白洋淀地区非均匀大气边界层的综合观测研究_实验介绍及近地层微气象特征分析
白洋淀湿地生态功能评价及分区
第４０卷第２期２０２０年１月生态学报ＡＣＴＡＥＣＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．４０，Ｎｏ．２Ｊａｎ．，２０２０基金项目：中国地质调查局项目（ＤＤ２０１８９１４２）； 白洋淀湿地演化及生态功能评价 （ＷＴ２０１８１６１Ｂ）收稿日期：２０１９⁃０１⁃２８；㊀㊀网络出版日期：２０１９⁃１１⁃０４∗通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｙｉ＠ｒａｄｉ．ａｃ．ｃｎＤＯＩ：１０．５８４６／ｓｔｘｂ２０１９０１２８０２０９朱金峰，周艺，王世新，王丽涛，刘文亮，李海涛，梅军军．白洋淀湿地生态功能评价及分区．生态学报，２０２０，４０（２）：４５９⁃４７２．ＺｈｕＪＦ，ＺｈｏｕＹ，ＷａｎｇＳＸ，ＷａｎｇＬＴ，ＬｉｕＷＬ，ＬｉＨＴ，ＭｅｉＪＪ．ＥｃｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄｒｅｇｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄ．ＡｃｔａＥｃｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０２０，４０（２）：４５９⁃４７２．白洋淀湿地生态功能评价及分区朱金峰１，周㊀艺１，∗，王世新１，王丽涛１，刘文亮１，李海涛２，梅军军２１中国科学院遥感与数字地球研究所，北京㊀１００１０１２中国地质环境监测院，北京㊀１０００８１摘要：白洋淀湿地在雄安新区建设过程中具有重要生态安全保障作用㊂开展白洋淀湿地生态功能评价及分区研究，为生态环境治理和保护提供科学依据，是当前普遍关切和急需解决的问题之一㊂面向白洋淀湿地生态保护和管理的需求，在明确白洋淀自然环境特征和主要生态环境问题的基础上，结合外业调查㊁遥感㊁综合评价等方法，从水产品供给功能㊁水生植物供给功能㊁气候调节功能㊁生物多样性维护功能㊁水质改善功能５个方面评价了白洋淀湿地生态系统服务功能重要性，从水污染敏感性㊁湿地变化敏感性㊁重要自然与文化价值敏感性３个方面评价了白洋淀湿地生态系统敏感性㊂基于评价结果，将白洋淀湿地初步划分为７个一级生态功能区和１９个二级生态功能区㊂在分区方法方面体现了白洋淀湿地人地关系动态特征，分区结果注重现状与历史相结合，有助于服务未来淀区生态保护规划决策实施㊂建议在实施白洋淀生态环境治理和保护过程中，依据白洋淀湿地生态功能分区特征，实行分区管制，制定对应的生态环境治理和保护措施㊂关键词：生态系统服务功能重要性；生态系统敏感性；生态功能分区；白洋淀湿地ＥｃｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄｒｅｇｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄＺＨＵＪｉｎｆｅｎｇ１，ＺＨＯＵＹｉ１，∗，ＷＡＮＧＳｈｉｘｉｎ１，ＷＡＮＧＬｉｔａｏ１，ＬＩＵＷｅｎｌｉａｎｇ１，ＬＩＨａｉｔａｏ２，ＭＥＩＪｕｎｊｕｎ２１ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇａｎｄＤｉｇｉｔａｌＥａｒｔｈ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１０１，Ｃｈｉｎａ２ＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＧｅｏ⁃ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄｉｓｌｏｃａｔｅｄｉｎＸｉｏｎｇᶄａｎＮｅｗＡｒｅａ，ｗｉｔｈｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄｓｐｅｃｉａｌｓｔｒａｔｅｇｉｃｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｆｏｒａｌｏｎｇｔｉｍｅ，ｔｈｅＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄｈａｓｇｒａｄｕａｌｌｙｓｈｒｕｎｋａｎｄｅｖｅｎｄｒｉｅｄｕｐｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｅｆｆｅｃｔｓｏｆｈｕｍａｎａｃｔｉｖｉｔｉｅｓａｎｄｃｌｉｍａｔｅｃｈａｎｇｅ．ＩｔｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｎｔｈｅＸｉｏｎｇᶄａｎＮｅｗＡｒｅａｂｙｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｒｅｇｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄｅｃｏｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｗｉｄｅｓｐｒｅａｄｃｏｎｃｅｒｎｓａｎｄｕｒｇｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄ．ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄ，ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｅｖａｌｕａｔｅｄａｎｄｒｅｇｉｏｎａｌｉｚｅｄｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｆｉｅｌｄｓｕｒｖｅｙ，ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ，ａｎｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．ＩｍａｇｅｓｏｆＬａｎｄｓａｔＭＳＳ／ＴＭ／ＥＴＭ＋／ＯＬＩｉｎ１９７５ ２０１８ａｎｄＧＦ⁃２ＰＭＳｉｎ２０１７ａｎｄ２０１８ｗｅｒｅａｃｑｕｉｒｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｌａｎｄｕｓｅ／ｌａｎｄｃｏｖｅｒｃｈａｎｇｅ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｃｌａｒｉｆｙｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｎａｔｕｒａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｍａｉｎｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆＢａｉｙａｎｇｄｉａｎｗｅｔｌａｎｄ，ｔｈｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｓｙｓｔｅｍｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｆｏｒｅｖａｌｕａｔｉｎｇｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｅｒｖｉｃｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｅｒｖｉｃｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｗｅｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄｆｒｏｍｆｉｖｅａｓｐｅｃｔｓ：ｓｕｐｐｌｙｉｎｇｏｆａｑｕａｔｉｃｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｓｕｐｐｌｙｉｎｇｏｆａｑｕａｔｉｃｐｌａｎｔｓ，ｃｌｉｍａｔｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ，ｂｉｏｄｉｖｅｒｓｉｔｙｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙ．Ｔｈｅｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｉｅｓｗｅｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄｆｒｏｍｔｈｒｅｅａｓｐｅｃｔｓ：ｗａｔｅｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｗｅｔｌａｎｄｃｈａｎｇｅｓａｓｗｅｌｌａｓｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆｎａｔｕｒａｌａｎｄｃｕｌｔｕｒａｌｖａｌｕｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂａｓｅｄｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄｗａｓｉｎｉｔｉａｌｌｙｒｅｇｉｏｎａｌｉｚｅｄｉｎｔｏｓｅｖｅｎｆｉｒｓｔ⁃ｌｅｖｅｌｅｃｏｒｅｇｉｏｎｓａｎｄｎｉｎｅｔｅｅｎｓｅｃｏｎｄ⁃ｌｅｖｅｌ０６４㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４０卷㊀ｅｃｏｒｅｇｉｏｎｓ．