• CN 62-1175/P
  • ISSN 1006-7639
  • 双月刊
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干旱气象, 2024, 42(1): 1-10 DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2024)-01-0001

综述

旱区陆面非降水性水分研究进展和展望

王胜,1, 张强,1, 张良1, 王兴2, 杜昊霖1, 曾剑3, 问晓梅4

1.中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃 兰州 730020

2.兰州区域气候中心,甘肃 兰州 730020

3.成都信息工程大学,四川 成都 610225

4.上海市气象局,上海 201901

Research progress and prospect on non-precipitition water in arid and semi-arid area

WANG Sheng,1, ZHANG Qiang,1, ZHANG Liang1, WANG Xing2, DU Haoling1, ZENG Jian3, WEN Xiaomei4

1. Institute of Arid Meteorology,CMA,Key Laboratory of Arid Climatic Change and Reducing Disaster of Gansu Province,Key Laboratory of Arid Climate Change and Disaster Reduction of CMA,Lanzhou 730020,China

2. Lanzhou Regional Climate Center,Lanzhou 730020,China

3. Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China

4. Shanghai Meteorological Service,Shanghai 201901,China

通讯作者: 张强(1965—),男,研究员,主要从事陆面过程、干旱研究。E-mail:zhangqiang@cma.gov.cn

责任编辑: 邓祖琴;校对:王涓力

收稿日期: 2023-09-25   修回日期: 2023-11-8  

基金资助: 国家自然科学基金项目(42230611)
国家自然科学基金项目(41875022)
中国气象局兰州干旱气象研究所创新团队项目(GHSCXTD-2020-1)
中国气象局兰州干旱气象研究所攻关/共创基金共同资助

Received: 2023-09-25   Revised: 2023-11-8  

作者简介 About authors

王胜(1973—),男,研究员,主要从事陆面过程研究。E-mail:wangs@iamcma.cn

摘要

随着全球气候变暖,自然生态系统和水资源压力不断增加,加剧了全球水资源的短缺。旱区非降水性水分(Non-precipitation Water,NPW),作为一种重要的水源,对旱区生态系统和陆面水分平衡具有显著影响。本文基于国内外非降水性水分研究现状,总结其在西北旱区的观测方法、变化特征、形成机制及对陆面水分平衡和作物的影响。在结合非降水性水分研究国际趋势的基础上,指出当前研究的不足和问题,以及未来研究的重点方向:揭示陆面非降水性水分的复杂形成机制,加强对不同气候区和下垫面非降水性水分的认知,建立专门的陆面非降水性水分观测系统,发展其在数值模式中的参数化,以及制定陆面非降水性水分开发利用的技术标准。

关键词: 旱区(干旱半干旱区); 非降水性水分; 露水; 土壤吸附水; 陆面水分平衡

Abstract

The warming trend of the global climate system continues, and the impact on natural ecosystems and water resources continues to rise, aggravating the already fragile global water resources. At this background, as a potential water resource, non-precipitation water (NPW) in arid area plays an important role in the maintenance of ecosystem and land surface water balance in arid area. Therefore, based on the present results of international research on NPW, the development process of NPW is summarized. The observation methods, variation characteristics, formation mechanism and the contribution of NPW to land surface water balance and its effects on crops in arid areas of Northwest China were reviewed. Finally, on the basis of combining the international frontiers, hot issues and development trends of NPW research, the shortcomings and problems of current NPW research are analyzed scientifically. It is pointed out that the study of NPW should focus on further revealing the complex formation mechanism of NPW on land surface, and strengthen the cognition of NPW in different climatic regions and different underlying surfaces. Breakthroughs have been made in key scientific issues such as the establishment of a specially targeted land surface NPW observation system, the development of the parameterization of land surface NPW in the numerical model, and the research and development of technical standards for the development and utilization of land surface NPW.

