全 文 ：第 wu卷 第 tt期
u s s y年 tt 月
林 业 科 学
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用气象站资料推算附近森林浅层地温和气温
关德新 吴家兵 金昌杰 韩士杰 王安志
k中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 ttsstyl
关键词 } 气温和浅层地温 ~红松针阔叶混交林 ~气象站
中图分类号 }≥zt{ 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussyltt p stvu p sy
收稿日期 }ussx p sy p su ∀
基金项目 }国家自然科学基金kvsvzsu|vl !中国科学院知识创新重大项目kŽ≤÷t p ≥• p st p st„tl 和中国科学院沈阳应用生态研究所领
域前沿项目资助 ∀
Εστιµατινγ Αιρ ανδ Σηαλλοω Σοιλ Τεµ περατυρεσιν Φορεστ Σιτε βψτηε Ρεχορδινγσ
ατ Νειγηβορινγ Μετεορολογιχαλ Στατιον
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kΙνστιτυτε οφ Αππλιεδ Εχολογψo Χηινεσε Αχαδεµψοφ Σχιενχεσ Σηενψανγ ttsstyl
Αβστραχτ } „¬µ¤±§¶«¤¯ ²¯º ¶²¬¯·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¬±©²µ¨¶·¶¬·¨ ¤µ¨ ¬°³²µ·¤±·©¤¦·²µ¶¬°³¤¦·¬±ª¦¤µ¥²± ¦¼¦¯¨ ¤±§³¯¤±·³«¼¶¬²¯²ª¼ ²©
·«¨ ¦¨²¶¼¶·¨°qŒ·¬¶¤± ©¨©¨¦·¬√¨ °¨ ·«²§·² ¶¨·¬°¤·¬±ª·«¨¶¨ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨¶¥¼·«¨ µ¨¦²µ§¬±ª¶¤·±¨¬ª«¥²µ¬±ª °¨ ·¨²µ²¯²ª¬¦¤¯ ¶·¤·¬²±q
׫¨ ¶¨·¬°¤·¬²±¶º¬¯¯ ©¬¯¯ ·«¨ ª¤³ ²© °¬¦µ²°¨ ·¨²µ²¯²ª¬¦¤¯ °¨ ¤¶∏µ¨°¨ ±·¶¬± ©²µ¨¶·¤µ¨¤q „± °¨³¬µ¬¦¤¯ °²§¨¯·² ¶¨·¬°¤·¨ ·«¨ ¤¬µ
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¶¨·¤¥¯¬¶«¨§o¤¦¦²µ§¬±ª·²·«¨ µ¨¦²µ§¬±ª¶¤·¤§­¤¦¨±·°¨ ·¨²µ²¯²ª¬¦¤¯ ¶·¤·¬²±q׫¨ ©¨©¨¦·¶²©¶¨¤¶²±¶¤±§¶±²º ¦²√¨ µ¤ª¨ º¨ µ¨ ·¤®¨ ±
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Κεψ ωορδσ} ¤¬µ¤±§¶«¤¯ ²¯º ¶²¬¯·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ~·«¨ °¬¬¨ §©²µ¨¶·²©¥µ²¤§2¯ ¤¨√¨ §¤±§Ž²µ¨¤±2³¬±¨ ~ °¨ ·¨²µ²¯²ª¬¦¤¯ ¶·¤·¬²±
森林生态系统碳循环研究已成为全球气候变化研究的焦点之一 ∀森林的碳循环包含着复杂的生理和物
理过程 o主要包括树木的光合与呼吸作用 o土壤温度和空气温度对这些过程具有重要影响 o例如 o土壤呼吸占
整个森林生态系统呼吸的 ws h ∗ {s h k•¤¬¦« ετ αλqot||ul o一般认为土壤呼吸强度与浅层土壤温度呈指数
