小气候自动监测仪_小气候自动监测仪使用方法
1.田间试验概况
2.浙江托普仪器是做什么的？
3.方大天云主要有哪些观测设备？一般用于什么领域观测气象？
4.关于空间的文献论文
5.我国水现状
6.农用机械有哪些？
现代科学技术的发展为现代的天气预报提供了先进的装备，先进的气象卫星、遍布各地的雷达站网络，以及能运算复杂天气模型的强大的超级计算机系统，使天气预报的准确性大大提高。
20世纪70年代末，日本使用了气象卫星，不仅从高空可以收集到各种气象资料，而且使气象部门大大提高了工作效率，还提高了预报的正确程度。电视台的天气预报也由此变得生动而形象：台风眼和它的周围的云层、活动范围、方向、速度等，还有雨、雪区的移动等，一目了然。
美国的领土十分辽阔，它的气象预报系统的规模更大。为了了解世界范围的气象，有四颗气象卫星提供气象信息。有两颗电视与红外线观察卫星，它们的轨道经过地球南北极的上空，卫星上的电视摄影传播云的形状和运动方向，红外照相指示出云层的高度和水汽所含的水分。另外两颗同步气象卫星位于赤道上空对地静止的轨道上，在固定点定时拍摄地球的照片。
此外，有几百个小型资料收集装置设在飞机、轮船、浮筒或充氦气球上。这些收集装置的传感器会自动测出各地的风速、温度、湿度和气压等。还有70多个雷达站遍布全国，对雷暴和旋风进行跟踪。
有一种多普勒雷达系统是先进的气象检测设备。这个系统向周围半径为200千米的各个方向发射波束，通过检测大气中的水滴、草籽、尘土、昆虫等的运动，来测量同地面平行的各个水平面上的风速、风向。它作出的天气预报十分具体：哪一个地方，几点到几点钟将降落多少毫米的雨。如果局部地区在几分钟内将发生突然的气流变向，多普勒雷达系统也能作出相当准确的预报。
另一种激光多普勒雷达——“莱达”，是一种监视地面气象状况的新装置。它装在极地轨道卫星上，每天可测取两次风速。如果有两颗卫星装有“莱达”，这可以监测整个地球的大气状况。用“莱达”系统以后，可以使7～10天的中期天气预报，同目前的24小时的预报一样准确。航空公司也能从“莱达”获益，因为驾驶员有了详尽的当时的气流图，就可以利用快流风，避开迎头风，既可节省时间和燃料，还可保证飞行安全可靠。
近年来，气象工程中的一项重大突破是风向模拟系统的投入使用。模拟系统用一雷达束对1.6～14.4千米范围内的风向和风速做连续测量，并沿竖直方向每隔100米取一个风速风向数据，每平方千米可集到上百项数据。在监视器的屏幕上显示出来：一些五颜六色的箭头，以颜色、长度和方向，分别代表那高度、风速和风向。电脑很快地将几小时前输入的数据以及卫星资料作相互比较，在屏幕上显示出当地的小气流的运动，把预报局部小气候的精度提高到前所未有的水平。
设在马里兰州的计算机天气模型，根据从世界各地传送来的气象数据，包括风向、风速、温度、湿度、气压等。从全国650个气象气球的高空测候仪集到了气象数据，全部集中发送到静止轨道上的工作卫星上，然后从太空发回卫星地面接收站，再由地面站送到气象中心。各地浮筒或机载的收集装置所记录的信息几分钟后便汇集中心，许多电脑神速处理各种数据，从而对当时的天气形势形成一个数学的描述。美国的气象中心每天向各主要预报中心发出2000个这样的报告，再通过它们向各地方机构传送。各地气象台再结合最新的卫星图像与地面测定的数据，结合各自的经验，发布出当地的天气预报。这种预报已相当准确了。
田间试验概况
水土保持治理措施的实施，不仅由于下垫面条件的改变而使径流泥沙的时空分布发生变化，有效地拦蓄地表径流，提高水利用率，减少入河泥沙。同时，随着造林、种草面积的扩大和植被覆盖度的提高以及高标准水平梯田、坝地等滞蓄和拦截径流工程的增多，所引起项目区局地下垫面性质和粗糙度的改变，使得区域小气候也发生变化，进而改善了当地的生态环境。客观地分析和评价水土保持项目实施前后生态环境的效应，应对影响生态环境的主要因子———土壤、径流、生物和小气候等要素进行调查。水土保持生态效益主要计算改善地表的径流状况、土壤的理化性质、贴地层的小气候和地面的植物被覆程度，并描述野生动物的增加情况。