Keywords: arid and semi-arid region; non-precipitation water(NPW); dew; water-vapor adsorption; land surface water balance

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本文引用格式

王胜, 张强, 张良, 王兴, 杜昊霖, 曾剑, 问晓梅. 旱区陆面非降水性水分研究进展和展望[J]. 干旱气象, 2024, 42(1): 1-10 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2024)-01-0001

WANG Sheng, ZHANG Qiang, ZHANG Liang, WANG Xing, DU Haoling, ZENG Jian, WEN Xiaomei. Research progress and prospect on non-precipitition water in arid and semi-arid area[J]. Arid Meteorology, 2024, 42(1): 1-10 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2024)-01-0001

引言

随着全球气候变化,包括水资源在内的气候风险持续上升,对自然生态系统和经济社会造成显著影响(谢伏瞻,2019;陈颖等,2022)。特别是在旱区,其干燥的下垫面和脆弱的生态环境使得陆面水分过程对该区域气候、生态及人类活动的影响尤为明显(张强等,2017;张翔等,2021)。陆面水分作为气候系统的关键变量和陆气交换的重要组成部分,在全球变暖过程中起着特殊的作用。通过蒸发、蒸腾和相变等过程,陆面水分对全球变暖过程的响应极为敏感(Allen et al.,2011;张亚春等,2021)。旱区陆面水分的微小变化不仅可能引起气候状态和生态系统的剧烈变化,还会导致地表能量循环的剧烈调整和植物生理的显著反应(张强和王胜,2007;Zhang et al.,2020)。在陆面水分研究中,除了传统的降水和蒸发外,非降水性水分(non-precipitation water,NPW)的研究也日益受到重视。非降水性水分,包括雾水、露水和土壤吸附水,是除自然降水与人工灌溉外的陆面液态水分(Agam and Berliner,2006;张强等,2010a;Uclés et al.,2016;Zhang et al.,2019a)。非降水性水分研究的历史表明,早期将很多涵盖土壤吸附水的研究成果归类为露水,但实际上是非降水性水分。随着认识的提升,人们发现传统的“露水”定义实际上包含了多种水分过程,这导致了非降水性水分概念的形成,它不仅包括露水,也包括土壤吸附水和雾水,三者形成机制并不相同。非降水性水分的含义更宽泛,包容性更大且更科学、准确和合理。Agam和Berliner(2006)首次提出非降水性水分的概念,后由张强等(2010a2019a2019b)和Uclés等(2015)进一步界定,现在这一术语已被广泛接受并应用于相关研究中。

以往人们先验性地认为非降水性水分的绝对量级较小,在陆面水分平衡中的角色微不足道,因此过去常被忽略。但近年来的研究(Malek et al.,1999;Agam and Berliner,2006;郑新军等,2009;Hao et al.,2012)表明其在旱区水分平衡中扮演重要角色,在某些旱区可占全年降水量的一半以上,甚至能超过同期降水,对旱区生态系统的维持至关重要。即使在湿润地区,非降水性水分也对水分平衡有5%的贡献(Jacobs et al.,2006)。因此,无论在旱区还是湿润地区,非降水性水分对于生态系统的维持和陆面水分平衡都非常重要。

露水研究始于19世纪初,但对其重要性的真正认识始于20世纪50年代。Monteith(1957)的工作对后续研究产生了重大影响,此后有关露水的研究成果日益丰富,特别是在过去30 a里(庄艳丽和赵文智,2008),主要研究了露水特征、露水形成机制、露水作为一种重要水源在维持荒漠生态系统方面的贡献、露水与一些作物病虫害诱发关系及露水可为昆虫和某些小动物提供水源(Malek et al.,1999;Kidron,2000;Ninari and Berliner,2002;Uclés et al.,2014;Kaseke,2017)等方面,露水的观测研究(Kidron,2000;Kidron,2005)也相当丰富,发现即使在湿润的城市区域也有露水产生,尽管其量明显低于农田(Ye et al.,2007)。近年来,露水对遥感观测的影响越来越受重视,研究发现植物冠层内露水的不同分布模式可能影响遥感数据的准确性,且这种分布在轻露、中露和重露事件中并不相同(Minnis and Mayor,1997;Jackson and Moy,1999;Hornbuckle et al.,2006;Kabela et al.,2009)。露水还影响地面辐射(Blonquist et al.,2009)和陆-气间氮酸交换的观测结果(Scheller,2001)。同时,露水的开发和利用(Muselli et al.,2006;Jacobs et al.,2008;Muselli et al.,2009;张强等,2010b)等方面的研究也取得了一定进展。

