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玉米蒸散发变化的归因——基于贝叶斯原理参数优化的双源模型

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节水灌溉 2022年第11期 104-110页

作者：赵子敬魏国孝刘红娟田强龙邱中齐王福兵杨泽伟兰州大学资源环境学院兰州730000

蒸散发(ET)变化的归因分析对理解蒸散发的控制机理具有重要意义,是建立可靠的蒸散发模型和预测蒸散发变化的基础。通过贝叶斯方法,用差分进化自适应都市(DREAM)算法对双源蒸散发模型(SW)参数优化,使其模拟值与在玉米农田中获得半小时ET... 详细信息

蒸散发(ET)变化的归因分析对理解蒸散发的控制机理具有重要意义,是建立可靠的蒸散发模型和预测蒸散发变化的基础。通过贝叶斯方法,用差分进化自适应都市(DREAM)算法对双源蒸散发模型(SW)参数优化,使其模拟值与在玉米农田中获得半小时ET观测值达到最佳模拟效果。然后将涡度相关法与SW模型相结合,利用泰勒偏微分方程定量评估了黑河流域大满站玉米区域气候和植被变量对土壤蒸发(ET_(s))和植物散发(ET_(c))的相对贡献。与2016年相比,2017和2018年平均ET_(s)分别增加了2.56 W/m~2和72.90 W/m~2,2017年ET_(c)增加了24.41 W/m~2,2018年减少了13.38 W/m~2。2017年和2018年土壤表面可用能量(A_(s))对ET_(s)变化的贡献分别为124%和95.4%,冠层阻力(r_(s)^(c))对ET_(c)变化的贡献分别为68.8%和71.9%。参数优化后的SW模型与实测值拟合良好,能够反映ET的动态变化。ET的年际变化受气候和植物的复杂相互作用的影响,A_(s)和饱和水汽压差是驱动ET_(s)年际变化的主要因子,而冠层上方可用能量和r_(s)^(c)是驱动ET_(c)年际变化的主要因子。

关键词：双源蒸散发模型(SW) 参数优化玉米蒸散发变化归因驱动因子贡献率

贺兰山以北乌兰布和沙漠地下水水化学特征演化规律研究

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冰川冻土 2015年第3期37卷 793-802页

作者：党慧慧董军岳宁董阳郭映魏国孝兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室甘肃兰州730000

乌兰布和沙漠对中国西北部干旱地区气候变化和水文循环过程研究具有指示意义,以水文地球化学运移为导向,通过分析33个地下水样,探讨了该区地下水的补给与演化过程.结果表明:巴彦乌拉山浅层地下水水化学类型为Cl--HCO-3-SO2-4-Na+;从吉... 详细信息

乌兰布和沙漠对中国西北部干旱地区气候变化和水文循环过程研究具有指示意义,以水文地球化学运移为导向,通过分析33个地下水样,探讨了该区地下水的补给与演化过程.结果表明:巴彦乌拉山浅层地下水水化学类型为Cl--HCO-3-SO2-4-Na+;从吉兰泰盐湖至乌兰布和沙漠,主要水化学类型变化浅层地下水为Cl--HCO-3-Na+到Cl--HCO-3-SO2-4-Na+,深层地下水为HCO-3-Cl--Na+再到HCO-3-Cl--Na+或HCO-3-Cl--Ca2+.Gibbs图表明,研究区地下水的水化学特征主要受蒸发浓缩作用影响和岩石风化作用控制,大气降雨机制影响甚微.主要离子相关关系图及饱和指数表明,岩盐、芒硝、钠长石、方解石、白云石、石膏等矿物的风化溶解是该区地下水主要离子来源.此外,氯碱指数和Ca/Na的指示,说明阳离子交换作用也是形成该地区地下水水化学组分的重要机制.