Ｗｅｃｏｍｂｉｎｅｄｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｉｍｐａｃｔｓｏｆｈｕｍａｎａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｉｎｔｏｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｇｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｕｍａｎ⁃ｌａｎｄｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｉｎＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｃｏｖｅｒｅｄｓｐａｔｉａｌａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｈｅｌｐｍａｎａｇｅｒｔｏｍａｋｅｄｅｃｉｓｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｐｌａｎｎｉｎｇｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｗｅｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｒｅｇｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ⁃ｏｒｉｅｎｔｅｄｍｅａｓｕｒｅｓｓｈｏｕｌｄｂｅｆｏｒｍｕｌａｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｃｏｒｅｇｉｏｎｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｉｎＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｅｒｖｉｃｅｓｆｕｎｃｔｉｏｎｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ；ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ；ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｇｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ；ＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄ２０１７年４月１日，中共中央㊁国务院印发通知决定设立河北雄安新区，这是继深圳经济特区和上海浦东新区之后又一具有全国意义的新区，是千年大计㊁国家大事［１］㊂白洋淀是雄安新区的重要组成部分，作为华北平原最大的淡水湿地生态系统，白洋淀湿地在雄安新区建设过程中具有 以淀兴城㊁城淀共荣 的重要生态功能㊂历史上，白洋淀湿地具有缓洪滞沥㊁蓄水灌溉㊁调节局部地区气候㊁改善生态环境㊁补充地下水㊁保护生物多样性等多种生态功能［２⁃３］㊂然而，长期以来在人类活动和气候变化综合作用下，白洋淀湿地出现水源不足㊁湿地萎缩㊁水体污染㊁泥沙淤积㊁生物多样性减少等危机［３⁃６］㊂据统计，２０世纪５０年代白洋淀年均入淀水量为１８．２７亿ｍ３，８０年代降为１．４７亿ｍ３，２０００ ２００２年仅为０．６５亿ｍ３［２］㊂与此同时，２０世纪５０年代白洋淀流域地下水年均开采量为１．７８亿ｍ３，８０年代增加到２７．０８亿ｍ３，２００１ ２００５年仍高达２８．４５亿ｍ３［７］㊂淀区大部分水域水质为Ⅴ类或劣Ⅴ类，属重度污染［８］㊂２０世纪６０年代以来，淀区水体富营养化程度加剧，清水生物种群和数量减少，鸟类也日益减少［３］㊂为了 把白洋淀修复好㊁保护好 ，国家和地方采取一系列措施持续性开展了生态保护工作㊂２００２年，河北省政府批准‘白洋淀湿地自然保护区规划“，设立了白洋淀湿地省级自然保护区［９］㊂２０１２年，‘白洋淀省级自然保护区总体规划（修编版）“对保护区进行了调整，进一步扩大了保护区范围与面积［１０］㊂２０１５年，河北省发改委编制了‘白洋淀环境综合整治与生态修复规划（２０１５ ２０２０年）“，指出实施引水补水调水㊁污染源综合治理㊁村镇综合整治㊁入淀河流整治㊁淀区管护维护㊁区域产业转型和能力设施建设等八项重点任务［１１］㊂２０１７年，白洋淀与洱海㊁丹江口一起被纳入环境保护部 新三湖 水污染治理体系［１２］㊂２０１９年１月，经党中央㊁国务院同意，河北省委㊁省政府印发了‘白洋淀生态环境治理和保护规划（２０１８ ２０３５年）“，对未来近２０年白洋淀生态环境治理和保护的基本方向㊁路径和具体措施进行了科学规划［１３］㊂白洋淀之于雄安新区的重要生态安全保障作用由此充分体现㊂在白洋淀生态环境治理和保护过程中，湿地生态功能评价及分区是一项重要内容㊂生态功能分区是根据区域生态环境要素㊁生态环境敏感性与生态服务功能空间分异规律，确定不同地域单元的主导生态功能，将区域划分成不同生态功能区的过程［１４］㊂生态功能分区是实施区域生态分区管理㊁构建区域生态安全格局的基础，可为生态保护与建设规划㊁维护区域生态安全㊁促进社会经济可持续发展与生态文明建设提供科学依据，具有重要理论与现实意义［１５⁃１６］㊂国外关于生态区划的最早研究可追溯到１９６２年加拿大森林学家ＯｒｉｅＬｏｕｃｋｓ首次提出生态区的概念［１７］㊂１９６７年Ｃｒｏｗｌｅｙ根据气候和植被的宏观特征绘制了加拿大生态区地图［１８］㊂１９７６年Ｂａｉｌｅｙ从生态系统角度提出了首个真正意义上的生态区划，并编制了美国生态区划图［１９⁃２０］㊂此后各国生态学家对生态区划原则㊁指标体系㊁等级和方法等进行了深入探讨［２１⁃２３］，对生态区划的一些普遍问题也十分关切，如生态系统定义㊁生态区的复杂性㊁定性和定量方法㊁流域边界整合等［２４］，使得上世纪末至本世纪初生态区划理论与方法取得快速发展㊂近几年国际上对于生态系统服务的制图和区划也逐渐开始重视［２５⁃２６］㊂国内生态区划起步相对较晚，是继气候区划㊁自然区划㊁农业区划之后逐渐发展起来的［２７⁃２８］㊂１９９９年傅伯杰等建立了中国生态环境综合区划的原则㊁方法和指标体系［２９］，并于２００１年提出了中国生态区划方案，为全国各区域进一步开展生态功能区划建立了宏观框架［３０］㊂在此基础上，环境保护部和中国科学院于２００８年发布了‘全国生态功能区划“［１５］，并根据生态环境保护新的要求于２０１５年发布了‘全国生态功能区划（修编版）“［１６］㊂国务院在２０１０年发布的‘全国主体功能区规划“也将全国生态功能区划纳入其中，将全国重点生态区域划分为水源涵养㊁土壤保持㊁防风固沙㊁生物多样性维护等生态功能区，使生态功能区划上升到国家战略㊁制度层面［３１］㊂在流域㊁区域㊁省级行政区尺度上，学者们也开展了大量的研究工作，如在辽河流域［３２⁃３３］㊁海河流域［３４］㊁澜沧江流域［３５］㊁黑河中游［３６］㊁塔里木河流域［３７］，以及安徽省［３８］㊁辽宁省［３９］等开展的研究工作㊂近年来开始侧重于对不同生态要素的归纳和集成，尤其是伴随着遥感技术和数据的推广，在植被生态分区㊁河流生态分区㊁湖泊和湿地生态分区等有较大进展［４０］㊂关于湿地生态功能评价与生态分区的研究案例主要集中在三峡库区［４１］㊁洞庭湖［４２⁃４３］㊁鄱阳湖［４４］㊁巢湖［４５］㊁太湖［４６⁃４８］㊁丹江口水源区［４９］等重要湿地区域㊂上述不同尺度㊁不同生态系统类型的生态功能评价与生态分区研究工作为开展全国或区域生态环境治理和保护提供了重要科技支撑㊂目前，关于白洋淀湿地生态系统的研究工作多集中在湿地水域变化［５０］㊁土地利用／覆被变化［５１⁃５２］㊁景观格局变化［５３⁃５５］㊁生态系统服务价值评估［５６⁃５９］等方面㊂在生态区划方面，仅开展了湿地生态特征区划及功能定性分析工作［６０］，而对于湿地生态功能评价及分区的研究鲜有论述㊂因此，开展白洋淀湿地生态功能评价及生态功能分区研究，明晰生态功能的空间分异规律，为白洋淀生态环境治理和保护提供科学依据，成为当前普遍关切和急需解决的问题之一㊂本研究面向白洋淀湿地生态保护和管理需求，在明确白洋淀自然环境特征和主要生态环境问题的基础上，结合外业调查㊁遥感㊁综合评价等方法，建立基于水资源的湿地生态功能评价指标，开展白洋淀湿地生态功能评价，初步划定生态功能分区，以为雄安新区资源环境承载能力综合监测和透明雄安数字平台建设提供空间信息支撑㊂１ 白洋淀湿地概况及其主要生态环境问题白洋淀位于太行山东麓永定河冲积扇与滹沱河冲积扇相夹峙的低洼地区，是河北平原上常年积水的最大湖淀［６１］，地理范围在北纬３８ʎ４３ᶄ ３９ʎ０２ᶄ，东经１１５ʎ３８ᶄ １１６ʎ０７ᶄ，海拔５．５ ６．５ｍ（大沽高程），总面积３６６ｋｍ２，由白洋正淀㊁马棚淀㊁藻苲淀㊁烧车淀等诸多大小不一的淀泊和沟壕组成，统名白洋淀［６１⁃６２］㊂白洋淀属大清河水系，水源主要来自八条入淀河流，南支潴龙河㊁孝义河㊁唐河汇入马棚淀，府河㊁漕河㊁瀑河㊁萍河汇入藻苲淀，北支河流通过白沟引河入烧车淀，在白洋淀出口处建有枣林庄水利枢纽［２，５４］㊂白洋淀动植物资源丰富，水生动物主要有鱼类㊁蟹类㊁虾类㊁底栖动物㊁浮游动物等，水生植物主要有水生维管束植物和浮游植物［５４］㊂行政区划上，白洋淀位于雄安新区，分属保定市和沧州市所辖的安新㊁容城㊁雄县㊁高阳和任丘五个县（市），其中８５％的水域在保定市安新县境内㊂长期以来，在人类活动和气候变化综合作用下，白洋淀生态环境问题逐渐凸显，主要包括以下几点：（１）水源不足㊁湿地萎缩㊂白洋淀水源主要来自流域内上游山区降水形成的地表径流㊂２０世纪５０年代至２１世纪初期，白洋淀流域平均年降水量从６６１．６ｍｍ减少到４５９ｍｍ［７］㊂降水量减少导致径流量变化亦呈减少趋势［６３⁃６４］，由于流域气候干旱而间接导致白洋淀干涸的频次不断增加［７］㊂叠加上游城镇工农业及生活用水量不断增加㊁水库截流以及地下水超采等影响［２］，致使入淀水量减少㊁淀区水位下降，湿地萎缩趋势严重㊂为了缓解白洋淀湿地萎缩的变化态势，当地政府实施了跨流域调水㊁引水补给白洋淀，在一定程度上缓解了淀区水位下降㊁湿地萎缩现象［３，６５⁃６６］㊂（２）水体污染㊂白洋淀１５处水质监测断面的水质类别数据显示，除同口㊁北何庄全年淀干外，留通㊁郭里口㊁王家寨为Ⅳ类水质，其他１０个断面均为Ⅴ类水质，表明白洋淀水体污染形势严峻［６７］㊂淀区水质的主要超标项目为化学需氧量㊁五日生化需氧量㊁高锰酸盐指数㊁氨氮等［６８］，主要污染源来自入淀河流上游工业和生活污水㊁淀区居民生活污水㊁垦殖活动污染等［６９］㊂府河等汇入淀区的河流带来了上游保定市的大量工业和生活污水，大部分直接进入白洋淀［６８］㊂淀内现有３９个纯水村㊁１０万居民，主要从事种植㊁养殖业等经济活动，淀区１６４㊀２期㊀㊀㊀朱金峰㊀等：白洋淀湿地生态功能评价及分区㊀２６４㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４０卷㊀生活污水㊁排泄物㊁家禽畜牧业的废弃物㊁粪便直接或间接入淀［６９］，网箱养鱼的饵料含有大量氮和磷，除少量被鱼食用，大部分的剩余物沉积水体㊂另外，随着白洋淀旅游业的兴起，旅游业机动船舶管理不规范，废水随意排放，游客丢弃的垃圾废物处理不善等，都成为白洋淀主要污染源㊂（３）生物多样性减少㊂２０世纪５０年代以前，白洋淀水质清澈，水生生物种类较多㊂然而，自２０世纪６０年代以来，水体富营养化程度加剧，鱼虾大量死亡，鸟类日益减少［３］㊂近年来在实施上游水库补给㊁跨流域调水补给白洋淀等工程作用下，白洋淀生态环境逐渐改善，鱼类和鸟类的种类和数量逐渐增加㊂（４）农业开垦活动加剧㊂白洋淀围淀造田现象比较突出，耕地扩展改变了白洋淀湿地生态系统类型结构与空间格局，从而影响了白洋淀调洪治淤㊁生物多样性维护等生态功能㊂２㊀数据与方法２．