关系 o所以浅层土壤温度成为该领域研究的一个重要指标k„±·«²±¬ ετ αλqot||| ~ ‹²¯ ¬¯±ª¨µετ αλqot||w ~吴家
兵等 oussv ~关德新等 oussw ~于贵瑞等 ousswl o而森林冠层气温是决定树木光合作用和其他生理活动的重要
环境因子k胡新生等 ot||y ~t||z ~何维明等 oussvl ∀
我国学者进行了不同森林的温度观测k王正非等 ot|{x ~常杰等 ot||| ~吴家兵等 oussu ~林永标等 oussv ~孟
祥庄 oussw ~潘刚等 ousswl o但多是短期的观测结果 o由于财力和环境条件所限 o进行森林内长期连续的气象
观测还有一定的困难 o但全国气象系统县级以上的观测站是很普及的 o利用这些气象站的资料估算所辖区域
的森林土壤温度和空气温度将是有效途径之一 o特别是利用历史气候资料重建临近区域过去的森林小气候
系列 o对研究森林碳收支的历史具有重要意义 ∀国外学者曾经进行森林土壤温度的预测研究k°¤¯¤ª¬±ot|zy ~
…²¦²¦® ετ αλqot|zzl o但依然都是短期观测结果 ∀
本文拟利用长白山红松针阔叶混交林内观测的小气候资料和附近气象站同步观测数据 o建立以气象站
资料推算附近森林温度的经验方法 o为森林生态系统的碳循环和其他生态学研究提供基础 ∀
1 研究地概况与资料来源
长白山红松针阔叶混交林kwtβwtχ ) wuβuxχ ∞ !tuzβwvχ ) tu{βtzχ‘l地势平缓 o属季风温带大陆山地气候 ∀
林区四季分明 }春季干旱 o夏季短且温暖湿润 o秋季凉爽 o冬季漫长且寒冷 ∀
森林温度观测在中国科学院长白山森林生态系统定位站 t号标准地的红松针阔叶混交林内进行k海拔
zv{ °l ∀林下土壤为山地暗棕色森林土 o乔木为红松k Πινυσ κοραιενσισl !椴树k Τιλια αµυρενσισl !蒙古栎k Θυερχυσ
µονγολιχαl !水曲柳k Φραξινυσ µανδσηυριχαl !色木kΑχερ µονοl ∀林分为复层结构 o平均株高 uy ° o立木密度 xys
株#«°pu o总蓄积量 v{s °v#«°pu o郁闭度 s1{ o下木覆盖度 ws h o年凋落物量 w1u·#«°puk李雪峰 oussxl ∀土壤
温度观测由森林小气候自动观测系统完成 o土壤温度探头设置 u个重复ktsx×和 tsz× o≤¤°³¥¨¯¯ o˜≥„l o放置
于林地 x和 us ¦°深度的土壤中 o冠层气温探头k‹°wx≤ o ∂¤¬¶¤¯¤oƒ¬±¯¤±§l设置高度分别为 u qx !{ !uu和 uy
° o观测数据直接传输到数据采集器k≤• uv÷ o≤¤°³¥¨¯¯ o˜≥„l o原始采样频率为 s1x ‹½o在数据采集器中进行
vs °¬±平均后存储 o并通过与数据采集器相联的微机进行下载 ∀
气象站资料来自于中国科学院长白山森林生态系统定位站气象观测场的地面观测 ∀观测场位于 t号标
准地东部约 t ®° o周围数十公里内地势平缓 ∀观测场按国家基本气象站标准设计 }南北长 vx ° o东西长 ux
° o均质草皮地面 o四周 us °距离内天然林保持在 u °以下 o外围林分高 v ∗ y ° o所在地区为大范围的天然红
松针阔叶混交林 ∀土壤温度观测由气象站小气候自动观测系统k„ • ≥ pŒl完成 o按照5地面气象观测规范6 o
探头k‹…• p ul放置于 t ° ≅ t °面积的裸土下 x和 us ¦°处 o气温探头k‹×ƒ p tl高度为 t1x ° o观测数据直
接传输到数据采集器k⁄× p xssl o原始采样频率为 s1x ‹½o在数据采集器中进行 ys °¬±平均后存储 o用笔记本
电脑与数据采集器相联进行数据下载 ∀
2 推算方法
以 ussu年 ts月 t日到 ussv年 |月 vs日的资料为建模系列 o此期间气象站气温与 x ¦°土壤温度及林地