不同地区露水所占降水比重不同。总体而言,干旱区占比较大,而湿润区较小;干旱期占比大,湿润期占比小(Malek et al.,1999;Jacob,2006;Moro et al.,2007)。露水的持续时间通常较长,如美国的观测发现,夜间卫星过境期间,玉米和大豆上超过50%的时间出现露水(Kabela et al.,2009);我国西双版纳地区露水的持续时间可超过15 h,年发生天数可达300 d以上(刘文杰等,1998);我国黄土高原半干旱区的露水持续凝结时间约为14 h(王胜和张强,2011),半湿润区时间更长,可达15 h以上(许秀娟等,1994)。此外,露水凝结量在不同下垫面之间也存在明显差异,露水在细砂砾和黄土的凝结量可相差1倍以上(Li,2002)。在不同类型的生物结皮之间,露水的分布也存在明显差异(方静和丁永健,2005;Liu et al.,2006;庄艳丽和赵文智,2008;张静等,2009)。

露水的形成受多种因素影响。夜间边界层中的水平平流对露水形成率有重要作用(Garratt and Segal,1988)。最新研究发现,辐射冷却强度在露水形成中起到了关键的限制作用(Yokoyama et al.,2021)。中尺度模式可能低估了露水对叶面湿度持续时间的影响(Wilson et al.,1999)。

另外,露水可导致地表能量的散失,但其对地表能量的定量贡献仍需进一步评估(Agam and Berliner,2004)。有研究表明,湿润区露水带走的潜热可达感热的53%(Whiteman et al.,2007),并且露水还显著影响地表水汽通量(Katata et al.,2007)。

雾水(Fog)是非降水性水分的一个关键组成部分,是近地层大气中悬浮的小水滴或冰晶组成的水汽凝结物。对雾水的科学研究始于20世纪初(Taylor,1917)。近几十年来,国际上进行了多次雾的外场观测试验,并从20世纪80年代开始进行雾的化学观测研究(Gultepe et al.,2007;濮梅娟等,2008;Haeffelin et al.,2013)。目前,对雾形成的特征和机制(Hudson,1980;Gerber,1991;Roach,1995;Liu et al.,2005;李子华等,2011)、模拟与预测(Nickerson et al.,1986;Bott and Trautmann,2002;Shi et al.,2012;Thoma et al.,2012)及其生态水文效应(Hutley et al.,1997;Dawson,1998)的研究较多。雾水对许多海岸生态系统、热带云雾林和热带草原中植物的水分补给具有重要作用(Ingraham and Matthews,1995;Fernando et al.,2021),并为植物及小动物提供重要水源(Seely,1979;Zheng et al.,2010)。在西北干旱半干旱地区,已有的研究表明雾水的发生频率相对较低,其在非降水性陆面水分中所占的比重有限(张强等,2010a;Zhang et al.,2015)。

在非降水性水分的研究中,土壤吸附水的研究相对露水和雾水而言较少。在海洋附近发现存在明显的土壤水分吸附过程(Kosmas et al.,1998;Kosmas et al.,2001),国内研究也发现沙土的水分吸湿过程可分为两个阶段,其中一个阶段就是土壤吸附过程(冯金朝等,1998)。

此外,非降水性水分对生态系统具有重要影响,能减少叶片蒸腾的水分损失,在极端干旱环境下,起到减缓植物死亡的作用。土壤吸附水可以直接被土壤吸附,间接为植物提供水分(问晓梅等,2008)。非降水性水分与生物结皮之间存在相互促进关系,一方面非降水性水分有利于生物结皮的生长和发育,另一方面,生物结皮也有利于非降水性水分的形成(Zhang et al.,2009)。在沙漠戈壁地区,通过形成物理或生物结皮可起到固沙防尘的作用(郭占荣和韩双平,2002)。这对旱区生态系统的稳定有重要作用。