这里介绍康玲玲(2004)等提出的黄土高原水土保持生态环境建设生态效益监测方法，对其他地区生态效益监测提供借鉴。
一、水圈生态效益
水圈主要监测治理前与治理后的雨量相近的地表径流洪水流量和常水流量。因为水土流失是面源污染的重要载体，监测比较水质的变化可以反应水土保持措施实施前后对面源污染负荷的削减作用。
1.径流监测
(1)监测布设。
1)径流小区监测布设。
A.有措施与无措施对比:梯田与坡耕地对比，造林、种草、果园与荒地或退耕地对比。
B.各组对比小区的坡度、坡向、长度、宽度、土质等，应基本一致，设在同一坡面、同一等高线上，位置相近。
C.小区间设一雨量筒，有条件的可增设一自记雨量计。
D.小区下的水池，应有容纳一次最大暴雨径流的泥沙，否则应增设分水设备。池内的水尺标志应鲜明，做好水位—容量关系曲线。
2)对比沟监测布设。
A.当一条小毛沟(面积＜1.0km2)内全部实施某一单项措施时(一般主要是造林或梯田)可用对比沟方法监测其蓄水效益。
B.在有措施小毛沟出口处及在其邻近选定的自然条件相似、未治理的小毛沟出口处，分别布设监测。
(2)监测方法。
1)径流小区监测。
A.每次暴雨后，及时查看雨量、降雨历时和水池内水位，查明相应的水量，及时作好记载。
B.将池中泥水搅匀，用标准取样器(容量固定)取出浑水水样，经过滤求得水量。
2)对比沟监测。
A.每次暴雨后，及时监测有措施与无措施2条小流域的水量以及相应的雨量和雨强，做好记载。
B.不同的监测设备，用不同的监测方法。①量水堰(槽)和渠道断面监测。每次暴雨后，及时察看渠道断面、量水堰(槽)旁和上下游水位，作好记载，根据水位—流量关系，算得其出流水量。②无排水设施的坝库监测。每次暴雨后，及时察看坝前水尺上的水位，作好记载，根据水位—库容关系，扣除本次暴雨前库中原有水量，算得本次暴雨的流域产水量。③有排水设施的坝库监测。每年汛后或每次特大暴雨后，在上述监测工作基础上，再察看卧管上的水位和进水孔排水情况(进水口开放数量)作好记载，根据已制定的计算图、表，算得排水数量，与库内测得的来水量相加，即为本次暴雨流域内的产流量。
2.水质监测
(1)监测布设。
1)布设原则。
a.结合径流小区监测，取水样分析，有措施小区与无措施小区对比;
b.结合小流域监测，取水样分析，综合治理小流域与未治理小流域对比;
c.项目区内黄河支流水文站结合水文监测，在适当位置取水样分析。
2)监测点布设。
a.监测站网布设。根据水系特征和项目区分布特点进行布设。有项目实施的各河流均应设站。鉴于项目区较分散，还应在项目区所在小流域出口设立代表性测站。站网布设应尽量与水文站、流量站或水沙监测站相结合。
b.样断面布设。①对照断面:在河流进入项目区上游，不受污染影响的地方设立一个对照断面;或在项目区外选择与项目区内条件基本一致的河流设立对照断面。②控制断面:在项目区下游，能反映该项目区污染的地方，一般设在距项目区500～1000m处。一个河段上控制断面的数目应据项目区分布和流域实情而定。③削减断面:在控制断面下游，水质得到稀释的河段设立削减断面，一般设在距项目区1500m以外。每个样断面均应设立固定、明显的标志，以便每次集的样本均取自同一位置上。
c.样点位置的确定。在一个样断面上，水面宽＞100m时，设左、中、右3条垂线;50～100m时，除中泓线外再设1条垂线;＜50m时，只设中泓1条垂线。在一条垂线上，水深＞5m时，设2个点，即水面下0.3～0.5m处和河底上约1m处各设一点;水深＜5m时，只在水面下0.3～0.5m处设一点。
(2)监测内容。根据河流水体的特点和项目区实际情况，选择pH值，BOD5，COD，NH3－N，NO2－N，有机磷农药等作为主要监测项目;总硬度，CO2－ 3，SO2－4，Ca2+，Mg2+，K+，砷，氰化物等作次要监测项目。同时进行流量观测。
(3)水样集方法。
1)集量与保存方法。水样集量应满足一定的要求，并在规定保存时间内进行分析化验。常用水质监测项目的水样用量和保存方法，见表9－45。水质各项内容的测定方法参照GB3838—2002进行。
表9－45 水样用量和保存方法