１㊀数据２．１．１㊀外业调查数据２０１８年７月２４ ２７日开展了白洋淀湿地外业考察与调研，获取了２０４个考察点位资料和信息，包括经纬度㊁所属地类㊁地表自然环境特征㊁周围环境等，考察了白洋淀堤坝分布信息㊂考察路线１１０ｋｍ，其中水域路线２２ｋｍ，陆域路线８８ｋｍ，明确了主要生态系统类型的表征信息，确定了白洋淀范围与边界㊂２．１．２㊀土地利用／覆被数据收集了白洋淀湿地ＬａｎｄｓａｔＭＳＳ／ＴＭ／ＥＴＭ＋／ＯＬＩ㊁ＧＦ⁃２ＰＭＳ卫星遥感影像，在外业调查的基础上，从不同地类影像特征差异性㊁空间分布异质性㊁不同植被类型物候差异性三个方面开展了白洋淀湿地土地利用／覆被分类人机交互解译㊂运用ＡｒｃＧＩＳ软件Ｅｄｉｔｏｒ模块，以２０１８年ＧＦ⁃２号ＰＭＳ影像为主㊁以２０１８年Ｌａｎｄｓａｔ⁃８ＯＬＩ影像为辅，人机交互解译获取２０１８年分类信息，并将解译结果叠加到２０１８年Ｌａｎｄｓａｔ⁃８ＯＬＩ影像上㊂对比分析不同湿地类型和其他非湿地类型在Ｌａｎｄｓａｔ⁃８ＯＬＩ影像上的色调㊁形状等特征，建立Ｌａｎｄｓａｔ⁃８ＯＬＩ影像人机交互解译的 先验知识 ㊂在此基础上，基于２０１５年Ｌａｎｄｓａｔ⁃８ＯＬＩ影像对２０１８年分类信息进行人机交互更新解译，得到２０１５年分类结果㊂以此类推，分别基于２０１１年㊁２００５年㊁ ㊁１９７５年Ｌａｎｄｓａｔ影像，对２０１５年㊁２０１１年㊁ ㊁１９８０年分类信息进行人机交互更新解译，得到１９７５ ２０１８年１０期白洋淀湿地土地利用／覆被分类图（图１）㊂土地利用／覆被类型包含湿地㊁耕地㊁建设用地㊁林地４个一级地类㊂其中，湿地包含水体㊁水生植被㊁滩地３个二级地类，耕地包含水田㊁旱地２个二级地类㊂水生植被又包含挺水植物㊁浮叶植物２个三级地类㊂２．１．３㊀其他数据源其他数据源包括：植被净初级生产力（ＮＰＰ）数据为２０１５年ＭＯＤ１７Ａ３ＮＰＰ产品㊂基础地理数据为２０１２年国家测绘地理信息局版‘１ʒ１００万中国数据“㊂统计数据包括‘２０１６年保定市水资源公报“［６７］㊁２００８ ２０１７年‘河北经济年鉴“［７０］㊂２．２㊀方法２．２．１㊀生态系统服务功能重要性评价方法依据研究区自然地理特征㊁生态环境状况，充分借鉴国内其他湿地㊁湖泊生态功能评价已有研究案例［４２⁃４９］，确定了白洋淀湿地生态系统服务功能重要性评价指标，包括水产品供给功能㊁水生植物供给功能㊁气候调节功能㊁生物多样性维护功能㊁水质改善功能５项㊂（１）水产品供给功能：指白洋淀湿地提供鱼类㊁浮游动物㊁底栖动物等水产品的能力㊂基于２０１５年Ｌａｎｄｓａｔ⁃８ＯＬＩ卫星遥感影像，通过人机交互解译获取了白洋淀湿地人工养殖鱼塘空间数据㊂以此将水产品供给功能重要性分为２个级别，即人工养殖鱼塘区水产品供给功能为极重要（Ⅳ级），非人工养殖鱼塘区水产品供给功能为不重要（Ⅰ级）㊂（２）水生植物供给功能：指白洋淀湿地提供挺水植物㊁沉水植物㊁浮水植物㊁漂浮植物等水生植物的能力㊂图１㊀１９７５ ２０１８年白洋淀湿地土地利用／覆被Ｆｉｇ．１㊀Ｍａｐｓｓｈｏｗｉｎｇｌａｎｄｕｓｅ／ｌａｎｄｃｏｖｅｒｏｆＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄｄｕｒｉｎｇ１９７５ ２０１８基于水生植物覆盖度量化水生植物供给功能，利用２０１５年Ｌａｎｄｓａｔ⁃８ＯＬＩ卫星遥感影像，采用像元二分模型方法估算水生植物覆盖度，以此将水生植物供给功能重要性分为４个级别，即不重要（Ⅰ级）㊁较重要（Ⅱ级）㊁中等重要（Ⅲ级）和极重要（Ⅳ级）㊂（３）气候调节功能：指通过湿地生态系统中的光合作用等生理生态过程实现对ＣＯ２的吸收与贮存，同时释放Ｏ２，并通过食物链（网）进行有机物质循环和能量流动，起到调节大气组分㊁减缓温室效应的作用［７１⁃７２］㊂本研究基于植被净初级生产力（ＮＰＰ）测算固碳量和释氧量，从而评估白洋淀湿地气候调解功能㊂由植物光合作用方程可知，植物每生产１ｋｇ干物质，能固定１．６３ｋｇＣＯ２，同时释放１．２ｋｇＯ２［７３］㊂以ＭＯＤＩＳＮＰＰ产品为参照，建立Ｌａｎｄｓａｔ⁃８ＯＬＩＮＤＶＩ与ＭＯＤＩＳＮＰＰ产品的统计模型㊂随机在白洋淀湿地选取１００个点，统计这些点所在Ｌａｎｄｓａｔ⁃８ＯＬＩＮＤＶＩ与ＭＯＤＩＳＮＰＰ的回归模型，建立基于Ｌａｎｄｓａｔ⁃８ＯＬＩＮＤＶＩ的白洋淀湿地ＮＰＰ统计模型为：ＮＰＰ＝０．１８７７ˑＮＤＶＩ＋０．２６１（Ｐ＜０．００１）㊂基于ＮＰＰ测算固碳量和释氧量模型如下：固碳量：Ｖ＿ＣＯ２＝ＡˑＮＰＰˑ１．６３；释氧量：Ｖ＿Ｏ２＝ＡˑＮＰＰˑ１．２㊂其中，Ａ为湿地生态系统面积，ＮＰＰ为净初级生产力，Ｖ＿ＣＯ２为固碳量，Ｖ＿Ｏ２为释氧量㊂气候调节功能重要性评价结果分为４个级别㊂（４）生物多样性维护功能：指白洋淀湿地提供动植物栖息地从而维护生物多样性的能力㊂本研究采用生境质量指数方法，基于ＩｎＶＥＳＴ模型［７４］，选择其中的生境质量模块，评价生物多样性维护功能重要性，将评价结果分为４个级别㊂（５）水质改善功能：指湿地生态系统净化水质的能力㊂本研究基于‘２０１６年保定市水资源公报“中白洋淀１５处水质监测断面的水质类别评价水质改善功能，水质类别（受污染）程度越高，认为需要提供的水质改善功能越重要㊂利用普通克里格方法对各断面水质类别进行空间插值，得到白洋淀湿地水质类别栅格数据，将评价结果分为４个级别㊂３６４㊀２期㊀㊀㊀朱金峰㊀等：白洋淀湿地生态功能评价及分区㊀白洋淀湿地生态系统服务功能重要性指标分级标准如表１所示㊂利用ＧＩＳ空间分析功能，将上述各指标重要性分布值逐像元求最大值，得到生态系统服务功能重要性等级分布值㊂在此基础上，绘制出白洋淀湿地生态系统服务功能重要性综合评价图㊂表１㊀白洋淀湿地生态系统服务功能重要性指标分级标准Ｔａｂｌｅ１㊀ＧｒａｄｉｎｇｒｕｌｅｓｏｆｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｆｏｒｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｅｒｖｉｃｅｓｆｕｎｃｔｉｏｎｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄ生态系统服务功能Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｅｒｖｉｃｅｓｆｕｎｃｔｉｏｎ评价指标Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒ不重要（Ⅰ级）Ｕｎｉｍｐｏｒｔａｎｔ（ｇｒａｄｅⅠ）较重要（Ⅱ级）Ｉｍｐｏｒｔａｎｔ（ｇｒａｄｅⅡ）中等重要（Ⅲ级）Ｍｏｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔ（ｇｒａｄｅⅢ）极重要（Ⅳ级）Ｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔ（ｇｒａｄｅⅣ）水产品供给Ｓｕｐｐｌｙｉｎｇｏｆａｑｕａｔｉｃｐｒｏｄｕｃｔｓ人工养殖鱼塘ɿ水生植物供给Ｓｕｐｐｌｙｉｎｇｏｆａｑｕａｔｉｃｐｌａｎｔｓ水生植物覆盖度（％）０ ３０３０ ６０６０ ８０＞８０气候调解Ｃｌｉｍａｔｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ固碳量（ｋｇ／ｍ２）ɤ０．４５０．４５ ０．５００．５０ ０．５５＞０．５５释氧量（ｋｇ／ｍ２）ɤ０．３００．３０ ０．３５０．３５ ０．４０＞０．４０生物多样性维护Ｂｉｏｄｉｖｅｒｓｉｔｙｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ生境质量（无量纲）０ ０．３０．３ ０．６０．６ ０．９０．９ １．０水质改善Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙ水质类别（无量纲）＜ⅣⅣⅤ＞Ⅴ２．２．２㊀生态系统敏感性评价方法依据研究区生态环境状况及主要问题，参考‘生态功能分区技术规范“（征求意见稿）［１４］，确定了白洋淀湿地生态系统敏感性评价指标，包括水污染敏感性㊁湿地变化敏感性㊁重要自然与文化价值敏感性３项㊂（１）水污染敏感性：指白洋淀水体受到来自入淀河流上游城镇工业和生活污水㊁淀区居民生活污水㊁垦殖活动污染㊁旅游业污染等影响而引起的原有水体污染的敏感程度，包括城镇工业生活污染㊁村落非点源污染㊁养殖业污染㊁农业开垦污染㊁旅游业污染㊂其中，城镇工业生活污染对淀区水体污染影响最大，村落非点源污染㊁养殖业污染对淀区水体污染影响次之，农业开垦污染㊁旅游业污染等对淀区水体污染也产生一定影响㊂根据入淀河流㊁农村居民点㊁鱼塘㊁耕地㊁景区设施等分布，考虑污染程度随与污染源距离的变化关系，设置不同空间缓冲距离㊂距离污染源越近，其水体受到污染的敏感性等级越高［４４］㊂在此基础上，评价白洋淀湿地水污染敏感性，将评价结果分为５个级别，即不敏感（Ⅰ级）㊁轻度敏感（Ⅱ级）㊁中度敏感（Ⅲ级）㊁高度敏感（Ⅳ级）和极度敏感（Ⅴ级）㊂（２）湿地变化敏感性：指白洋淀湿地年际变化引起的不同湿地（水体㊁水生植被㊁滩地）类型和面积变化的敏感程度㊂基于１９７５ ２０１８年间１０期白洋淀湿地土地利用／覆被数据，分析各类湿地变化类型㊁变化时间㊂在此基础上，评价白洋淀湿地变化敏感性，将评价结果分为５个级别㊂（３）重要自然与文化价值敏感性：指有代表性的自然生态系统㊁珍稀濒危野生动植物的天然集中分布地㊁有特殊价值的自然遗迹所在地和文化遗址㊁重要景观与旅游资源分布区等对因人类活动干扰而引起的原有价值损失的敏感程度［１４］㊂重要自然与文化价值敏感性主要体现在经过国家或省㊁市㊁县级认可的保护区，如各类自然保护区㊁自然文化遗产㊁风景名胜区㊁森林公园㊁地质遗迹和地质公园等㊂分析白洋淀各类保护区级别，将重要自然与文化价值敏感性的评价结果分为５个级别㊂白洋淀湿地生态系统敏感性指标分级标准如表２所示㊂利用ＧＩＳ空间分析功能，将上述各指标敏感性分布值逐像元求最大值，得到生态系统敏感性等级分布值㊂在此基础上，绘制出白洋淀湿地生态系统敏感性综合评价图㊂４６４㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４０卷㊀表２㊀白洋淀湿地生态系统敏感性指标分级标准Ｔａｂｌｅ２㊀ＧｒａｄｉｎｇｒｕｌｅｓｏｆｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｆｏｒｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆＢａｉｙａｎｇｄｉａｎＷｅｔｌａｎｄ生态系统敏感性Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ评价指标Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒ不敏感（Ⅰ级）Ｎｏｔｓｅｎｓｉｔｉｖｅ（ｇｒａｄｅⅠ）轻度敏感（Ⅱ级）Ｍｉｌｄｌｙｓｅｎｓｉｔｉｖｅ（ｇｒａｄｅⅡ）中度敏感（Ⅲ级）Ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙｓｅｎｓｉｔｉｖｅ（ｇｒａｄｅⅢ）高度敏感（Ⅳ级）Ｈｉｇｈｌｙｓｅｎｓｉｔｉｖｅ（ｇｒａｄｅⅣ）极度敏感（Ⅴ级）Ｅｘｔｒｅｍｅｌｙｓｅｎｓｉｔｉｖｅ（ｇｒａｄｅⅤ）水污染敏感性Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｗａｔｅｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎ城镇工业生活污染距入淀河流１ｋｍ之外的湿地 距入淀河流１ｋｍ之内的湿地村落非点源污染距淀区居民点２００ｍ之外的湿地距淀区居民点１００ ２００ｍ之间的湿地距淀区居民点１００ｍ之内的湿地 养殖业污染非人工养殖鱼塘区人工养殖鱼塘区 农业开垦污染无农业开垦湿地转为耕地 旅游业污染距船舶航线１００ｍ之外的湿地距船舶航线５０ １００ｍ之间的湿地距船舶航线５０ｍ之内的湿地 湿地变化敏感性Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｗｅｔｌａｎｄｃｈａｎｇｅｓ变化类型无变化水体转为水生植被水生植被转为滩地水体转为滩地湿地转为非湿地变化时间（年）００ ５５ １０１０ ２０ȡ２０重要自然与文化价值敏感性自然保护区无县级市级省级国家级Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｙｎａｔｕｒａｌａｎｄ自然文化遗产无县级市级省级国家级ｃｕｌｔｕｒａｌｖａｌｕｅｓ重点风景名胜区无县级市级省级国家级２．２．３㊀生态功能分区方法（１）分区目的与原则：面向白洋淀湿地生态保护和管理的需求，开展白洋淀湿地生态功能评价，初步划定生态功能分区，其目的是明晰白洋淀湿地生态功能的空间分异规律，为雄安新区资源环境承载能力综合监测和透明雄安数字平台建设提供空间信息支撑㊂白洋淀湿地生态功能分区遵循主导生态功能原则㊁生态系统类型完整性原则㊁区内相似性原则㊁区间差异性原则以及等级性原则㊂（２）分区方法：依据生态系统服务功能重要性和生态系统敏感性评价结果，将两者评价分级图进行叠加分析，得到如下三种综合分区结果及其对应的处理方法［１４］：①生态系统服务功能重要性级别达到Ⅲ级（即中等重要）和Ⅳ级（极重要）的地区，以其主导生态系统服务功能重要性覆盖区域作为边界划分依据㊂②生态系统服务功能重要性级别为Ⅲ级以下（即不重要（Ⅰ级）和较重要（Ⅱ级））的地区，若生态系统敏感性级别达到Ⅳ级和Ⅴ级区域（即高度敏感和极度敏感区），以重要生态系统敏感性覆盖区域作为边界划分依据㊂③其余地区（即生态系统服务功能重要性Ⅲ级以下且生态系统敏感性Ⅳ级以下的地区），结合白洋淀实际自然与经济状况，并参考白洋淀地区相关规划文件，选择相对最重要的生态系统服务功能的覆盖区域作为其边界划分㊂最后，在考虑生态系统类型完整性的基础上，结合白洋淀地区自然地理条件㊁生态环境状况㊁生态保护和管理的需要等，作为分区参考，对上述综合分区结果图进行合理的调整和完善，形成科学完整的分区结果图㊂（３）分区命名：白洋淀湿地生态功能区命名采用服务功能命名优先㊁敏感性命名补充的方式［１４］㊂生态功能区名称组成为：区位＋主导生态服务功能（或生态敏感性）＋功能管控名称㊂其中，区位包括东部㊁南部㊁西部㊁北部㊁东南部㊁西南部㊁东北部㊁西北部八个方位名称；主导生态服务功能为主：区位＋主导生态服务功能＋ 功能区 ；主导生态敏感性为主：区位＋生态敏感性＋ 保护区 ／ 恢复区 ／ 重建区 （按照敏感性影响程度由轻到重依次确定）㊂３㊀结果与分析３．１㊀生态系统服务功能重要性白洋淀湿地生态系统服务功能重要性各指标评价结果如图２所示㊂（１）水产品供给功能重要性：２００７５６４㊀２期㊀㊀㊀朱金峰㊀等：白洋淀湿地生态功能评价及分区㊀。
什么是边界层
什么是边界层?广义讲:在流体介质中,受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。
具体到大气边界层,是指受地球表面摩擦以及热过程和蒸发显著影响的大气层。
大气边界层厚度,一般白天约为1.0km,夜间大约在0.2km左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内。
大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁。
全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是通过大气边界层过程来实现的。
什么是湍流?英文湍流为“turbulence”,日文为“乱流”,湍流简单定义:流体微团进行的有别于一般宏观运动的不规则的随机运动,从宏观上看,它没有稳定的运动方向,但它能够象分子运动一样通过其随机运动过程有规律地传递物质和能量。
从1915年由Taylor[1]提出大气中的湍流现象到1959年Priestley[2]提出自由对流大气湍流理论,可以说,到20世纪50年代以前经典的湍流理论基本上已经形成。
以后,湍流理论基本上再没有出现大的突破。
1905年Ekman[3]从地球流体力学角度提出了著称于世的Ekman螺线,在此基础上形成了行星边界层的概念,他的基本观点仍沿用至今。
1961年,Blackadar[4]引入混合长假定,用数值模式成功地得到了中性时大气边界层具体的风矢端的螺旋图象。
行星边界层的提出使人们认识到了大气边界层在大气中的特殊性和一些奇妙的规律。
从20世纪50年代开始,由于农业、航空、大气污染和军事科学的需要,掀起了大气边界层研究的高潮。
1954年, Monin和Obukhov[5]提出了具有划时代意义的Monin—Obukhov相似性理论,建立了近地层湍流统计量和平均量之间的联系。
1982年,Dyer[6]等利用1976年澳大利亚国际湍流对比实验ITCE对其进行完善使得该理论有了极大的应用价值。
1971年Wyngaard[7]提出了局地自由对流近似,补充了近地面层相似理论在局地自由对流时的空白。
白洋淀纪事湿地生态系统监测方法
白洋淀纪事湿地生态系统监测方法白洋淀湿地位于河北省涿州市和安新县交界处，是我国著名的淡水湖泊之一，也是京杭大运河主要水源之一。
作为国家重点保护湿地，白洋淀的生态系统监测至关重要。
本文将介绍白洋淀湿地生态系统监测的方法及其重要性。
一、遥感监测遥感技术是湿地生态系统监测中常用的方法之一。
通过卫星遥感图像可以快速获取大范围的湿地信息，如湿地植被覆盖度、湿地面积等。
同时，遥感技术还可以监测湿地的水质、水温等参数，为湿地生态系统的健康评估提供数据支持。
二、生物多样性调查生物多样性调查是湿地生态系统监测的重要内容之一。
通过对湿地内各类生物的种类、数量、分布等信息进行调查，可以了解湿地生态系统的结构和功能。
同时，生物多样性调查还可以评估湿地生态系统的稳定性和健康状况，为湿地保护和管理提供科学依据。
三、水质监测水质监测是湿地生态系统监测的关键环节。
定期对白洋淀湿地的水体进行采样分析，可以了解水体中的营养盐、重金属等污染物质的浓度，评估水体的污染程度。
水质监测还可以监测湿地水体的氧化还原电位、pH值等参数，为湿地水生态系统的恢复和保护提供数据支持。
四、定点观测定点观测是湿地生态系统监测的常用方法之一。
选择代表性的监测点位，在同一位置连续观测湿地的气候、水文、生物等要素的变化。
通过长期的定点观测数据，可以揭示湿地生态系统的演变规律，为湿地保护和管理提供科学依据。
五、模型模拟模型模拟是湿地生态系统监测的辅助手段之一。
通过建立湿地生态系统的数学模型，模拟湿地内各种生态过程的动态变化。
模型模拟可以预测湿地生态系统的响应和适应性，为湿地的合理利用和管理提供参考。
六、结语白洋淀作为我国重要的湿地生态系统，其监测工作显得尤为重要。
通过多种方法的综合应用，可以全面了解湿地的状况，为湿地的保护和管理提供科学依据。
希望未来白洋淀湿地生态系统监测工作能够得到更加完善和深入的发展，为湿地的可持续发展贡献力量。
大气污染预报研究取得新进展
大气污染预报研究取得新进展 胡 非 郭亚曦 (大气物理研究所LAPC 北京 100029) (中国科学院资环局 北京 100864)关键词 大气环境,大气污染预报,研究成果1 引言中国科学院“九五”重大项目“大气污染预测的理论和方法研究”系由中国科学院大气物理研究所负责的一项前瞻性应用基础研究和社会公益性研究项目,参加本项目研究的单位还有中国科学院寒区旱区环境与工程研究所(原兰州高原大气物理研究所)和中国科学技术大学。
本项目的科学目标是在深入认识大气污染扩散等过程的规律的基础上,运用国际上先进的数值预报方法预测污染物浓度的时空分布,就象预报天气一样预报空气污染。
研究内容主要包括大气污染动力学、大气污染的气象条件、大气污染预测模式和大气污染预测试验。
本项目研究工作的关键问题和难点是污染物输送扩散过程中所发生的非线性物理、化学过程;造成严重大气污染的气象条件;高分辨率的中尺度气象模式和大气边界层模式;科学性和实用性有机结合的城市和区域尺度大气污染浓度预报模式。
具体预报对象是二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NO x)、总悬浮颗粒物(T SP)以及臭氧(O3)、一氧化碳(CO)等,预报时效以短期(24—48小时)为主。