关键词：水文地球化学特征 Gibbs图氯碱指数饱和指数乌兰布和沙漠

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乌兰布和沙漠降水入渗补给对气候变化的响应

中国沙漠 2017年第5期37卷 1016-1025页

作者：岳宁魏国孝孙朋董军党慧慧王刚黄少文兰州大学资源环境学院/西部环境教育部重点实验室甘肃兰州730000 山东农业大学水利土木工程学院山东泰安271000

为探究地下水补给对气候变化的响应,以乌兰布和沙漠为例,基于氯质量平衡法,通过野外打钻和室内离子分析,重建区域地下水补给历史和短时间尺度的气候变化过程。结果表明:降水对沙漠地区的地下水补给非常小,对比周边地区记录发现,地下水... 详细信息

为探究地下水补给对气候变化的响应,以乌兰布和沙漠为例,基于氯质量平衡法,通过野外打钻和室内离子分析,重建区域地下水补给历史和短时间尺度的气候变化过程。结果表明:降水对沙漠地区的地下水补给非常小,对比周边地区记录发现,地下水补给呈现出由西向东逐渐增大的趋势,且一定程度上反映出贺兰山对季风气流的阻挡作用,在相关季风较弱年份,贺兰山西侧降水补给弱于东侧。过去600年来本地区的气候波动大,1455—1500AD、1600—1650AD是气候较为干旱的时期,18世纪末至19世纪初是环境演化一个重要的时间界限,自此以后的漫长时间,干旱化进程进一步加剧,尤其是1920—1930AD,区域极端干旱。本研究也验证了处于季风边缘沙漠地区降水入渗补给对气候变化所呈现出的响应差异。

关键词：包气带地下水补给气候变化氯质量平衡法乌兰布和沙漠

低渗透性裂隙岩体水流三维入渗过程的高密度电阻率成像法研究

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兰州大学学报（自然科学版） 2017年第1期53卷 9-18页

作者：岳宁王刚阚飞董军黄少文党慧慧魏国孝兰州大学资源环境学院兰州730000 山东农业大学水利土木工程学院山东泰安271000

通过三维电阻率成像同步测量发生在野外低渗透性裂隙岩体中的水流三维入渗,利用高密度电阻率成像法技术,对其进行了原位试验研究.结果表明:比较入渗前裂隙岩体的背景电阻率特征,岩体中的水流入渗区在利用高密度电阻率成像法所获取的电... 详细信息

通过三维电阻率成像同步测量发生在野外低渗透性裂隙岩体中的水流三维入渗,利用高密度电阻率成像法技术,对其进行了原位试验研究.结果表明:比较入渗前裂隙岩体的背景电阻率特征,岩体中的水流入渗区在利用高密度电阻率成像法所获取的电阻率图像中,呈现出明显的电阻率低阻特征,低阻特征区域空间分布的不均匀性反映了裂隙岩体渗透性相对大小的空间分布特征,并且水流在岩体内的三维入渗也不是均匀的,而是存在着优势入渗现象,尤其是在入渗的早期.对研究低渗透性岩体的非均质性空间分布特征具有重要意义.

关键词：高密度电阻率成像法水流入渗裂隙识别数值模拟

陇中玉米农田生态系统水分利用效率及其影响因素

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兰州大学学报（自然科学版） 2018年第3期54卷 369-375,381页

作者：阚飞岳宁李玲董军王刚魏国孝兰州大学资源环境学院兰州730000 山东农业大学水利土木工程学院山东泰安271000

以涡度相关技术为基础,研究了半干旱区玉米农田生态系统2015年生长季水分利用效率的日季变化规律以及对主要影响因子的响应.结果表明:生长季总生态系统生产力、蒸散发和水分利用效率均呈单峰曲线,生长季均值分别是12.62 g/(m^2·d)、2.7... 详细信息

以涡度相关技术为基础,研究了半干旱区玉米农田生态系统2015年生长季水分利用效率的日季变化规律以及对主要影响因子的响应.结果表明:生长季总生态系统生产力、蒸散发和水分利用效率均呈单峰曲线,生长季均值分别是12.62 g/(m^2·d)、2.77 mm/d、4.71×10^(-3);水分利用效率在4个生育期的日变化均呈"U"型,成熟期>灌浆期>拔节期>苗期;整个生长期水分利用效率与饱和水汽压差和冠层导度呈对数负相关关系,与光合有效辐射呈线性负相关关系,与气温基本呈对数正相关关系,这些关系在成熟期均得到较好的体现,与土壤含水量在4个生育期均无显著相关关系.