2)样频次。主要监测项目1～2月集1次，每年样不应少于6～8次，可在丰水期(汛期)、枯水期(汛前)、平水期(汛后)各样2次或双月样;次要监测项目每年样不应少于3次，可在丰、枯、平水期各样1次。
3)样方法。①船只样:一般河流样可用小船，最好有专用的监测船或样船。为了安全可靠，应考虑水情和气候条件选用适当吨位的船只。必须待船只停稳后才能样。②桥梁样:确定样断面时应考虑交通方便，并尽量利用现有的桥梁样。③涉水样:较浅的小河和靠近岸边水浅的样点可涉水样。但要避免搅动水底沉淀物而使水样受污染。涉水样时，样者应面向上游方向集水样。
二、土圈生态效益
土圈生态效益主要监测土壤水分、氮、磷、钾、有机质、团粒结构、空隙率等理化性质在水土保持措施实施前后的变化。
1.监测布设
(1)布设原则。
1)以县(支流)为单元控制，分不同土类，不同措施，不同地块类型(梯田、坡耕地、林地、果园、草地、荒坡地)，不同位置(上、中、下)布设监测点;
2)不同层次的监测点都应以有项目和无项目横向对比(土壤类型应相同)，与项目执行前和执行期间不同时期纵向对比;
3)从项目实施起，长期固定监测，并按不同时段(至少为一个生长季节)连续记录观测，提交每年逐点监测登记表和监测成果表。
(2)监测点布设。
1)在无项目区内，选择与有项目区邻近的，且自然条件、土壤类型基本相同的地区作为对照点;
2)以县(支流)为单元，各县(支流)按土壤类型、土地利用现状，并结合该县(流域)实际情况设置有代表性的监测点。
2.监测内容
(1)项目区基本情况监测。
1)施用农药、化肥的种类、数量、配合比例、施用方法、增产效益;
2)施用有机肥的种类、来源、施用量、施用方法、与化肥的配合比例、增产效果;
3)植被措施实施后，增加地面枯落物的厚度。
(2)土壤基础条件监测。
1)土壤类型:土种、成土母质、基础肥力状况、熟化程度;
2)土壤属性:土体构型、有效土层厚度、土壤质地。
(3)土壤物理性质。
1)颗粒组成;
2)容重、比重、孔隙度;
3)含水量。
(4)土壤化学性质。
1)全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾;
2)酸碱度(pH);
3)阳离子交换量(CEC)。
3.样品集方法
(1)土壤物理性质的样品集。选定代表性位置，挖坑分层集原状土或用特定(如环刀)的工具取样，注意保持土块不受挤压、变形;
(2)土壤混合样品的集。根据试验目的、试验区面积大小，确定样深度(一般为20cm)和样点的多少。在已确定的监测地块中，根据面积大小，分别选用不同的样点(5～20个)，分层集混合样品约1kg。若样品超过1kg，要用四分法缩取;
(3)样品集的方法。面积较小的用对角线样法，面积适中的用棋盘式样法(上、中、下，左、中、右)，面积较大的用蛇型(S形)样法。但为了避免系统误差，通常都按S形的路线取样。土壤理化性质各项目的测定方法参照中国土壤学会编的《土壤农业化学分析方法》(2000年)进行。
三、气圈生态效益
气圈生态效益主要监测水土保持措施实施前后小流域或区域小气候(温度、湿度、风力等)的变化以及由于改善小气候提高作物的产量。而对遇有霜、冻、干热风等自然灾害时，应进一步弄清改善小气候对减轻自然灾害的作用程度。
1.监测布设
(1)监测点分类。项目区小气候监测不同于一般气象站的观测，在选取观测点时，必须考虑测点的代表性和观测资料的可比性。因此，通常把所选测点分为基本测点和对照测点2种。
1)基本测点。在项目区具有代表性地段设立的一种固定测点。
2)对照点。设在项目区之外，既不受项目区气候影响，又较为接近项目区，且与项目区同属一气候类型区的测点。
(2)选点原则。
1)测点的密度。①布设密度一般控制在每400km2设一个测点;若项目区比较大，且治理措施单一，则其布设密度可放宽到每600km2一个测点。②任何一个项目区至少要布设两个基本点和两个对照点。
2)测点的代表性。基本测点一般设在项目区中部盛行风向的下风区，若因条件限制，或委托当地气象站为基本点，则其位置也应处于项目区内。