两年多来,本项目不仅在大气污染预测理论上取得了较大进展,而且已率先在国内研制出一套城市和区域大气污染预报模式系统。
为验证和改善预报理论及模式,提高模式的可信度,积累实践经验,该项目从开始就坚持了边研究边进行预报试验的技术路线。
利用研制的模式系统与国家环境监测总站和北京、天津及沈阳的有关部门合作,成功地进行了实际的大气污染预报,并获准在电视、电话等媒体上公布,社会反映良好,特别是沈阳区域气象中心利用本项目研制的预报模式开通污染预报“121”电话服务后,还取得了一定的经济效益。
目前本项目正在与南京市和广州市商讨签订开展大气污染预报合作的协议,并获得了研究所知识创新工程项目的进一步支持。
2 具体研究内容和研究成果以下分四个方面介绍本项目的主要研究内容和阶段性成果,其中许多实验研究和数值模 大气物理研究所研究员 收稿日期:1999年12月19日拟结果在国内都是首次得到的,有些还达到了国际先进水平。
非均匀下垫面近地层风动力降尺度研究
非均匀下垫面近地层风动力降尺度研究
全球模式能够较好地表征大尺度环流状况,但由于分辨率较低,难以捕捉到与非均匀下垫面局地强迫有关的中小尺度系统过程。
动力降尺度指利用高分辨率有限区域模式来实现全球模式结果和局地强迫之间的非线性相互作用,以获取区域或局地的大气变化信息。
目前动力降尺度在地面气温和降水区域气候模拟和气候变化预估方面得到
了广泛研究,然而对近地层风的研究还不够深入和完整。
本文首先分别从城市群
和沿海复杂地形近地层风模拟的角度出发,重点讨论了下垫面动力和热力性质不均一分布对近地层风日变化特征的影响,然后对中国区域地面风速气候变化进行预估。
主要研究内容和结论如下： 1.利用较新的MODIS陆面类型资料以及
WRF/Noah/UCM耦合模拟系统对珠江三角洲地区2008年近地层风场进行1-km分辨率的模拟,并将模拟结果与风廓线雷达和地面站观测数据进行了比较分析,研究发现：地面风速具有明显的日变化特征,白天大、夜间小；上层风速则表现为白天小、夜间大。
模拟风速日变化与观测基本一致,较准确地再现上、下层风速反相变化特征。
模拟风速值在1000m以内存在正偏差；在1000m以上存在负偏差。
另外,通过将珠三角地区城市改为农田并进行敏感性试验,发现城市化使该地区地表能量收支结构发生了明显的改变,城市化使白天潜热通量减少,地面热通量增加,更多的热量存储于地面中并于夜间释放出来,夜间感热通量变大。
相应地,城市化使地面风速白天减小、夜间则增大(冬季除外),夏季夜间地面风速增大尤为显著,约为1m/s。
上述结果表明,WRF/Noah/UCM系统对于城市下垫。
第一章：大气边界层概述1
YSU simulation
0.3
0.4
MYJ simulation
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 OBS 3 SO2 concentration(mg/m )
ACM2 R=0.614
0.2
0.3
0.1
0.2
0.0
0.1
0.0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
边界层气象学教程
研究内容
研究意义
大气边界层
研究方法
研究进展
高度(km) 3000
大气边界层？
atmospheric boundary layer
³³³
500 400 ³ ³ ³ 300 200 100 90 ³³³³
¨ ³ ³ +³ ¨ ³ ³ +³
³ ³ ³ km³ ¨ ³
80 70 60 50 40 30 20 ³³³ ÷ ³ +³ ¨ ³ ³³³³ ÷ ³³³ ³ -³ ¨ ³
280
282
Time
图1 三种边界层方案(YSU、MYJ和ACM2)模拟的与观测的 （a）西固二水厂和（b）兰州站的地面温度（2m）日变化对比 （b）兰州站（52889）
OBS YSU MYJ ACM2
1.2 51.2 02 51.2 05 51.2 08 51.2 11 51.2 14 51.2 17 51.2 20 51.2 23 61.2 02 61.2 05 61.2 08 61.2 11 61.2 14 61.2 17 61.2 20 61.2 23 71.2 02 71.2 05 71.2 08 71.2 11 71.2 14 71.2 17 71.2 20 7-2 3
1972—2012年白洋淀湿地潜在蒸散量变化分析
1972—2012年白洋淀湿地潜在蒸散量变化分析作者：贾秋兰，赵玉兵，王小娟，王欢，吴云龙来源：《农学学报》 2018年第5期0 引言全球气候变暖已是不争的事实[1]，在气候变暖的大背景下，近100 年来中国地表气温增加尤为明显，升温幅度约为0.5~0.8℃[2-3]。
以增温为主要特征的气候变化将对中国的生态系统和社会经济产生重要影响[4-8]。
湿地作为一个独特的生态系统，在涵养水源，保护生物的多样性，调节区域气候，控制碳循环等方面具有重要的意义[9]。
近些年来，一些学者对湿地气候变化开展了一些研究，取得了许多有益的成果，贾志军[10]对三江平原典型沼泽湿地蒸散量及其影响因子进行研究，认为沼泽湿地蒸散量时间变化特征明显。
罗磊[11]分析认为全球气候变化是青藏高原湿地退化的重要气候背景。
沃晓棠等[12]认为扎龙湿地的大气湿润度在减小，气候在向暖干方向发展。
李风霞等[13]通过分析，揭示了气候变化对青海湖地区区域生态与环境的影响效应。
王芳[14]研究认为七星河湿地对当地气候具有重要的调节作用。
白洋淀湿地位于河北省中部，在保定与沧州境内，是河北省第一大内陆湖，地理坐标在38°43′—39°02′N，115°38—116°26′ E 之间，面积366 km2，素来有“华北之肾”的称谓，但到目前，对白洋淀湿地的研究还不多，而潜在蒸散量是指充分供水条件下的区域蒸散发能力[15]。
目前已被广泛应用于农田灌溉、作物需水量等水资源管理的研究中[16-17]。
从气象学的角度来看，潜在蒸发量也是地表水量平衡和能量平衡的重要研究内容[18]。
因此，笔者立足于白洋淀附近的安新气象站的多年气象资料，分析了近54 年来白洋淀湿地潜在蒸散量的变化状况，此研究能够为白洋淀湿地的水平衡等生态保护问题提供积极地借鉴和参考。
1 资料与方法1.1 资料来源本研究数据来源于河北省气象局气候中心，用白洋淀湿地内的安新气象站1972—2012 年逐日平均气温（含最高最低）、降水、日照、风速、相对湿度等观测数据资料，季节的划分按照3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12 月至次年2 月为冬季的划分方式生成逐季序列。
大气边界层的国内外研究现状
大气边界层的国内外研究现状宁志远;刘厚凤【摘要】对大气边界层的理论基础、确定方法、特征要素、影响因子、时空变化特征以及与大气污染间的相互作用进行总结,得出以下结论:大气边界层的理论体系较为完备,但理论研究进展缓慢;廓线测量是确定大气边界层结构最常用的方法,雷达、数值模拟等方法仍需对比验证;大气边界层日变化、季节变化特征十分明显,海陆间边界层变化特征差异明显,戈壁、高原等地区的大气边界层特征较为特殊;大气边界层结构,尤其是风速风向、混合层高度对大气环境有明显的影响;大气污染对大气边界层的影响和区域大气边界层特征的研究较少,可作为今后的研究重点.【期刊名称】《中国环境管理干部学院学报》【年(卷),期】2017(027)002【总页数】4页(P22-25)【关键词】大气边界层;理论基础;确定方法;时空变化特征;大气边界层结构与大气污染的相互影响【作者】宁志远;刘厚凤【作者单位】山东师范大学地理与环境学院, 山东济南 250014;山东师范大学地理与环境学院, 山东济南 250014【正文语种】中文【中图分类】X51大气边界层（Atmospheric Boundary Layer，ABL）位于大气圈与地球表面交界区，是对流层下部直接受地面影响的部分，平均高度约为1～2 km，也是大气热量、动量和各种物质（水汽、污染物）上下输送的重要通道，能在一小时或更短时间内响应地面作用[1]，影响因素包括地表摩擦、热量输送、污染物排放及地形扰动等，对某区域的大气环境质量有着至关重要的作用。
20世纪初，Prandtl、Ekman提出的边界层理论和Ekman螺线奠定了大气边界层理论基础[2]；20世纪中期，随着Monin-Obukhov相似性理论和自由对流大气湍流理论的提出，经典湍流理论基本形成[3]。
20世纪60年代，Lorenz发现了新的湍流发生机制[4]；70年代，Deardorff、Wyngaard和Dyer等人将相似性原理引入混合层和对流层的研究并逐渐完善，使其有了极大的应用价值[5]。
第一章 大气边界层与边界层气象学研究
T ：实测的温度
e、P ：当时的水汽压、大气压
Tv > T
密度：水蒸汽 < 干空气 浮力：未饱和湿空气 > 干空气
绝对温度T
<
虚温Tv
3. 虚位温 θ v ：液态水比空气的密度大，这样，有云 的气块浮升就比相应的无云气块浮升要小，气块中悬 浮的云滴会引起虚位温的降低。对于饱和空气而言 （存在云的情况下），定义虚位温θv为：
森林-10月14日 Qe<Qh
6:00 12:00 18:00 0:00
Qs：太阳辐射 Qh：显热通量 Qe：潜热通量 Qg：土壤热通量
3 低层大气温度
气温垂直分布三种情形： ① 气温随高度递减 ② 气温随高度基本不变 ③ 气温随高度逆增
温度垂直梯度的大小与太阳辐射、云况、 风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。
Ro U fL
惯性力 f ：柯氏参数 （地转偏向力）
柯氏力
Ro大柯氏加速度影响小，风切变（旋转所致）的影响 可不计。Ro趋向无穷大Ro自行满足
Ro≤1，柯氏力影响较大，地球旋转作用不可忽略
1.5 相似性参数
3. 弗罗德数（Fr）相似性
Fr U
2
惯性力 g ：重力加速度
gL
重力
Fr大（>>1），重力影响小 Fr小（≈1或<<1），重力影响大，不可忽略
u
u
) 0.5
1.5 相似性参数
• 物理实验（风洞、水槽等）中，为保证得 到正确结果而且与实际大气系统可比较， 则需要满足相似性条件 • 几何相似 • 运动学相似 • 动力学相似 • 热力学相似 • 边界条件相似
非均匀下垫面大气边界层研究进展
