温度。土壤热通量密度根据三个土壤热通量板的平均输出测得（模式 HFP-01,Hukseflux Thermal Sensors, Delft, The Netherlands）。它们被埋在0.01 m以下的表面，并随机放置在几米的通量系统。植物物质的逐渐积累改变了上层的热属性。因此，通过Fuchs和Tanner (1967)的方法，测量了温度的时间变化率，在上层将储热进行了量化。

通过测量在树干温度的时间变化率计算了林地冠层储热。用10棵树，其中每棵树使用三个热电偶来测量树干温度。这些传感

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