3)测点的比较性。选定基本测点后，同时应在通过基本测点与项目区盛行风向垂直的连线上选取对照点，以便与基本点进行平行观测。对照点与项目区的距离以控制在1～50km之内较好。
4)测点的相似性。作为对照点所在的区域除了需要比较的因子(如植被覆盖度等)以外，其他方面都应与基本点所处的自然环境保持一致或基本一致。
(3)监测点选定。
1)委托气象站(园)。为减少投资，保证资料质量，应尽量委托符合上述测点条件的现有气象站(园)作为监测点。
2)新建测点。若项目区内没有条件委托气象站，或委托气象站后，还达不到布设的密度，则应增设新的监测点。
2.监测项目
(1)气温———定时气温和日最高、最低气温。
(2)降水———时段降水量和日降水量。
(3)湿度———绝对湿度和相对湿度以及日最小相对湿度。
(4)风———风速和风向。
(5)天气现象———雾、霜、沙尘暴、扬沙和大风。
3.观测时间与仪器
(1)每天于2时，8时，14时，20时进行4次定时观测。
(2)基本测点与对照测点应同步观测。
(3)温度计、湿度计、自记雨量计和电接风向风速仪作24h的连续观测记录。
4.监测方法
(1)温度、湿度监测方法。
1)定时观测的程序与精度。①定时观测的程序:干球、湿球温度表，最低温度表酒精柱，最高温度表，最低温度表游标，调整最高、最低温度表，温度计和湿度计读数并作时间记号。②观测精度:各种温度表读数要准确到0.1℃，温度在0℃以下时，应加“－”。读数记入观测簿相应栏内，并按所附检定证进行器差订正。
2)最高、最低温度表观测与调整。①最高、最低温度表每天20时观测1次，测后须调整温度表。②调整最高温度表方法:用手握住表身，感应部分向下，臂向外伸出约30°，用大臂将表前后甩动，毛细管内水银即可下落到感应部分，使所指示温度接近于当时干球温度。③调整最低温度表方法:抬高温度表的感应部分，表身倾斜，使游标回到酒精柱的顶端。
3)水汽压、相对湿度的查取。用经仪器订正后的干、湿球温度，从《气象常用表》中查取水汽压和相对湿度值。
4)极值的挑选与确定。日极端最高、最低气温和日最小相对湿度的挑选与确定应结合温度计和湿度计的自记记录进行。
(2)降水监测的方法。
1)降水量(mm)取1位小数。配有自记雨量计的，作连续记录并进行整理。
2)每天8时、20时观测前12h的降水量。
3)对于固态降水的观测，可以待其融化后用量杯量取，也可用台称称量。
4)无降水时，降水量栏空白不填。
(3)风的监测方法。
1)风向风速用EL型电接风向风速仪进行测定。
2)观测与记录。①打开指示器的风向、风速开关，观测2min风速指针摆动的平均位置，读取风速(m/s)。②风速小的时候，把风速开关拨在“20”档，读0～20m/s标尺刻度;风速大时，应把风速开关拨在“40”档，读0～40m/s标尺刻度。③观测风向指示灯，读取2min的最多风向，用16方位的缩写记载。④静风时，风速记“0”，风向记“C”。
(4)天气现象的监测方法。
1)观测和记录视区内出现的上列各种天气现象。
2)随时观测和记录值班时间内所出现的各种天气现象，夜间不守班的测点，对夜间出现的天气现象应尽量通过判断记载。
3)雾、沙尘暴和大风应记录开始与终止时间(时、分)。
4)轻雾、霜、扬沙不计起止时间。
5)天气现象按出现顺序记录，并以20时为日界。
6)夜间不守班的测点，观测簿中的天气现象栏分“夜间(20～8时)”和“白天(8～20时)”两栏，一律不记起止时间。
7)记起止时间的现象，当其出现时间不足1min即已终止，则只记开始时间，不记终止时间。
8)大风的起止时间，凡两段出现的时间间隔在15min以内时，应作为1次记载;否则另记起止时间。
四、生物圈生态效益
生物圈生态效益是监测水土保持措施实施前后植被(人工林、草和封育林、草新增加的林草覆盖率以及植物固碳量)、野生动物等的变化。其中，植被的变化要定量化，而动物数量的变化用定性描述。
1.监测布设与监测内容
结合小流域水土保持综合治理，在不同类型区内选择具有典型代表性的小流域设立植被度监测点。植被度主要监测乔木林地郁闭度、草地与灌木林地盖度和乔、灌、草混合体系覆盖度。