距 地 表 ｌ～ ｍ 的大 气 边 界 层 ， 仅 是 生 物 赖 以生 存 的 主要 空 ２ｋ 不 间 ， 是 地 球 大 气 动 量 、 量 和 各 种 物 质 上 下 输 送 的 重 要 通 道． 球 也 热 全 变 化 的影 响 、 表性 质 的改 变 以及 人类 活 动对 气 候 的 反馈 ， 地 都是 通 过 大 气边 界层 过程 实 现 的 ． 气 边 界 层 物 理 过 程 与 下 垫 面 物 理 性 质 联 大 系紧密 ， 表下 垫 面作为 大 气 唯 一 的物 理 边 界 ， 不 同时 空尺 度 上 影 地 在 响着大 气运 动状 态 和气 候变 化 ．
洪 雯 ， ． 均 匀 下 垫 面 大 气 边 界 层 研 究进 展 等 非
１ ５６
ＨＯＮ ｅ ｅ １Ｒｅ ｉ ｆ ｅｅ ｒ ｈ ｓｏ ｔ ｓ ｈ ｒ ｏ ｎ ａｙ ｌｙ ｒ ｖ ｒｈ ｔ Ｇ Ｗ ｎ，ｔａ． ｖｅ ｏ ｓａｃ ｅ ｎ ａｍｏｐ ｅｉ ｂ ｕ ｄ ｒ ａ ｅ ｅ ｅｅ ｅ ｅ ｕ ｎ ｅ ｌｉｇｓ ｒ ｃ ｗ ｒ ｃ ｏ ｍｇ ｎ ｏ ｓｕ ｄ ｒ ｎ ｕｆ ｅ ｙ ａ
文 章 编 号 ：６ ４７７ （ ０ ０ ０ －１５０ １７ —０ ０ 面大气边 界层研究进 展
洪 雯 王 毅 勇 ， 。
摘 要 总 结 了水 平 非 均 匀下 垫 面 的 大 气 边
０ 引言
Ｉ ｔｏ ｕ ｔｏ ｎ ｒ ｄ ｃ ｉｎ
界层研 究 ， 出干旱 区 的绿 洲具 有 明显 指 的“ 冷湿 岛效应 ” 并 可形成 边缘 逆 湿和 ， 区域 环 流 ， 而植 被 和 水 域 的 分 布 则 显 著
城 市 中绿 地 和 水 体 的 微 气候 效 应 ． 较 比
大气边界层概述
各种条件下的大气边界层专项观测实验
青藏高原
南沙
北极
淮河
内蒙
高精度梯度测量系统
近地面综合梯度观测
观测非均匀边界层
• 超声阵列测量（ HATS计划）
• 观测飞机 • 带平衡陀螺仪的汽艇 • 闪烁仪等
• 遥感观测
热量通量观测
辐射观测
青藏高原：在珠峰进行边界层气象和化学物质测量
北极：斯瓦尔巴德地区开展边界层观测试验
测量平均时间 2～60min
遥感仪器及技术指标
无线电声雷达 (RASS)
意大利Irone公司
最高探测高度 1000m
最低探测高度 100m
垂直空间分辨率 10m
测量范围
-30～40℃
精度
0.1℃
测量平均时间 3～30min
法国 REMTECH 公司最先进的低 层大气风速、温 度廓线测量仪
国际上最先进的边界层雷达（LAP5000）
大气边界层概述
王成刚 大气物理系
与流体力学中称固壁附近的边界层为“平板边界层”、 “机翼绕流边界层”等类似，大气边界层也常常被称为“行 星边界层”，因为它是处于旋转的地球上的。当大气在地表 上流动时，各种流动属性都要受到下垫面的强烈影响，由此 产生的相应属性梯度将这种影响向上传递到一定的高度，不 过这一高度一般只有几百米到一二公里，比大气运动的水平 尺度小得多。在此厚度范围内流体的运动具有边界层特征。 在大气边界层中的每一点，垂直运动速度都比平行于地面的 水平运动速度小得多，而垂直方向上的速度梯度则比水平方 向上的大得多。此外，由于地球自转的影响，水平风速的大 小在随高度变化的同时，风向也随之变化。
大气边界层内运动的主要特点就是其湍流性，大气 边界层的Reynolds数是相当大的，流体几乎总是处于湍 流状态，而且湍流度很大，可达20%左右。水平均匀地 面上的大气边界层结构可以简单地区分为上下两层，其 中近地面50~100m范围内的一层称为“近地层”或“常 通量层”(该层底部实质上也含有一个厚度非常小的粘性 次层，但通常不予考虑)，其中湍流动量通量可以认为是 常值，平均水平风速服从对数律，这一特性是风洞中用
大气边界层探测技术初步分析
料， 常规 的高 空探 测 资 料一 般 难 以满 足 。常 用 的
边 界层探 测方法 主要有 以下 几类 。 ２ １ 系留气球 探测 ．
（ ）位置 固定 ， 得 气 象塔 对 边 界 层 研究 的 ２ 使 目的难 以兼 顾 。气 象塔 用于研 究大气 边 界层 的基
系 留气 球作 为低空 探测Fra bibliotek 备 能 比较 直观地获
作 者 简 介 ： 超 超 （９ ６ ） 男 ， 熊 １ ８ 一 ， 大学 ， 程 师 ． 究 方 向 ： 事 大气 探 测 理 论 与 技 术 ． 工 研 军
・
７ ・ ８
气 象 水 文 海 洋 仪 器 时 的风 向 ， 用其 中的 一 套读 数 。为 了使各 个 高 选
度、 湿度 、 风速 等 ） 均量 和脉动 量测量 ； 平 湍流通 量
密 度 比较 重 要 。
大气 边界层 的探测 手 段 极 其 丰富 ， 规 的 高 常
空探测 资料一 般 都 包 括边 界 层 的 资料 。此 外 ， 应
用 Ｇ Ｓ探 测 和 飞 机 探 测 也 是 有 效 的探 测 手 段 。 Ｐ
边 界层 的研究 ， 常需 要 高 密度 高 精 度 的探 测 资 经
边 界 层 按 其 热 动 力 学 及 相 应 的湍 流 特 征 可 分 为 不 稳 定 、 定 和 近 中 性 ３类 ， 界 层 高 度 随 地 表 特 稳 边
。
近年 来 ， 内外 重 大 气 象 实 验 大 都 把大 气 边 国
界 层 研 究 作 为 核 心 的 科 学 内 容 之 一 。如 ：
界层探 测范 围和 内容还 在 不断扩展 。
测仪 器 ， 备 计 算 机 系 统 ， 配 以实 现 观 测 程 序 和 记 录、 资料储 存 和处 理 的 自动化 。 气象塔 有 以下几个 缺点 ： （ ）气象 塔 造 价 比较 昂 贵 ， 以在 边 界 层 水 １ 难
大气边界层理论
⼤⽓边界层理论⼤⽓边界层是地球⼀⼤⽓之间物质和能量交换的桥梁。
全球变化的区域响应以及地表变化和⼈类活动对⽓候的影响均是通过⼤⽓边界层过程来实现的。
由于⼈类⽣活在⼤⽓底层⼀⼤⽓边界层中,因此⼈体健康与⼤⽓环境密切相关。
天⽓、⽓候的变化往往会影响到⼈体对疾病的抵御能⼒,使某些疾病加重或恶化,同时适宜的⽓象条件⼜使病毒、细菌等对⼈体有害的⽣物繁殖、传播,使⼈们感染⽽患病。
在城市尤其是⼤城市,⼈⼝、机动车、燃煤量的增加,以及城市⼯业化的发展,⼤量⽣产中的废⽓、尘埃和汽车尾⽓排放到⼤⽓中加上⾼⼤建筑的增加,改变了城市的⼩⽓候,使城市在⽆强冷空⽓活动的情况下,⼤⽓扩散能⼒极差,造成⼤⽓质量不断恶化,从⽽危害到⼈体健康,影响⼈类的正常⽣活。
因此,边界层尤其是城市边界层⼤⽓结构及其与污染物浓度之间关系的研究具有特殊重要的意义。
边界层定义为直接受地⾯影响的那部分对流层,它响应地⾯作⽤的时间尺度为⼩时或更短.⼤⽓边界层,是指受地球表⾯摩擦以及热过程和蒸发显著影响的⼤⽓层。
这些作⽤包括摩擦阻⼒、蒸发和蒸腾、热量输送、污染物排放,以及影响⽓流变化的建筑物和地形等。
边界层⼀般⽩天约为1 km,夜间⼤约在200 m左右,地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在⼤⽓边界层内。
地⾯典型吸收率约为90%,其结果使⼤部分太阳能被地⾯吸收。
正是地⾯为响应太阳辐射⽽变暖或变冷,它依次迫使边界层通过输送过程⽽变化。
边界层内⽓流或风可以分为平均风速、湍流和波动三⼤类。
边界层中诸如湿度、热量、动量和污染物等各种量的输送,在⽔平⽅向上受平均风速⽀配,在垂直⽅向上受湍流⽀配平均风速是造成快速⽔平输送或平流的主要原因。
边界层中⼀的⽔平风速2~10 m是常见的。
在夜间边界层中经常观测到的波动,虽然它们只能输送少量的热量、湿度和污染物之类的标量,但在输送动量和能量⽅⾯却有着显著的作⽤。
许多边界层湍流是由来⾃地⾯的作⽤引起的,例如⽩天阳光充⾜,地⾯的太阳加热使暖空⽓热泡上升,这种热泡就是⼤湍涡。
第一章 大气边界层与边界层气象学研究
流体力ห้องสมุดไป่ตู้定义
Prandtl（1904）首次引入空气动力学
大气运动尺度分析角度定义
Orlanski(1975)尺度定义
大尺度 中尺度 小尺度
α大尺度
β大尺度
α中尺度
β中尺度
γ中尺度
α小尺度
β小尺度
γ小尺度
macro- α
macro- β
meso- α
meso- β
meso- γ
micro- α
micro- β
S7
PBL结构变化特征：
• 见书上P31－34：⑴⑵⑶⑷⑸⑹
总之：分析大气边界层结构变化 特征，具体问题具体分析。 考虑天气条件，下垫面，地形以 及季节、层结稳定度条件等的变化对 大气边界层的影响。
2-2 爱克曼螺线和爱克曼层(了解)
在中性层结、下垫面水平均匀、大气定常， 且粘滞系数为常数的情况下所求得的风随 高度变化的解，即为经典的Ekman风廓线解。
雷诺应力定义
u' 2 u' v' u' w' 2 ' - v'u' v' v' w' 2 w' u ' w' v' w'
三 温度、位温、虚位温…（自学） 四 Boussinesq近似（自学） 五 准静力平衡（自学）
重点（理解，掌握）
• • • • • • 大气边界层 边界层中的风与气流 湍流 泰勒假说 湍流通量 雷诺应力
• 近几十年来，由于计算机速度的不断提高， 大气边界层的数值模拟研究方法成为一种常用的 研究手段。
由地面粗糙度或摩擦作用产生的小尺度湍流以及地面增热造成的热
大气边界层案例分析
⼤⽓边界层案例分析⼤⽓边界层案例分析1. 由下图分析晴天⽩天和夜间典型的风温垂直分布。
分析：⼤⽓边界层中温度层级起着重要作⽤，层结的稳定与否决定了湍流的强弱，也就决定了边界层中⽓象要素的垂直分布(廓线)。
图1.3.1是晴天⽩天和夜间典型的理想的风温垂直分布。
在贴近地⾯的薄⽓层内(近地层SL)，⽩天由于地⾯强烈受热，形成贴近地⾯⼤⽓中超绝热温度递减率，⽽反映在位温上，即是/0z θ??<，风速则随⾼度递增。
再向上，在边界层的⼤部分范围内θ有⼀个不随⾼度变化的⽓层，风速也是如此，相应温度呈绝热下降，我们称之为混合层(ML)。
其原因是强烈的湍流混合使风、位温等垂直梯度减⼩，造成均匀分布。
在边界层以上的⾃由⼤⽓(FA)中，温度恢复为⾃由⼤⽓的递减率，位温则随⾼度⽽增，风则接近地转风速。
在⾃由⼤⽓与边界层间有⼀个过渡区域，其中各⽓象要素由边界层值逐渐过渡到⾃由⼤⽓。
此层称为夹卷层(EZ)，在夹卷层中，发⽣着复杂的物理过程，从边界层中受热上升的⽓块可以穿透边界层与⾃由⼤⽓间的逆温⽽进⼊⾃由⼤⽓。
同样，湍流、重⼒波等亦可使⾃由⼤⽓中具有较⾼位温的⽓块进⼊边界层，这种过程称为夹卷，在夹卷层中即进⾏着边界层与⾃由⼤⽓间的各种交换。
