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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