x ¦°土壤温度日平均值的周年动态如图 t所示 o图中还绘出了气象站观测的雪深 ∀v个温度相比较 o气温波
动最大 o气象站 x ¦°土壤温度的波动大于林地同深度的土壤温度 ∀根据林地和气象站地温的变化特点 o并
考虑雪覆盖 o推算林地温度时划分 w个时间段 o即覆雪期 !融化期 !升温期和降温期k如图 t所示l o覆雪期林
图 t 气象站气温 !x ¦°土壤温度 !雪深和附近林地 x ¦°土壤温度日平均值的年动态
k„为覆雪期 ~…为融化期 ~≤ 为升温期 ~⁄为降温期l
ƒ¬ªqt „±±∏¤¯ §¼±¤°¬¦¶²©§¤¬¯¼ ¶²¬¯ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¤·x ¦° §¨³·«o¤¬µ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ o¶±²º §¨³·«¤·°¨ ·¨²µ²¯²ª¬¦¤¯ ¶·¤·¬²± ¤±§¶²¬¯ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨
¤·x ¦° §¨³·«¬±©²µ¨¶·k„ o…o≤ ¤±§⁄µ¨³µ¨¶¨±·¶±²º ¦²√ µ¨¤ª¨ o·«¤º¬±ªoº¤µ°¬±ª∏³¤±§¦²²¯¬±ª§²º± ³¨µ¬²§µ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯l
地和气象站均有雪覆盖 o但由于林地有林冠和枯落物遮蔽 o地温高于气象站裸地 o在降温剧烈的 ussu年 tu
月 tt日相差 z ε o在降温比较剧烈的 ussv年 t月 z日相差 w1y ε ∀融化期是指气象站积雪融化后林内浅层
地温有一段恒温期 o保持在 s ε 附近 o持续 tx ∗ ux §o而此时的气象站地温上升很快 ∀升温期是地温上升的
阶段 o达到年最高值的日期结束 ∀以后为降温期 o直到下一个雪覆盖 o开始新的年度循环 ∀各时段开始和结
束日期详见下文 ∀森林内气温动态不划分时段 o而根据观测高度进行分析 ∀
u1t 浅层土壤温度日平均值的推算方法 以气象站地温为横坐标 o林地同深度土壤温度为纵坐标 o根据建
模系列得到图 u所示的两个深度kx ous ¦°l地温日平均值的相关图 o上述 w个时段的具体划分及其温度推算
vvt 第 tt期 关德新等 }用气象站资料推算附近森林浅层地温和气温
模型如下 ∀
图 u 林地与气象站日平均土壤温度的关系
ƒ¬ªqu • ¨¯¤·¬²±¶«¬³²©§¤¬¯¼ °¨ ¤± ¶²¬¯·¨°³¨µ¤·∏µ¨¶¥¨·º¨¨ ±©²µ¨¶·¤±§° ·¨¨²µ²¯²ª¬¦¤¯ ¶·¤·¬²±
tl覆雪期 根据气象站雪深判定其开始和结束日期 o对于 x ¦°深度的温度推算 o该期的开始日以积雪
深度首次超过 x ¦°后第 x日开始计 o对于 us ¦°深度的温度推算则再延续 ts §开始计 o结束日取为气象站
积雪融尽的日期 ∀本期内林地 x ¦°和 us ¦°土壤温度与气象站同深度地温较好地符合如下关系 }
Τ¶©x € s1uuv Τ¶x n t1{ ¬¨³kp s1sx{ νl p s1xsv k Ρu € s1z{{l ktl
Τ¶©us € s1vsv Τ¶us n t1{ ¬¨³kp s1sx{ νl n s1xvy k Ρu € s1x{yl kul
其中 Τ¶©与 Τ¶分别表示林地和气象站土壤温度 o下标 x和 us表示土壤深度k¦°l oν为该期的日序 o指数项是
为了弥补覆雪期与上一时期k降温期l末之间推算值的突变而增加的订正项 ∀
ul融化期 起始日取为气象站积雪首次融尽的日期 o持续时间与温度 !积雪等气象因子有关 o用如下经
验方程判定 x ¦°深度融化期结束日 }
Ε Τ¶ p s1x Ε Η  ts kvl