2.监测方法
(1)监测样方。在监测站点与对比监测站点林地草地内设置监测样方，监测样方面积要求如下:乔木林20m×20m，灌木林5m×5m，草地2m×2m，乔、灌、草体系样方为能完整覆盖一个乔灌草配置单元宽度的正方形。
(2)林地郁闭度监测。郁闭度指林冠垂直投影面积占林地面积的比值。常用的监测方法主要是树冠投影法，即实测立木投影与林地面积之比。通过实测样方内立木投影，再勾绘到图上，求算面积，公式为:
水土保持综合治理系列标准宣贯教材
式中:D———林地郁闭度;
Fi———样方内实测立木投影面积，m2，i=1，2，…，n;
Fe———样方面积，m2。
(3)草地盖度监测。盖度指草(灌木)的茎(枝)叶所覆盖的土地面积。常用的方法有:
1)针刺法。在监测样方内选取1m2的小样方，借助钢卷尺和样方绳上每隔10cm的标记，用粗约2mm的细针，顺序在小样方内上下左右间隔10cm的点上(共100点)，从草的上方垂直插下，针与草相接触即算1次“有”，如不接触则算“无”，在表上登记，最后计算登记的次数，用下式算出盖度(%):
水土保持综合治理系列标准宣贯教材
式中:R1———草或灌木的盖度，%;
N———插针的总次数，次;
n———“不接触”的次数，次。
2)方格法。利用预先制成的面积为1m2的正方形木架，内用绳线分为100个0.01m2的小方格，将方格木架放置在样方内的草地上，数出草的茎叶所占方格数，即得草地盖度(%)。
(4)灌木盖度监测。常用的主要是线段法，即用测绳在所选样方的灌木上方水平拉过，垂直观测株丛在测绳垂直投影的长度，并用尺测量、计算灌木总投影长度，与测绳总长度之比即得灌木盖度(%)，用此法应在不同方向上取3条线段求其平均值，其计算公式如下:
水土保持综合治理系列标准宣贯教材
式中:R2———灌木盖度，%;
L———测绳长度，cm;
l———投影长度，cm。
(5)乔、灌、草混合体系的覆盖度监测。用上述测定乔木林郁闭度、草灌盖度的方法，分别测定样方内乔、灌、草的郁闭度和盖度，三者之和再减去乔灌草相互间重叠的部分，即得覆盖度(%)。
浙江托普仪器是做什么的？
1.试验区气候及土壤条件
为了实施本课题的研究思路，在山西省汾河水利管理局的协同配合下，我们在山西省中心灌溉试验站进行了大量的野外田间试验研究。试验区位于太原盆地的中央地带，地形平坦，在山西省季节性冻土分布区有一定的代表性。
试验期间研究区土壤初冻始于1995年11月15日，最大冻深2.5 cm；11月20～28日土壤开始经历第二次冻结过程，最大冻深8.0 cm。在这两次冻融循环过程中，每日都经历一次夜冻昼融的日冻融循环。12月2日以后季节性冻层稳定向下发展，一周后距地表20.0 cm处的地温降到0℃以下。到2月中旬冻层厚度达到最大为63.5 cm。春季回暖，冻层融化。研究区地表初融开始于1996年2月28日，3月12日冻层进入由上而下和由下而上的双向消融阶段，3月20日冻层全部融通，全年冻结期约为5个月左右（土壤冻融过程见图6-9）。研究区年降雨量为450～490 mm，但年际变化较大，多雨年份达650 mm，少雨年份仅240 mm。降水在一年内分配极不均匀，约60%集中在7、8、9三个月。年均蒸发量高达1600～1800 mm，春夏连旱（春旱频率85%，夏旱频率50%）的情况经常出现，因区内水严重短缺，难以保证适农时灌溉，农作物生长受到严重威胁。因此，每年晚秋及早春的汾河储水保墒灌溉对该区的农业生产具有十分重要的意义。
区内土壤为太原盆地广布的典型土壤——盐化浅色草甸土。土壤养分含量为：有机质1.38%，全氮0.075%，速效磷30×10-6。耕作层物理性粉粒含量65%，粘粒含量23%，孔隙度48%。耕层下存在明显的犁底层，犁底层粘重致密，孔隙度小，容重大，质地重壤，透水、透气性差。土壤剖面分层理化性质见表6-3。
图6-9 土壤冻融过程曲线
表6-3 土壤剖面分层理化性质表
2.试验条件与方法
