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Hydrology:中国气候过渡区土壤湿度与蒸散比的耦合关系研究

已有 953 次阅读 2024-2-20 08:28 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

原文出自 Hydrology 期刊

Zhang, L.; Sha, S.; Zhang, Q.; Zhao, F.; Zhao, J.; Li, H.; Wang, S.; Wang, J.; Hu, Y.; Han, H. Investigating the Coupling Relationship between Soil Moisture and Evaporative Fraction over China's Transitional Climate Zone. Hydrology 202310, 221. https://doi.org/10.3390/hydrology10120221

文章导读

土壤湿度与蒸散比的相互作用强弱反映了陆地与大气之间的水分和能量交换程度,是陆地-大气耦合理论的重要组成部分。在气候过渡区,土壤湿度和蒸散的剧烈变化会通过水分和能量传输转移至高层大气,导致大气稳定性减弱和扰动增加,致使气候过渡区的陆-气耦合过程加强。因此,研究我国气候过渡区的土壤湿度-蒸散比耦合关系,有着重要的理论意义和应用价值。

近期,中国气象局兰州干旱气象研究所陆-气相互作用团队的张良研究员等针对这一科学问题的最新研究成果在 Hydrology 期刊发表了文章。本文分析了气候过渡区生长季的陆-气交换基本特征,探讨了蒸散比与叶面积指数 (LAI)、归一化植被指数 (NDVI) 和植物总初级生产力 (GPP) 三种反映植被生态特征重要指数的耦合关系,并重点探讨了蒸散比与土壤湿度的耦合关系。

研究过程与结果

中国气候过渡带蒸散比与重要植被生长指数 (GPP、LAI 和 NDVI) 的耦合关系显示 (图1),蒸散比与叶面积指数和归一化植被指数的线性相关系数分别为0.11和0.02,且没有通过置信水平为95%的显著性检验。相比较而言,蒸散比和总初级生产力 (GPP) 之间的相关性更高,通过了置信水平为95%的显著性检验,但决定系数也仅为0.37,相关性不是很强。此外,蒸散比与0–80 cm各层土壤湿度均呈较强的三次方拟合关系。并且,根据拟合关系相近性,可将蒸散比与土壤湿度关系分为0-40 cm和40-80 cm两层。

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图1. 中国过渡气候带生长季蒸散比 (EF) 对 (a) 总初级生产力 (GPP);(b) 叶面积指数 (LAI);(c) 归一化差值植被指数(NDVI);(d) 0–40 cm处土壤湿度 (SM40) 和 (e) 40–80 cm土壤湿度 (SM80) 变化的响应关系。

如图2所示,发现土壤湿度百分位数在0-40 cm层和40-80 cm层接近35%时,蒸散比和土壤湿度百分位数之间的耦合关系会发生显著变化。在0-40 cm层,当土壤湿度百分位数达到35%时,蒸散比随土壤湿度的增长趋势一致但增速有明显差别。而在40-80 cm层,蒸散比表现为在土壤湿度百分位数达到35%之前减小、之后增加的变化趋势。一般而言,蒸散比随土壤湿度增加呈增加趋势 (SMP>35%)。而当SMP<35%时,对于深层土壤,前期生长季充足的降水使土壤水分得到有效补充,随后在蒸散作用下,蒸散比由大变小并形成蒸散比随 SMP 增加而减小的趋势。可见,气候过渡区土壤湿度是控制蒸散比的主导因素。

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图2. 蒸散比 (EF) 对气候过渡区生长季 (a) 0-40 cm和 (b) 40-80 cm土壤湿度百分位数 (SMP) 变化的响应。

进一步分析表明,浅层0-40 cm和深层40-80 cm的土壤湿度整体上都呈偏态分布特征 (图3),深层土壤湿度的偏态分布特征较浅层更为突出,整体较浅层土壤更加偏干,表现为观测期的平均值与干旱年份更为接近,与湿润年份差值较大。

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图3. 气候过渡区植被生长季 (a) 0-40 cm和 (b) 40-80 cm干、湿年土壤湿度的正态概率分布函数拟合。

研究总结

本文揭示了气候过渡区蒸散比-土壤湿度的强耦合关系及并建立了两者的参数化关系式,发现了过渡区蒸散比与反映植被生长状态的 LAI、NDVI 和 GPP 三个重要指数均呈弱耦合关系。研究结论可为气候过渡区陆面模式陆-气耦合关系优化提供参考依据。对于气候过渡区还包括的农田和草原等下垫面类型,有待进一步开展研究。

Hydrology 期刊介绍

主编:Ezio Todini, Italian Hydrological Society, Italy

期刊主题涵盖了河流水文学、湖泊水文学、沼泽水文学、冰川水文学、雪水文学、水文气象学、地下水水文学、区域水文学和海洋水文学等水文领域。目前,期刊已被 ESCI、Scopus  等其他数据库收录。

2022 Impact Factor:3.2

2022 CiteScore:4.1 

Time to First Decision:17.8 Days 

Acceptance to Publication:2.8 Days

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