式中 Ε Τ¶为本期起始日开始计算的地温积温 oΕ Η为本期内积雪融尽后再次降雪的累计k¦°l o均以日为
时间单位进行计算 o满足上式的首日即为该期的结束日 ∀us ¦°深度的结束日比 x ¦°深度的延后 ts §∀本
期内 Τ¶©与 Τ¶无关 o保持恒温 }
Τ¶©x € kp s1v ? s1ul ε k Ρu € s1|{xl kwl
Τ¶©us € kp s1u ? s1ul ε k Ρu € s1|{xl kxl
vl升温期 即林地土壤温度与气象站地温同时增温的时期 o融化期结束后即开始 o结束日取 {月 tx日 ∀
Τ¶©与 Τ¶符合线性关系 }
Τ¶©x € s1|zx Τ¶x p v1vw| k Ρu € s1|z|l kyl
Τ¶©us € t1ss| Τ¶us p v1wzv k Ρu € s1|z{l kzl
wl降温期 即林地土壤温度与气象站地温同时降温的时期 o{月 tx日开始 o结束日期按如下方法确定 o
对 x ¦°深度一直到积雪深度达到 x ¦°为止 ous ¦°深度则再延续 ts §∀本期内 Τ¶©与 Τ¶符合线性关系 }
Τ¶©x € s1zvt Τ¶x n t1|wv k Ρu € s1|{|l k{l
Τ¶©us € s1zs| Τ¶us n u1yzt k Ρu € s1||sl k|l
以上的定量关系即为推算森林土壤温度的经验模型 ∀
u1u 空气温度日平均值的推算方法 森林空气温度 Τ¤©与气象站百叶箱空气温度 Τ¤sk高度 t1x °l符合线性
关系k与季节无关l }
wvt 林 业 科 学 wu卷
Τ¤© € αΤ¤s n β ktsl
式中 }α !β为经验常数 o不同高度的取值如表 t o可以看出各高度的 α值变化不大 o在 s q|yx ∗ s1|y{之间 oβ
值在林冠下随高度增加略有上升ku ∗ { °l o冠层内kuu ∗ uy °l变化不大 ∀
表 1 森林气温与气象站气温线性相关方程的回归系数与相关系数
Ταβ .1 Χοεφφιχιεντσ ανδ χορρελατιονσ οφ τηε ρεγρεσσιον βετωεεν αιρ
τεµ περατυρεσιν φορεστ ανδ τηατ ατ τηε µετεορολογιχαλστατιον
高度 ‹ ¬¨ª«·Π° α β Ρu
u s1|yz s1u|w s1||{
{ s1|y{ s1xw{ s1||y
uu s1|yy s1||t s1||u
uy s1|y{ s1|{{ s1||u
图 v 林地地温推算结果与实际观测值的对比
ƒ¬ªqv ≤²°³¤µ¬¶²± ²© °²§¨¯ ¶¨·¬°¤·¬²±¶¤±§ ° ¤¨¶∏µ¨° ±¨·¶²©¶²¬¯·¨°³¨µ¤·∏µ¨¶
3 推算结果的检验
利用上述方法对 ussv年 ts月 t日至
ussw年年底的森林地温和气温进行了推
算 o图 v为地温的推算结果与实际观测值
的对比 o其中图 vk¤!¥l为时间动态图 o可
以看出 o降温期和覆雪期的推算结果较好 o
其中 ussw年底的 us ¦°土壤温度估计偏低些 ∀升温期的推算值误差相对较大 o如 ussw年 w月 t{ ) us日气
象站地温突现短暂的高值 o对这样较极端的情况推算模型会给出偏高的估计 o而同期林地地温的上升则缓
慢 o同样 o突然的降温事件出现时推算值会偏低 ∀图 vk¦!§l为坐标对比图 o横坐标为观测值 o纵坐标为模型
推算值 o直线表示推算值与观测值相等 ox和 us ¦°土壤温度推算值与观测值的相关系数 Ρu 分别为 s1|y{和
s1|zv ∀
图 w为林内气温的推算结果与实际观测值的对比 o¤!¥!¦和 §分别为 u1x !{ qs !uu1s和 uy1s °高度的坐
标对比图 o可见其推算效果比地温的要好 ow个高度的推算值与观测值的相关系数 Ρu 分别为 s1||z !s1||x !