典型夜间的风温廓线从图 1.3.1可看出在地⾯附近有⼀个逆温层，亦即稳定边界层(SBL)，在T 和θ上均体现出来，这是由于地⾯强烈冷却造成地⾯温度低于⼤⽓造成，在其上则是⼀个θ随⾼度变化很⼩的“残留层”(RL)，从成因来说，⽩天的对流边界层在夜间由于地⾯降温⽽在近地⾯形成逆温，但上部⼀段却保持着⽩天混合层的特征，使θ近于随⾼度不变，并且在残留层与⾃由⼤⽓间仍有顶盖逆温(CI)，但残留层由于逆温层的存在已与地⾯脱离关系，其中湍流得不到发展的动⼒⽽逐渐衰减。
夜间边界层的风场由于夜间湍流弱，湍流摩擦⼒减⼩，风速与⽩天⽐得到加强，因⽽呈现出有最⼤风在某⾼度出现。
2. ⼤⽓边界层是与⼈类活动关系最为密切的⼀层，⼤⽓边界层具有哪些基本特点？分析：⼤⽓边界层的基本特点有：（1）运动的湍流性⼤⽓边界层有别于其上的⾃由⼤⽓的基本特点就是其运动的湍流性。
(精选)大气边界层与边界层气象学研究
200m ~ 2km 对流
Micro 尺度
20m ~ 200m 对流单体
Micro 尺度
2m ~ 20m 烟气扩散
Micro 尺度
< 2m 湍流
Micro 尺度
5
有时ABL高度难以判断
定义：大气边界层位于对流层的最底部，由
于直接与地面相贴而强烈受到分子粘性、 湍流摩擦、辐射增热、水汽交换、物质扩 散各种交换作用和地形的影响，致使湍流 应力成为重要因子而不可忽略，与之相联 系形成ABL。即直接受地面影响的那部分对 流层，它响应地面的作用而且时间尺度为1 小时或者更短。
6
1－2 风与气流（重点掌握）
uuuu
平均风 波动 湍流
7
平均风：明显的日变化
风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度
一般量级：水平风为米的量级
垂直风为毫米-米的量级 波动：有规则和一定的周期变化，形式多样，常见：
重力波、惯性波 湍流：大气边界层的主要运动形态，剪切和不稳定特性等，
湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。 大气湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动。
29
雷诺应力定义
u'2 u'v' u'w'
' - v'u' v'2 v' w'
w'u' w'v' w'2
30
三 温度、位温、虚位温…（自学） 四 Boussinesq近似（自学） 五 准静力平衡（自学）
31
重点（理解，掌握）
• 大气边界层 • 边界层中的风与气流 • 湍流 • 泰勒假说 • 湍流通量 • 雷诺应力
阵风因子与大气边界层要素的关系及预报试验
阵风因子与大气边界层要素的关系及预报试验胡波【摘要】Based on the wind data at four weather stations in Zhoushan and ERA-interim data during 2008-2016, the climatic characteristics of gust factors with the distribution of mean wind speed, wind direction, hour and month are analyzed respectively.The correlation analysis is carried out between gust factors and atmospheric stability, the ratio of the wind speed at the levels of 250 to 1000 mto the wind speed of 10 m, and the 6-h temperature variation at different levels in the atmospheric boundary layer.Then the best predictors are selected and the cyclic tests of gust forecast are conducted based on the BP artificial neural network method.The results show that (1) When the mean wind speed is small, the gust factors fluctuate greatly.The gust factors of air flows near the mainland or from the land direction are larger. (2) The gust factors are relatively larger in 11:00-16:00, when the turbulence affected by solar radiation is relatively strong.The gust factors from July to September and November to December are also relatively larger owing to typhoon influences or the larger surface roughness respectively. (3) The relations of the gust factors with the ratio of the wind speed of 250-1000 mto the wind speed of 10 mand temperature present positive correlation, and there presents negative correlation with stability parameters at the atmospheric boundary layer.It proves that the main physical cause of the gust is relevant to the vertical turbulent transport of momentums. (4) The cyclictests reveal the important role of stability and turbulence at the atmospheric boundary layer in gust forecast.The gust absolute errors and their variances of the optimum groups are reduced by 10％ to 25％, compared with those of comparison groups at four stations.%利用2008-2016年舟山4个海岛气象站大风资料和欧洲中心的ERA-interim再分析资料, 分析了阵风因子随平均风速、风向、小时、月份等分布的气候特征, 统计阵风因子与边界层的大气稳定度、250～1000m风速与10m风速的比值、6h变温等要素的相关后, 选取最佳预报因子, 利用BP人工神经网络方法, 根据不同因子组合对阵风进行循环试报.结果表明:①平均风速较小时阵风因子波动范围大;靠近大陆站点的阵风因子及来自陆地方向气流的阵风因子偏大.②白天11:00-16:00受太阳辐射影响大气湍流相对较强, 阵风因子偏大.7-9月沿海受台风影响频繁, 其阵风因子要大些, 而11-12月阵风因子偏大则与来流方向的地表粗糙度较大有关.③阵风因子和边界层不同高度的风速与10m风速比值, 及气温具有明显正相关, 与边界层大气稳定度参数具有负相关, 相关结果印证了阵风主要物理成因与动量的垂直湍流输送有关.④阵风循环试报表明最佳组模型试报的绝对误差及方差均比对比组模型减少约11％～25％, 具有较好的预报效果.【期刊名称】《气象科技》【年(卷),期】2019(047)002【总页数】7页(P282-288)【关键词】阵风因子;大气稳定度;边界层;人工神经网络;湍流【作者】胡波【作者单位】浙江省气象台,杭州 310017【正文语种】中文【中图分类】P457引言研究近地层风场阵风效应、风速切变、垂直空间结构等对航运安全、建筑抗风设计、灾害评估等均有重要的意义 [1-3]。
白洋淀边界矢量
白洋淀边界矢量1. 介绍白洋淀白洋淀位于中国河北省保定市涞源县，是华北地区最大的湿地之一，也是中国重要的生态保护区和旅游景点。
白洋淀面积约为366平方公里，有着丰富的水资源和生物多样性。
白洋淀是黄河的重要支流之一，湖泊、河流、沼泽等水域构成了这片湿地。
这里水草丰美，植被茂密，拥有大量的湿地动植物资源。
白洋淀还是候鸟迁徙的重要驿站，每年都有大量候鸟在此栖息和繁殖。
2. 白洋淀边界矢量的意义为了更好地保护和管理白洋淀这一宝贵的自然资源，制定和准确划定白洋淀边界至关重要。
边界矢量作为一种空间数据形式，在该任务中起到了关键作用。
白洋淀边界矢量可以用来描述和表示白洋淀的范围和边界线条。
通过对边界矢量的绘制和分析，可以更好地了解白洋淀的形态和地理特征，为保护和管理提供科学依据。
同时，边界矢量还可以用于制作地图、规划旅游路线、进行生态环境监测等。
3. 制作白洋淀边界矢量的方法制作白洋淀边界矢量需要借助遥感技术和地理信息系统（GIS）等工具。
下面介绍一种常用的方法来制作白洋淀边界矢量：1.数据获取：首先需要收集相关的遥感影像数据和地理数据，包括高分辨率卫星影像、数字高程模型（DEM）、水文数据等。
这些数据可以从国家遥感中心、地方政府或其他专业机构获取。
2.影像预处理：对收集到的遥感影像进行预处理，包括大气校正、几何校正等步骤。
通过这些处理可以提高影像质量，减少噪声和失真。
3.地物解译：利用遥感影像进行地物解译，识别出白洋淀及其周围的水体、湿地、植被等要素。
常用的解译方法有目视解译、图像分类等。
4.数据整合：将解译得到的地物要素与其他地理数据进行整合，如DEM、水文数据等。
通过这些数据的叠加和分析，可以更准确地划定白洋淀边界。
5.边界绘制：根据整合后的数据，利用GIS软件进行边界线绘制。
可以根据实际情况选择不同的绘制方法，如手工绘制、自动提取等。
6.精度评定：对绘制的边界矢量进行精度评定，检查其与实际情况的符合程度。