田间试验在中心灌溉试验站试验小区（水均衡封闭试坑）进行，试坑横截面为正方形，面积4 m2。封闭式试坑地下水位埋深分别为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m，试坑间为混凝土隔离层。试坑土壤按照当地土壤剖面结构分层填筑，到试验进行时，已耕种5年。耕层土壤秋后人工翻松20 cm，地表土壤干容重为1.0 g/cm3，经秋后较长时间的休闲后，形成自上而下递增的土壤含水率分布，可以近似认为处于相对潜水稳定蒸发状态。试坑上端与地表齐平，下端与自动供水装置相连，中心埋设中子管和地温计。野外试验在1995-11～1996-03季节性冻融期进行。共设置三种灌溉定额（100 mm、60 mm、0），以分析不同水分条件下土壤水热变化及冬、春灌溉对土壤水热状况的影响。
试验观测项目包括土壤水分、温度及田间小气候的动态监测。小气候观测项目主要包括日照、太阳辐射、气温、湿度、露点温度、风速、降雨、蒸发等。
田间土壤水分的测定方法包括直接称重法和利用核技术、遥感技术、电磁技术等间接测定。直接法具有原理简单、测量精度高、设备简单等优点，但也有耗时长、破坏土体等缺点。间接法与直接法正好相反，具有简单、快速、不扰动土壤、可原位重复测量等优点，但其设备较复杂，测量的空间分辨率一般不高。在核技术方法中，中子仪通过测量土壤中H原子对快中子的散射，γ射线仪通过测量土壤对γ射线的衰减来推求土壤含水率。电磁技术方法利用土壤介电常数与含水率的关系来反求土壤含水率，其中包括时间域反射仪（TDR）、频域反射仪（FDR）。遥感技术主要用于大面积表土水分的监测。
在试验中用称重法和中子法相结合的方法测定土壤含水率，中子法测点深度分别为10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、80 cm、100 cm、120 cm、150 cm、180 cm、210 cm、250 cm、300 cm。在地表附近25 cm范围内，中子仪分辨率较低，所以用称重法加以校正。地温的主要观测仪器有液体温度表、铂电阻、半导体热敏电阻、铜电阻测温计、热电偶等。试验土壤温度的测量用地温计，地温测量深度为0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、30 cm、40 cm、80 cm、120 cm、180 cm、280 cm。土壤盐分只在试验开始和结束后取了两次样，剖面取样深度分别为5 cm、15 cm、25 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm。
3.试验过程中气温、地表温度变化规律
土壤的冻融状况主要取决于土壤温度、水分、盐分等因素，其中地温变化是决定性因素。地温的变化与气温密切相关，本节在试验观测资料的基础上，分析了试验期间（1995-11～1996-03）气温、地表温度的变化规律。
（1）气温、地表温度变化过程
图6-10 试验期间气温、地表温度变化过程
图6-10表示试验期间日平均气温与平均地表温度的变化过程及变化趋势。在山西省汾河灌区进入11月中旬以后，尽管日平均温度为正，但最低温度已达到0℃以下，表层土壤出现夜冻昼融现象。到11月底，日平均温度稳定通过0℃达到负值以后，大地封冻。此后，随着气温的不断下降，地表温度亦随之降低。到1月份气温和地表温度达到最低，然后又缓慢回升，到3月初稳定通过0℃转为正值。由图6-10中可以看出，气温和地表温度随时间的变化是同步的，只是同时段地表温度变化略大于气温。季节性冻融期，气温、地表温度随时间的变化趋势可分别用三次多项式进行回归：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中，dn为从某个冻融阶段开始时算起的日数，A0、A1、A2、A3为回归系数（表6-4）。
表6-4 气温、地温回归系数表
（2）气温、地表负积温变化过程
积温通常是指某一农业界限温度以上的日平均温度之和，积温这一概念在农业生产方面得到了广泛的应用。在土壤冻融过程的研究中引入负积温的概念，指的是季节性冻融期温度稳定通过0℃转变为负温以后温度绝对值的累积。土壤的冻结过程实际上是负温积累作用的结果，因此负积温概念的引入有利于从本质上对土壤冻融过程进行研究。