随着全球变暖的持续,IPCC第六次评估报告(IPCC,2023)指出未来更多地区将面临更频繁和严重的干旱,一些地区的水文干旱情况也将加剧。这说明水资源问题,尤其是旱区的水资源问题未来会面临更大的挑战。而陆面非降水性水分作为旱区水资源的一个组成部分,应该得到更多关注。

本文从非降水性水分观测方法、特征、形成机制等方面系统地回顾中国气象局兰州干旱气象研究所干旱气象科研团队在非降水性水分方面的研究成果,并提出了该研究领域存在的问题及挑战。这些研究有助于加深对旱区陆面水分过程的认识,为干旱减灾提供支撑和路径。

1 研究进展

1.1 非降水性水分观测

非降水性水分观测技术的发展和改进,已从最初的人工观测逐渐转变为使用更接近自然条件的下垫面并配合自动化仪器进行观测,从而大幅提高了观测精度。这意味着当前获得的非降水性水分的观测值越来越接近真实值。

由于露水研究开展的最早,对其观测最多,观测仪器也多。露水观测仪器可分为3类(Agam and Berliner,2006;庄艳丽和赵文智,2008;张强等,2010b)。第一类仅能测量露水持续时间,这类仪器使用湿敏传感器探测露水是否凝结,从而确定结露持续时间,其缺点是不能测量露水凝结量;第二类仪器能够测量露水凝结量,以Duvdevani露量器为代表,也是测量露水凝结量的第一个仪器(Duvdevani,1947)。尽管现在看来,Duvdevani露量器相当粗糙,不能精确测量或代表真实下垫面,但在当时却是创新之举。第三类仪器既能测量露水持续时间又能测量露水量,例如Hiltner天平和称重式蒸渗仪。尽管目前存在多种观测仪器,但国际上尚未形成统一的观测标准。

在非降水性水分的研究领域,虽然目前尚无一种仪器能直接且精确地测量所有非降水性水分分量,但最近的研究已经发展了一种以蒸渗计为核心,辅以其他气象要素观测仪器,进而得到较为准确的非降水性水分分量的方法(Zhang et al.,2011;张强等,2012;Zhang et al.,2015;Uclés et al.,2015;Zhang et al.,2019a;Zhang et al.,2019b)。这一方法目前正被国际上认可(Paulus et al.,2022)。这一方法最初由张强等(2010a)提出,并经过后续的改进和完善,被命名为非降水性水分的定量识别、判识方法(Quantitative Identification and Estimation Method of NRW,QINRW)(Zhang et al.,2019b),该方法实现了非降水性水分各分量的准确测定(Zhang et al.,2016;Zhang et al.,2019a;Zhang et al.,2019b),其原理是首先排除蒸渗计数据的误差干扰,进而精确分离出非降水性水分的各个分量(图1)。该方法简洁而高效,被认为是目前最准确获取非降水性水分各分量的方法。

图1

图1   QINRW方法判识非降水性水分各分量的流程(引自Zhang et al.,2019b

Fig.1   Process of identifying non-precipitation water components by QINRW method(from Zhang et al.,2019b


对于土壤吸附水,至今尚未有直接观测仪器,目前也只能通过上述方法估算而得。

1.2 非降水性水分特征

在非降水性水分的研究历史中,由于技术和认识的限制,大部分研究仅关注雾水、露水或土壤吸附水中的一种。造成这种情况主要有3个原因:首先,早期的观测技术不足以精确测量这些水分,尤其在露水观测中,无法区分吸附水;其次,同一区域可能不会同时出现所有非降水性水分的分量,如山区或高海拔地区可能常见雾水而少有露水或吸附水;第三,受认识的局限,以往的研究无法区分非降水性水分的不同分量,特别是在雾经常出现的地区。土壤吸附水的研究更为罕见,通常因为认识上的限制而被忽略。从已有的研究结果来看,不同下垫面露水凝结量差异很大,而发生频率与形成总量之间并不完全一致(图2)。