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第30卷第5期2006年9月大 气 科 学Chinese Jo urnal of A tmospheric SciencesV o l 130 N o 15Sept.2006收稿日期 20060529,20060620收修定稿资助项目 国家自然科学基金资助项目40233030作者简介 胡非,男,1962年出生,博士,研究员,主要从事大气边界层物理和大气湍流理论研究。
E -mail:hufei@白洋淀地区非均匀大气边界层的综合观测研究)))实验介绍及近地层微气象特征分析胡 非1洪钟祥1陈家宜2刘熙明11中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室,北京 1000292北京大学大气科学系,北京 100871摘 要 介绍了国家自然科学基金重点项目/地表通量参数化与大气边界层过程的基础研究0在河北省白洋淀地区进行的两次综合观测实验(时间分别是2004年11月16~22日和2005年9月8~27日),这两次实验获得了大量宝贵的资料,全面深入的资料分析正在进行中。
此文主要限于白洋淀地区水陆不均匀地表近地面层微气象特征的分析。
结果表明:陆地上近地面层的气温日变化比水域上的大,而风速比水域上的小,其中9月份陆地上白天的气温比水域上的高,夜间比水域上的低,11月份两地白天气温接近,但夜间陆地上的气温明显偏低;无论是9月还是11月,水域上近地面层都是以下沉气流为主,而陆地则在中午前后存在弱的上升运动;9月份,两地的近地面层短波射入辐射比较接近,但水域上的短波射出辐射比陆地上的大;长波射入辐射则是陆地比水域的大,而长波射出辐射则是水域的比陆地的大;两地的净辐射白天接近,夜间水域地区负的净辐射值明显比陆地的大;9月份,水陆两地的感热通量相差不大,为150~200W/m 2,而潜热通量比感热通量大,天气晴朗时可达到300W/m 2;11月份,陆地的感热通量比潜热通量大,为100~120W/m 2,而水域地区的感热通量则与潜热通量相当;两地的潜热通量相差不大,一般不超过50W/m 2。
无论是9月还是11月,水域地区夜间都存在水汽向下输送的逆湿现象,而陆地只在9月份存在逆湿现象。
2005年9月份的水温观测结果表明,白洋淀水体平均温度比水表平均温度明显偏高,而且日变化幅度很小,水表平均温度则日变化较大。
关键词 非均匀边界层 综合观测 微气象 白洋淀文章编号 10069895(2006)05088311 中图分类号 P404 文献标识码 AThe Field Experiment of Atmospheric Boundary Layer over Heterogeneous Surface in Baiyangdian Area )Introduction and Preliminary Data AnalysisH U Fei 1,H ONG Zhong -Xiang 1,CH EN Jia -Yi 2,and LIU X-i M ing 11S ta te K ey L aborator y of A tmosp heric Bou ndar y L ay er Ph ysic s and A tmosph eric Ch emistry ,In stitute of A tmosp her ic P hysics,Chinese A cad emy of S cie nces ,B eij ing 1000292Dep artment of Atmosphe ric S cience ,P eking Univ er sity ,Beij ing 100871Abstract A co mpr ehensive field exper iment of atmo spheric boundar y layer ov er hetero geneous sur face is intr o -duced.T he ex per iments w ere held in Baiyangdian area o f N o rth China during 1622No vember 2004and 827Sep -tember 2005.Some micro metero log ical character istics fr om pr eliminary data analysis show s that (1)the diurnal va r -iation o f air t emperat ur e ov er the land is mor e obv ious than that over the water ar ea and the w ind speed ov er the land is less than that ov er the w ater ar ea.In September ,the air temperature over the land is hig her than that o ver the water area in the daytime,but low er at nighttime.I n N ovember,the air temperature ov er the land is almost thesame as that o ver the water area in the daytime,but is lo wer obvio usly at nighttime.Either in N ovember o r in Sep-tember,the v ertica l speed over the water area is alw ays neg ative,but over the land,there is sometimes a po sitiv e vertical speed at noon;(2)in September,the incident shor twav e r adiatio ns ov er the land and the w ater area ar e a-l mo st the same,but the reflected sho rtw ave radiatio n o ver the water ar ea is much mo re than that o ver the land.T he incident lo ng w ave radiation over the land is much more than that o ver the water area,but the reflect ed long wav e radiatio n o ver t he land is less than that over the w ater a rea.T he net radiations o ver the land and w ater area ar e a-l mo st the same in the day time,but t her e is a difference at nig ht;(3)the albedo over t he land is smaller t han that o-v er the wat er area;(4)in September,the sensible heat fluxes ov er two sites are abo ut150-200W/m2,and the la-tent heat flux es ar e near300W/m2in shiny day s.In No vember,the sensible heat flux is larg er than the latent heat flux o ver t he land,and the sensible heat flux is smaller than the lat ent heat flux ov er the water area.T here are a-l w ays minus latent heat fluxes o ver the w ater area;(5)in September,the water body temper ature is much higher and changes mo re slightly than t he w ater surface temper ature.Key words heterog eneo us surface,micrometeo rolog y,field ex per iment,Baiyangdian1引言大气边界层是人类生活和生产活动的主要空间,地气之间的物质、能量和各种通量的交换以及大气污染等都主要发生在这里,全球变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响也是通过大气边界层过程来实现的[1]。
但是,由于地表的非均匀性和大气运动的多尺度性以及湍流运动的复杂性,使得我们对非均匀大气边界层的深入了解遇到困难,从而影响我们对地气之间物质和能量交换、输送规律的认识。
非均匀和复杂下垫面不仅使大气边界层结构和湍流运动变得更加复杂,而且也给大气模式中的边界层参数化造成极大困难,制约了现代大气模式的发展[2,3]。
当前,非均匀大气边界层研究是大气科学领域一个十分重要的前沿课题。
近年来,全球范围内开展了多次针对不同下垫面边界层中地气之间的物质、能量、水分等交换的大型野外实验[4~7],从不同方面揭示了非均匀下垫面大气边界层的一些特征。
通过观测实验发现:只要非均匀性尺度达到边界层厚度的大小时,均会对地面通量造成影响;大于十公里尺度的非均匀性可导致中尺度环流,从而影响整个边界层的结构,特别是影响感热和潜热通量;小于几公里尺度的非均匀性对于边界层平均廓线和热通量影响不大,但是会影响湍流二阶和三阶矩;在许多大气背景条件下,由非均匀性引起的中尺度环流造成的次网格通量甚至比湍流通量还要强;非均匀地表通过影响水汽的空间分布可以使浅层对流降水增强;植被覆盖、土壤湿度、地表粗糙度通过影响边界层的发展可以改变对流单体的位置等。
科学家们还提出一些新的刻划非均匀边界层的概念和方法[3],例如/掺混高度0(blending height)的概念,依此可修正非均匀地面的通量估计中平流作用的影响;/马赛克0方法,可用于改善次网格通量的估计;又如/印痕0 (footprint)的概念,可以用来研究某一高度上观测到的通量资料能够代表多大的空间范围等等。