森林与大气间物质和能量交换的模拟研究

植被冠层标量源汇分布和垂直通量的估算一直是生物圈－大气圈交换过程研究中的一个重要问题；植被－大气间物质和能量交换的数值模拟对区域气候和全球变化研究具有重要的科学意义和应用价值。本文以长白山阔叶红松林为研究对象，应用自动观测系统获得的大量气象数据和标量梯度数据，对林冠结构和林冠内/上的湍流统计量特征进行了详细模拟分析，为构建标量源汇反演模型提供了基础。探讨了大气热层结条件下林冠内上的显热与大气之间的交换特征；并提出在欧拉模型中增加浮力项的影响，结果表明浮力项对显热通量收支的作用明显，而且提高了欧拉模型对长时间序列数据模拟的能力。以Raupach提出的局地近场理论为依据，耦合垂直速度标准差和拉格朗日时间尺度，建立林冠内标量源汇强度和平均浓度廓线之间的关系；利用拉格朗日反演模型提出了通过林冠标量浓度梯度直接计算林冠内的标量源汇强度进而推算标量通量的方法；并对林冠内/上的水汽、显热和CO2的源汇和通量分布特征进行了模拟；结果显示拉格朗日模型能够很好地反映水汽和显热的源/汇强度及其通量随高度的变化过程，模拟值与实测值的相关性都在80%以上，模型对长时间数据序列的模拟具有较强的稳定性。拉格朗日模型能准确稳定地模拟出林冠与大气间CO2交换特征，与实测值的相关性为89%；比较拉格朗日模型与欧拉模型，结果显示欧拉模型能够有效地反映出林内叶片和树干的呼吸作用，而拉格朗日模型则更有利于模拟地表土壤呼吸和林下低矮植被的光合作用。