图2

图2   不同下垫面露水凝结量(a,深色部分表示误差范围)和非降水性水分平均日变化特征(b)(改自Zhang et al.,2015

Fig.2   Characteristics of dew condensation amount (a, the dark parts meaning the error range) and average daily variation of non-precipitation water content (b) on different underlying surfaces (modified from Zhang et al.,2015)


随着观测技术和估算方法的进步,Zhang等(2019a)利用非降水性水分观测识别方法,在明确得到非降水性水分各分量后,综合研究了露水和土壤吸附水这两种非降水性水分的特性,发现在日时间尺度和年时间尺度上,露水和土壤吸附水都呈现出显著的互补性,这是之前在单一分量研究中未发现的特征。

1.3 非降水性水分形成机制

露水、雾水、土壤吸附水存在不同的形成机制。因雾水在旱区出现较少,下面主要介绍露水和土壤吸附水的形成机制。

1.3.1 露水形成机制

露水形成机制的研究已有诸多成果。露水形成是当大气中的水汽接触到温度等于或低于露点的地表或地物时,由气态转变为液态的过程。从微观角度看,露水的形成涉及到核化和小滴增长两个关键步骤(Beysens,1995;Ninari and Berliner,2002)。

露水的形成与多种大气因素密切相关,如风速、相对湿度、气温、地-气温差和水汽压等(Zhang et al.,2015;Yokoyama et al.,2021)。王胜和张强(2011)指出露水的形成是湿度、热力和动力因子共同作用的结果,且在半干旱区,大气湿度为露水形成提供所需的水汽,是内因;温度则提供露水形成的“源动力”,而风速是重要的外部因素,可以促进或阻碍露水的形成,是露水形成过程中的不确定因素。这明确指出了湿度因子、热力因子和动力因子在露水形成过程中作用各不相同。

露水的发生频率与特定的环境条件有关,如风速为0.5~2.0 m·s-1、相对湿度>80%及温度-露点差在-3~6 ℃、地-气温差在-2~2 ℃时更易形成露水。在北方半干旱区露水凝结持续时间可长达14 h。一般情况下,露水只在傍晚到黎明期间形成,相对土壤吸附水,其形成时间较短。

露水形成的这些复杂原因导致现有露水模型难以准确预测露水的凝结量(王兴等,2021)。

1.3.2 土壤吸附水形成机制

土壤吸附是气态水分子直接被固态土壤粒子吸附的过程。早期的研究多在实验室环境下进行,测定理想状况下的土壤吸附水(Orchiston,1953;白锦鳞,1988;闵安成和张一平,1996)。随着野外观测的增多,对实际条件下土壤吸附水的研究也逐渐增多(Kosmas et al.,1998;Kosmas et al.,2001;Agam and Berliner,2004;Zhang et al.,2016)。

土壤吸附水的过程可分为物理吸附和化学吸附两种。化学吸附依赖于界面上水分与土壤形成化合物时产生的化学约束力,而物理吸附则依赖于分子间较弱的范德瓦尔斯力即静电引力,使气态水分子转移到固态土壤粒子上。物理吸附过程所需的能量较化学过程低,因此在自然条件下更为常见。但两种吸附过程的界限并不总是清晰的。在土壤干燥条件下,最初的少量水分子吸附主要是化学吸附过程(闵安成和张一平,1996)。

土壤吸附水汽的量与多种因素有关,包括接触面面积、气压、土壤类型等。其中土壤类型对吸附水量的影响较大。土壤吸附水的量不仅与土壤本身的特性密切相关,也受大气条件的显著影响。例如,在近地层相对湿度日变幅较大、相对湿度在6%~50%、风速在3~5 m·s-1和近地层相对湿度差在0~2%、气温差在-1~0 ℃时,水汽的吸附率较高,吸附量也较大。土壤吸附水汽现象主要受土壤粒子对水分子的引力和水汽源两个因素影响,前者由土壤粒子的特性决定,后者主要受微气象条件影响。黄土高原的黄土壤具有多孔结构和较大的土壤粒子比表面积,具有较强的水汽吸附能力。由于该地区影响因子变化大,土壤吸附水的日变化较为明显。