图6-11表示试验过程中日平均气温、地表负积温随时间的变化过程。与图6-10中温度变化过程一样，气温负积温与地表负积温的变化趋势是同步的，并且同时段气温负积温强度低于地表负积温。不同冻融阶段，气温负积温和地表负积温变化过程也可以分别用四次多项式进行回归：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
回归系数A0、A1、A2、A3、A4见表6-5。
表6-5 累积负温（气温、地温）回归系数表
图6-11 试验期间气温、地表负积温变化过程
图6-12为气温负积温与地表负积温的关系曲线。由图可见，二者存在明显的相关关系。在土壤冻结（Ts＜0℃）以及上层土壤融化（Ts＞0℃）期间，二者可分别用如下的线性关系式来表示：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
式中，STa、STs分别为气温负积温（℃）、地表负积温（℃），a、b为回归系数（表6-6）。
图6-12 试验期间气温负积温与地表负积温之间的关系
表6-6 气温负积温与地表负积温相关关系
负积温的累积过程，实际上是当温度低于零度后，温度的积分过程，根据积分与微分的关系，负积温对时间的负导数即为温度值：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
根据式（6.172）和（6.174）可得到：
水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动
综合上式和（6.173）可得到：Ts=b·Ta
由表6-6可知，无论在冻结期，还是在融化期，回归系数 b ＞1 成立，所以，|Ts|总是大于|T a|。因此，对于冻结期（T s＜0），气温的负积温强度小于地温，即日平均地表温度低于气温；对于非冻结期（T s＞0），气温的负积温强度小于地温，即地表温度同样低于气温。
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2中国科学院日地空间环境观测研究网络现状与未来发展
编者按 野外观测研究台站(以下简称野外台站)是开展野外科学观测、试验、研究和示范的基础性平台，在、生态、环境领域具有与实验室同等重要的地位，并发挥着不可替代的作用。创新三期，我院将新建“近海海洋观测研究网络”，完善“日地空间环境观测研究网络”、“中国东部城市生态与区域环境监测研究网络”、“中国陆地生态系统通量观测研究网络”。本刊拟从当期开始，以专栏形式介绍上述野外台站网络的建设与发展。
中国科学院日地空间环境观测研究网络现状与未来发展
作者：张鸿翔1 宁百齐2
(1 中国科学院环境科学与技术局 北京 100864
2 中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100101)
摘要 中国科学院日地空间环境观测网络是在中国科学院地磁台链的基础上建设和发展的，目前涵盖了9个主要的野外站和1个数据中心，它们大部分是国家地球物理台站网络和“子午工程”的骨干站，为我国空间物理和空间天气科学的发展做出了重要贡献。通过院知识创新工程三期的建设，院“日地空间环境观测研究网络”将成为我国日地空间环境观测的研究基地和多学科交叉的研究平台，将在我国日地空间环境地基观测中起到主导和引领作用。
关键词 日地空间环境观测网络，发展
1 发展现状
自上世纪90年代开始，中科院对野外站开始大规模建设，知识创新工程二期是我院野外站重要发展阶段，通过对已有台站的整合和完善，重点建成了4大野外台站网络，即中国生态系统研究网络(CERN)、特殊环境与灾害监测研究网络、区域大气本底观测网络与地磁台链。在2006年开始的院创新三期建设中，为应对国内外蓬勃发展的空间物理和空间天气应用研究的需求，以地磁台链现有台站为基础，建立和发展中科院“日地空间环境观测研究网络”是我院野外台站网络建设的一个重要任务。