关键词：涡度相关水分利用效率生育期影响因子

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半干旱区农田生态系统通量贡献区分析

中国生态农业学报 2015年第12期23卷 1571-1579页

作者：董军党慧慧孔凡亮岳宁王刚郭映魏国孝兰州大学资源环境学院/西部环境教育部重点实验室兰州730000 山东水利职业学院日照276826 山东农业大学水利土木工程学院泰安271000

通量贡献区是指对湍流交换过程有贡献的有效源（汇）区域,它与生态系统和大气间的通量交换密切相关。在实际观测中复杂的下垫面增加了通量观测的难度和不确定性,对通量贡献区评价能有效解决通量空间代表性的问题。为了研究半干旱区农田... 详细信息

通量贡献区是指对湍流交换过程有贡献的有效源（汇）区域,它与生态系统和大气间的通量交换密切相关。在实际观测中复杂的下垫面增加了通量观测的难度和不确定性,对通量贡献区评价能有效解决通量空间代表性的问题。为了研究半干旱区农田生态系统在完整的作物生育期通量贡献区的变化特点,该文根据位于黄土高原丘陵沟壑区的兰州大学半干旱区农业生态系统试验站的通量观测塔2014年12个月连续的玉米农田通量观测资料,应用Schmid的FSAM模型对半干旱区玉米农田的通量贡献区进行了分析。结果表明：本研究区的主风向是90°-180°（东南方向）,次主风方向是270°-360°（西北方向）;在主风向上,迎风方向非生长季的通量信息最远点大于生长季,而在垂直于迎风方向上则相反;生长季内迎风向通量信息最远距离呈现出先减小后变大的趋势,其中在抽雄期最小,垂直于迎风方向最大宽度变化无明显规律。大气稳定条件下通量贡献区面积比不稳定条件下大,且大气稳定条件下90%的通量信息来源于迎风向8-92 m,垂直于迎风向？35-35 m;不稳定条件下则分别为7-83 m和-25-25 m。白天90%的通量源区分布在离观测塔9-86 m,夜晚源区分布在离观测塔10-100 m,垂直于迎风向由白天的-21-21 m增加到夜晚的？35-35 m。由FSAM模型测得的通量贡献区可以较准确地反映农田生态系统的通量信息。

关键词： FSAM模型农田生态系统通量贡献区半干旱区玉米农田

应用修订的Shuttleworth-Wallace模型对半干旱区覆膜玉米蒸散的研究

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中国生态农业学报 2016年第5期24卷 674-683页

作者：董军岳宁党慧慧王刚魏国孝兰州大学资源环境学院/西部环境教育部重点实验室兰州730000 山东农业大学水利土木工程学院泰安271000

蒸散发(ET)包括植物蒸腾(T)和土壤蒸发(E),在维持全球能量平衡和气候调节中起关键作用。量化蒸散发及其组分在准确预报气候对生态系统碳水通量和能量的响应中至关重要。基于兰州大学半干旱区农业生态系统试验站2014年玉米生长季涡度相... 详细信息

蒸散发(ET)包括植物蒸腾(T)和土壤蒸发(E),在维持全球能量平衡和气候调节中起关键作用。量化蒸散发及其组分在准确预报气候对生态系统碳水通量和能量的响应中至关重要。基于兰州大学半干旱区农业生态系统试验站2014年玉米生长季涡度相关仪的观测结果,利用修订后的Shuttleworth-Wallace模型(S-W模型)对覆膜玉米田的蒸散发进行模拟,利用实测值对模拟结果进行验证,对蒸散发及其组分的影响因素和敏感性进行分析。结果表明:S-W模型对覆膜玉米农田蒸散发的模拟结果在日蒸散量大于2 mm·d^(-1)的晴天和时晴时云天气较好,阴雨天气模拟结果较差,且模型模拟结果较涡度相关的实测值偏高。E/ET在一天内的变化为单峰曲线,在生长季尺度上,在玉米快速生长期呈下降趋势,在之后的时间基本保持不变。覆膜玉米农田的E/ET在日时间尺度的变化主要受气孔导度影响,在生长季尺度主要受叶面积指数和土壤含水量的共同影响。敏感性分析表明,蒸散发及其组分对作物冠层高度与参考高度间的空气动力阻力(raa)和冠层内边界层阻力(rac)均较敏感,对作物冠层阻力(rsc)敏感性适中,对地面与冠层间的空气动力阻力(ras)和下垫面裸土表面阻力(rss)不敏感,在应用S-W模型模拟覆膜玉米农田蒸散量时,要特别注意阻力参数raa、rac和rsc的合理确定。