土壤吸附水的形成过程相较于露水更加容易发生。研究表明,土壤吸附水几乎能在任何湿度条件下形成,这与露水对湿度的更高要求形成对比。

综合而言,非降水性水分的形成是一个受多种环境因素共同影响的复杂过程(图3)。尽管目前已有诸多研究成果,但在理解非降水性水分的形成机制方面仍存在明显挑战,如在露水或土壤吸附水的形成过程中,温度等环境因素的具体阈值仍未被完全明确,这也是未来研究的重要课题。

图3

图3   可利用能量(a)、1 m风速(b)、4 m与1 m气温差(c)及相对湿度差(d)与非降水性水分形成的关系(引自Zhang et al.,2019a

Fig.3   The relationships between available energy (a), 1 m wind speed (b), temperature (c) and relative humidity (d) difference between 4 m and 1 m height and non-precipitation water (from Zhang et al., 2019a)


1.4 非降水性水分对陆面水分平衡的贡献及对农业的影响

非降水性水分对陆面水分平衡的贡献一直是研究的重点之一。在不同的气候区中,非降水性水分在陆面水分平衡中的占比不同。在湿润区,尽管非降水性水分的总量较大,但其在陆面水分平衡中的占比相对较低。相比之下,在旱区,降水依然是陆面水分最主要来源,约占蒸散量的85%,而露水和土壤吸附水的贡献大致相当,共计约占蒸散量的10%。雾的贡献相对较小,全年仅1.3 mm,对陆面水分平衡的影响可以忽略不计。还有4.6%的水分不平衡部分,可能包括气候变暖和干燥导致的陆面水分亏缺以及仪器误差等因素[图4(a)]。这一发现表明,尽管存在不完善之处,旱区非降水性水分在水平衡中的作用不容忽视。

图4

图4   非降水性水分对年蒸散(a)及作物生长的贡献(b)(引自Zhang et al,2019a

(BS:孕穗期;HS:抽穗期;FS:开花期;MAT:成熟期;SD:播种期;EM:抽穗期;TS:分蘖期;JS:拔节期;WP:越冬期;GS:返青期;SJP:直立拔节期;JP:拔节期)

Fig.4   Contribution of non-precipitation water to annual evapotranspiration(a) and crop growth(b)(from Zhang et al,2019a


此外,非降水性水分对旱区农业也有明显影响[图4(b)]。非季风期,非降水性水分与降雨量的比值较高,超过2.0,到11月更上升至3.7;而在季风期,该比率明显降低。例如,在中国北方地区,非季风期,特别是冬小麦的播种和出苗期,降水量往往很低,甚至接近于零,不利于旱区冬小麦的正常生长,非降水性水分在这一时期为作物提供了关键水分,从而降低了作物的死亡率。即使在返青期,非降水性水分的供应仍有益于冬小麦生长。这些发现表明,非降水性水分在非季风时期对维持春小麦和冬小麦的生存及缓解旱区农作物旱情方面起着重要作用。

2 目前非降水性水分研究中的科学问题

尽管非降水性水分的研究取得明显进展,其关键科学问题,特别是形成机制仍有待深入探究,难点包括以下方面:

(1)建立专门的陆面非降水性水分观测系统。非降水性水分研究面临的主要难点之一是如何排除外部因素(如风速)对高精度蒸渗仪的干扰,以及地表温度等微气象因素对蒸渗仪观测数据准确性的影响。尽管蒸渗仪的使用和最新的观测方法提高了观测的精度,但仍需剔除一部分受干扰的数据。因此,研制一种能够直接测量非降水性水分各分量的新型仪器变得十分必要,以帮助获得非降水性水分的精确数据并促进陆面水分循环的研究。

(2)进一步揭示陆面非降水性水分的复杂形成机制。研究需明确其动力、热力和湿度因子的阈值。尽管已有研究表明非降水性水分具有重要意义,但对其形成机制的全面理解仍然有限(图5),特别是在不同气候区和不同下垫面条件下非降水性水分的差异性仍未被充分认识,限制了对其全面影响的深入理解。