s1||t和 s1|{{ ∀
xvt 第 tt期 关德新等 }用气象站资料推算附近森林浅层地温和气温
图 w 林内气温的推算结果与实际观测值的对比
ƒ¬ªqw ≤²°³¤µ¬¶²± ²© °²§¨¯ ¶¨·¬°¤·¬²±¶¤±§ ° ¤¨¶∏µ¨° ±¨·¶²©¤¬µ·¨°³¨µ¤·∏µ¨¶
4 讨论
根据长白山红松针阔叶混交林和附近气象站周年数据的分析发现 o森林的气温和浅层地温可以用气象
站对应观测数据的线性函数来推算 o覆雪期林地浅层地温可用气象站同深度地温的线性函数与覆雪日数的
指数函数之和来推算 o利用 tx个月的观测数据验证结果表明 o这种经验方法可以较好地推算出附近森林气
温和浅层地温的日平均值 o相关系数在 s q|y以上 ∀该方法可用于推算无森林小气候观测的森林浅层土壤温
度和气温 o对森林碳循环研究和森林生态分析有实用意义 ∀
该推算模式是根据气象站和森林内长期观测系列的经验关系建立的 o反映了两个观测点温度季节变化
的相关关系 o对数日内温度波动的敏感性不高 o要提高该敏感性 o还需要通过较长时间系列资料的统计分析
对模型加以订正 ∀
本文的推算公式是在长白山森林地区建立的 o在其他地区的适用性和精度有待验证 ∀模式的经验系数
会随着森林的结构特征 !气候和土壤等因素的不同而有变化 o要使模式具有普适意义 o需要将以下因素的影
响纳入推算模式中 ∀
tl森林冠层叶面积 叶面积越大 o透射到林地的太阳辐射越小 o林地土壤温度与气象站土壤温度差异越
大 o反之 o叶面积越小 o二者差异则越小 ∀
ul林地覆盖物 包括草本叶面积 !凋落物量 !雪深等 ∀草本叶面积与冠层叶面积具有相同的作用 ∀凋落
物和雪层既能阻挡太阳辐射能向土壤传输 o也能减弱土壤夜间的辐射冷却 o具有抑制土壤温度日振幅的
作用 ∀
vl土壤物理性质 包括孔隙度 !水分含量等 ∀由于空气是热的不良导体 o土壤孔隙度越大 o其热传导率
yvt 林 业 科 学 wu卷
越小 o升温和降温的速度越慢 ~由于水的热容量大于土壤颗粒 o所以土壤含水量越高 o土壤的升温和降温速度
也越慢 ∀
wl气候 通过制约森林植被类型决定森林的结构 o如湿润的热带地区以常绿森林为主 o叶面积的年变化
较小 o而温带地区落叶林较多 o叶面积的年变化较大 ∀
xl地形 主要通过影响太阳辐射而影响温度 o例如阳坡接受的太阳辐射较阴坡多 o气温和土壤温度较阴
坡高 ∀
这些影响规律的量化需要大量的观测和实验数据 o随着森林小气候观测站的增多 o该推算方法的研究将
进一步深入 o模型也将日臻完善 ∀
参 考 文 献
常 杰 o潘晓东 o葛 滢 qt||| q青冈常绿阔叶林内的小气候特征 q生态学报 ot|ktl }y{ p zx
关德新 o吴家兵 o于贵瑞 o等 qussw q气象条件对长白山红松针阔叶混交林 ≤’u 通量的影响 q中国科学 }⁄辑 ovwk增刊 µl }tsv p ts{