关键词：地膜覆盖玉米 Shuttleworth-Wallace模型蒸散发半干旱区

基于高密度电阻率成像法的陇中半干旱区土壤含水量监测研究

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中国生态农业学报 2016年第10期24卷 1417-1427页

作者：岳宁董军李玲阚飞王刚黄少文魏国孝兰州大学资源环境学院/西部环境教育部重点试验室兰州730000 山东农业大学水利土木工程学院泰安271000

土壤含水量是影响半干旱区农作物生长的重要因素。为了准确测定土壤含水量的变化动态以指导农业高效用水,近年来,利用地球物理测量方法研究高分辨率的水流入渗,已经越来越受到欢迎和重视。本文以陇中半干旱区玉米田为例,通过在土壤表面... 详细信息

土壤含水量是影响半干旱区农作物生长的重要因素。为了准确测定土壤含水量的变化动态以指导农业高效用水,近年来,利用地球物理测量方法研究高分辨率的水流入渗,已经越来越受到欢迎和重视。本文以陇中半干旱区玉米田为例,通过在土壤表面布置电极,利用高密度电阻率成像法（ERT）对降雨前后土壤二维剖面进行电阻率数据测量,实现对土壤二维剖面电阻率值和含水量监测,解释不同条件下土壤含水量变化的原因,建立陇中半干旱区农田土壤电阻率和含水量之间的相关关系。结果表明：降水入渗使得二维剖面土壤电阻率整体呈明显降低趋势,反演得到的电阻率图像局部电阻值“高-低-高”的变化过程,与一次降水过程前后“干-湿-干”的循环过程一致。土壤含水量实测值与估计值之间有较为显著的线性关系（R^2=0.651 8,n=96）。在0~2.0 m深度范围内,总体估计偏差较小,为0.74%;土壤含水率的估计精度较高,为2.64%。0~0.5 m土层（H1）含水量监测探头分布密集,数据采集较为准确,故H1层估计精度略高于0.5~2.0 m层（H2）。相比之前利用实测工具进行野外测量,ERT测量方法精度较高。本文提供了一个高分辨率的土壤结构二维分布与水分运移过程的图像,同时为实现精确和高效的农业用水管理提供一种新途径。

关键词：电阻率成像土壤含水量降水入渗非饱和土壤时域反射陇中半干旱区

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基于能量不平衡优化PSEB蒸散发模型

灌溉排水学报 2022年第S2期41卷 58-64页

作者：王福兵刘红娟田强龙赵子敬邱中齐杨泽伟魏国孝兰州大学资源环境学院兰州730000

【目的】优化PSEB蒸散发模型参数,提高模型性能。【方法】利用兰州大学半干旱区流域地表过程与环境变化野外科学观测站的数据,研究PSEB模型优化问题。采用差分进化自适应算法,其核心思想为贝叶斯理论,在PSEB模型中引入能量不平衡修正项(... 详细信息

【目的】优化PSEB蒸散发模型参数,提高模型性能。【方法】利用兰州大学半干旱区流域地表过程与环境变化野外科学观测站的数据,研究PSEB模型优化问题。采用差分进化自适应算法,其核心思想为贝叶斯理论,在PSEB模型中引入能量不平衡修正项(αR_(n)),通过构造多条马尔科夫链来估计参数的后验信息。运用传统评价指标包括决定系数(R^(2))、线性回归斜率(Slope)、一致性系数(IA)、模型效率(EF)、平均偏倚误差(MBE)、均方根误差(RMSE),对优化后的PSEB模型性能进行评价。【结果】运用DREAM算法之后,模型的部分参数和能量不平衡修正项(αR_(n))得到了很好的约束。2种方案在模型校准期线性回归斜率分别为0.76、0.91,均方根误差(RMSE)值分别为91.24、78.33,方案二的斜率相比方案一更接近于1,且方案二的RMSE值相比方案一降低14%,2种方案的一致性指数(IA)均为0.93。在验证期,2种方案的线性回归斜率分别为0.51、0.54,均方根误差分别为73.14和67.02,比方案一,方案二的斜率更接近于1,且均方根误差(RMSE)降低了8%,一致性指数(IA)分别为0.87和0.88。【结论】DREAM算法降低了PSEB模型中部分参数和能量不平衡修正项的不确定性,提高了模型性能。

关键词：蒸散发模型参数优化能量不平衡