图5

图5   非降水性水分形成机理示意图

Fig.5   Schematic diagram of formation mechanism of non-precipitation water


(3)陆面非降水性水分数值模式的参数化问题。如果能在数值模式中有效地实现陆面非降水性水分的参数化,将有助于改善甚至解决模式在旱区模拟中干化过快的问题。目前,尽管通用的陆面过程模式如CLM被广泛应用,但均未充分考虑非降水性水分的特性,尤其是露水和土壤吸附水的不同形成条件。因此,这些模式的假设与实际情况之间存在差异,将会导致陆面水分计算的误差,进而影响地表蒸散发及陆-气间水、热通量的计算。此外,由于下垫面复杂的非均一性,如何在特定区域准确测量非降水性水分也是一个挑战。

(4)陆面非降水性水分开发利用的技术标准。只有在对陆面非降水性水分特征和形成机制深入理解的基础上,才能制定出测量不同非降水性水分分量的标准规范和技术流程。这不仅有利于陆面非降水性水分开发利用技术的大范围推广,还可以加强对其生态效应的研究及开发利用。尽管目前已有非降水性水分对结皮等生态系统的研究,但依然缺乏其对农作物影响的深入研究。一方面,非降水性水分有助于缓解作物干旱状况,降低作物死亡率;另一方面,在某些特定气候条件下,也需考虑对作物生长的不利影响。全球气候变暖、干旱事件频发的背景下,如能有效利用非降水性水分高频发生的特性,开发其作为新的水资源,将为干旱时期的作物生长提供支持,从而益于提高作物产量。

3 结束语

陆面非降水性水分因为量小,以往常被忽略,但其在旱区生态和农业系统的维持和水分平衡中至关重要,值得更多关注。目前,对于陆面非降水性水分的研究尚不普遍,也缺乏长期的系统观测。因此,开展代表性气候区的长期连续观测,以便对陆面非降水性水分有更全面和系统的认识和理解。目前对陆面非降水性水分的认识还停留在科学层面,要实现对其的常规监测和准确预报还需克服诸多困难。

作为一种潜在的可利用水资源,非降水性水分对缺水的旱区尤为重要,其不仅可满足作物对水分的一部分需求,助力作物生长,而且有利于旱区生态系统的维持与改善。例如,荒漠中生物结皮的生长并不需要太多水分,利用非降水性水分增加生物结皮的覆盖,可以对荒漠固沙和生态系统保护发挥关键作用,这一过程需要政府层面的科学规划和持续投入,以实现其长期效益和生态价值。

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利用国家气候中心完成的RegCM4区域气候模式在RCP4.5和RCP8.5两种排放路径下的气候变化动力降尺度试验结果,在检验模式对基准期(1986—2005年)气温和降水模拟能力基础上,进行华北区域21世纪气候变化预估分析。结果表明:RegCM4对华北区域基准期气温和降水的模拟能力较好。未来21世纪,两种情景下华北区域气温、降水、持续干期(consecutive dry days, CDD)和强降水量(R95p)变化逐渐增大,但变化幅度在高排放的RCP8.5情景下更为显著,其中近期(2021—2035年)、中期(2046—2065年)、远期(2080—2098年)RCP8.5情景下年平均气温分别升高1.77、3.44、5.82 ℃,年平均降水分别增加8.1%、14%、19.3%,CDD分别减少3、3、12 d,R95p分别增加30.8%、41.9%、69.8%。空间上,未来21世纪华北区域内年、冬季、夏季平均气温将一致升高,夏季升温幅度最大;年、冬季、夏季平均降水整体以增加为主,冬季降水增加幅度最大;CDD以减少为主,但近期和中期在山西和京津冀有所增加,而R95p以增加为主,表明21世纪华北区域干旱事件逐渐减少、极端降水事件不断增加。