何维明 o董 鸣 qussv q升高气温对旱柳光合和生长的影响 q林业科学 ov|ktl }tys p tyw
胡新生 o刘建伟 qt||z q四个杨树无性系在不同温度和相对湿度条件下净光合速率的比较研究 q林业科学 ovvkul }tsz p tty
胡新生 o王世绩 qt||y q温度和湿度对杨树无性系光合机构 ≤’u 瞬间响应分析 q林业科学研究 o|kwl }vy{ p vzx
李雪峰 o韩士杰 o李玉文 qussx q东北地区主要森林生态系统凋落量的比较 q应用生态学报 otykxl }z{v p z{{
林永标 o申卫军 o彭少麟 qussv q南亚热带鹤山三种人工林小气候效应对比 q生态学报 ouvk{l }tyxz p tyyy
孟祥庄 qussw q柞木林内不同高度小气候因子时空分布规律的研究 q防护林科技 ow }tw p ty
潘 刚 o辛学兵 o王景升 qussw q西藏色季拉山急尖长苞冷杉林小气候特征的初步研究 q西藏科技 ow }w{ p xt
王正非 o朱廷曜 o朱劲伟 o等 qt|{x q森林气象学 q北京 }中国林业出版社
吴家兵 o关德新 qussu q长白山红松针阔叶混交林夏季温度特征研究 q生态学杂志 outkxl }tw p tz
吴家兵 o张玉书 o关德新 qussv q森林生态系统 ≤’u 通量研究方法与进展 q东北林业大学学报 ovtkyl }w| p xt
于贵瑞 o温学发 o李庆康 o等 qussw q中国亚热带和温带典型森林生态系统呼吸的季节模式及环境响应特征 q中国科学 }⁄辑 ovwk增刊 µl }{w p |w
„±·«²±¬°  o ¤º … ∞o ˜±¶º²µ·«  ‹ qt||| q ≤¤µ¥²± ¤±§ º¤·¨µ√¤³²µ ¬¨¦«¤±ª¨ ²© ¤± ²³¨ ±2¦¤±²³¬¨§ ³²±§¨µ²¶¤ ³¬±¨ ¦¨²¶¼¶·¨° q „ªµ¬¦∏¯·∏µ¤¯ ¤±§ ƒ²µ¨¶·
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°¤¯¤ª¬± ∞ Š qt|zy q ’±·«¨ ³µ¨§¬¦·¬²± ²©¶²¬¯·¨°³¨µ¤·∏µ¨¶©µ²° ° ·¨¨²µ²¯²ª¬¦¤¯ §¤·¤§∏µ¬±ª·«¨ º¬±·¨µ³¨µ¬²§q…²∏±§¤µ¼2¯ ¤¼¨ µ ·¨¨²µ²¯²ª¼ots }vvt p vvy
•¤¬¦« • o≥¦«¯ ¶¨¬±ª¨µ • ‹ qt||u q׫¨ ª¯²¥¤¯ ¦¤µ¥²± §¬²¬¬§¨ ©¯∏¬¬± ¶²¬¯ µ¨¶³¬µ¤·¬²± ¤±§¬·¶µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³·² ¦¯¬°¤·¨qר¯ ∏¯¶oww…}{t p ||
k责任编辑 于静娴l
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