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荒漠绿洲边缘凝结水量及其影响因子

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以2004年7~10月在临泽内陆河流域综合研究站凝结水试验观测数据为基础,讨论了荒漠绿洲边缘凝结水凝结过程、不同下垫面凝结量及其影响因子.结果表明:荒漠绿洲边缘凝结水以吸湿凝结为主,北京时间16:00~18:00开始,至次日7:00~8:00结束.凝结开始的时间受控于沙地含水量,凝结量则主要受近地表相对湿度、近地表气温以及气温日较差三方面因素的影响.人工草地、平坦无植被沙地、沙丘顶部、丘间低地和人工林地在7~10月的平均月凝结量分别为:5.1 mm、4.0 mm、3.1mm、1.8 mm和1.0 mm.

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在总结陆面降露水研究工作基础上,比较系统地讨论了降露水的形成机制;分析了与温度、湿度、风速、云特征、地形等气候和环境因素的关系;论述了陆面降露水的生态、气候和生物化学效应,同时还讨论了降露水研究中存在的几个问题。

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简要阐述了陆面水分过程的内涵,论述了干旱半干旱区陆面水分过程的独特性,提出了干旱半干旱区生态和土壤特性对陆面水分过程的敏感性。并且,总结了国内外陆面水分过程的研究现状,分析了干旱半干旱区陆面水分过程研究的不足之处,讨论了进一步开展干旱半干旱区陆面水分过程研究的思路。

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凝结水是维系干旱、半干旱地区主要食物链的水分来源之一,具有重要的生态意义。较详细地列举了目前国内外在干旱区测定凝结量及其持续时间所采用的研究方法,从凝结水的数量特征以及时间格局两方面阐述了不同地域凝结水的时空差异性,并从气象因素、凝结面的类型及其位置、周边植被对其作用等方面综合分析了影响凝结水发生的主要因素,探讨了干旱区凝结水的生态作用及其意义,展望了干旱区凝结水未来的研究趋势。提出在未来的干旱区凝结水研究中应加强与气象学、生态学等多学科的交叉,从能量平衡角度加强对凝结水量的研究;同时,改进和规范凝结水的测量方法,开展荒漠植被对凝结水的生理响应研究以及凝结水对极端干旱胁迫植物的作用研究。

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Fog has been viewed as an important source of moisture in many coastal ecosystems, yet its importance for the plants which inhabit these ecosystems is virtually unknown. Here, I report the results of a 3-year investigation of fog inputs and the use of fog water by plants inhabiting the heavily fog inundated coastal redwood (Sequoia sempervirens) forests of northern California. During the study period, 34%, on average, of the annual hydrologic input was from fog drip off the redwood trees themselves (interception input). When trees were absent, the average annual input from fog was only 17%, demonstrating that the trees significantly influence the magnitude of fog water input to the ecosystem. Stable hydrogen and oxygen isotope analyses of water from fog, rain, soil water, and xylem water extracted from the dominant plant species were used to characterize the water sources used by the plants. An isotopic mixing model was employed to then quantify how much fog water each plant used each month during the 3-year study. In summer, when fog was most frequent, ∼19% of the water within S.sempervirens, and ∼66% of the water within the understory plants came from fog after it had dripped from tree foliage into the soil; for S.sempervirens, this fog water input comprised 13-45% of its annual transpiration. For all plants, there was a significant reliance on fog as a water source, especially in summer when rainfall was absent. Dependence on fog as a moisture source was highest in the year when rainfall was lowest but fog inputs normal. Interestingly, during the mild El Niño year of 1993, when the ratio of rainfall to fog water input was significantly higher and fog inputs were lower, both the proportion and coefficient of variation in how much fog water was used by plants increased. An explanation for this is that while fog inputs were lower than normal in this El Niño year, they came at a time when plant demand for water was highest (summer). Therefore, proportional use of fog water by plants increased. The results presented suggest that fog, as a meteorological factor, plays an important role in the water relations of the plants and in the hydrology of the forest. These results demonstrate the importance of understanding the impacts of climatic factors and their oscillations on the biota. The results have important implications for ecologists, hydrologists, and forest managers interested in fog-inundated ecosystems and the plants which inhabit them.

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