我院的空间环境台站观测研究始自原中科院地球物理所(现地质与地球物理所)，新中国建立不久，在我国著名大气物理和空间物理学家赵九章先生等老一辈科学家的领导下，建立了地磁、电离层和高层大气观测站网，开拓了我院空间环境观测研究工作。目前我院从事空间环境观测的研究所主要有：地质与地球物理所、大气物理所、测量与地球物理所、高能物理所、空间中心和中国科技大学地球与空间学院等，观测研究内容主要包括：地球磁场、重力场、中高层大气、电离层、磁层和宇宙线等日地空间环境。
近年来在国际空间物理研究和空间天气研究的推动下和我国的应用需求下，国内空间环境观测研究出现了一些新的变化：(1)由中科院牵头的国家重大科学工程“子午工程”已经启动,该工程不仅大大促进了我院空间环境观测能力的建设,也推动了国内有关单位空间环境和空间天气观测研究水平的提高。(2)我国科学探测卫星“双星”系统的成功发射和取得的科学成果以及正在预研的“夸父”等科学探测卫星，有利地促进了地基空间环境探测的发展，特别是我国一系列应用卫星的发射和应用，空间活动日益频繁，如载人航天“神舟”飞船系列，探月“嫦娥”系列，自主导航卫星“北斗”一代、二代系列以及各种通信，军事卫星，都需要对空间环境及变化进行监测、分析和预报，保障各类航天器的空间环境安全。因此，这些需求有力地促进了空间环境观测研究的发展。
目前我院从事空间环境观测研究的重要野外台站有6个，分别是：
1.1 北京空间环境国家野外科学观测
研究站
包含四个站，北京主站：116.37?觷E，39.98?觷N； 漠河子站：122.34?觷E，53.49?觷N； 武汉子站：114.34?觷E，30.54?觷N；三亚子站：109.62?觷E，18.34?觷N，均依托于地质与地球物理所，是科技部地球物理国家野外科学观测研究站和“子午工程”项目的骨干站。
该站整合了院地磁台链和武汉电离层观测站，沿东经120度子午线，从我国最北端漠河到最南端三亚，纬度间隔约10度均匀布局。从地理位置上看，该台链经过东亚电离层异常区域及蒙古地磁场异常区域，是观测与研究众多地球空间物理现象的“黄金链”。在观测研究内容上，该站以空间环境中涉及的磁层、电离层、中高层大气以及地球磁场为主要观测和研究对象，形成多手段、多参量综合观测，具有同时观测我国空间环境不同经纬度变化、不同空间层次和不同观测参量的能力。其中，设在北京主站的地磁观测于2001年被纳入国际地磁网Intermagnet，是我国首个加入该网的国际基准台；漠河子站对于观测研究来自北极空间环境扰动和能量输入过程有重要作用；武汉子站是观测研究中国电离层地区特性的黄金地带，拥有我国电离层观测60年的连续观测资料，是我国电离层观测历史最长，观测资料最为连续的国际知名台站；三亚子站是观测研究电离层不规则结构和高层大气动力学、电动力学过程的重要区域。该台站以电离层和地磁场变化为主线，具有鲜明的特色和典型的学科与地域代表性。
1.2 安徽蒙城地球物理国家野外科学观测
研究站( 33.33?觷N, 116.50?觷E )
依托于中国科技大学地球与空间学院，是科技部地球物理国家野外科学观测研究站，并且“子午工程”的重大设备高空激光雷达也将装备在该站。
该站是由中国科技大学和安徽省地震局于2005年11月联合共建。本站将安徽省地震局对地震、重力、GPS、地电、地磁等方面的观测设备与中国科技大学地球和空间学院雄厚的科研实力相结合，该站对于中国东部构造运动的研究具有重要意义，通过长期积累地电、地磁、形变和重力的观测资料，为安徽及邻近省份的地震活动性、地震预报和地球物理学研究提供可靠的资料；同时监测中高空层大气的物理过程，开展太阳物理与磁层物理的研究，实现固体地球、大气层、磁层的整体综合性观测。
1.3 武汉大地测量国家野外科学观测研究
站(简称九峰站，30.52?觷N, 114.49?觷E)
依托于测量与地球物理所，是科技部地球物理国家野外科学观测研究站。
该站是我国一个长期的、综合性的大地测量和地球物理观测研究基地，也是目前中国大陆上唯一的国际地潮中心(ICET)重力潮汐国际基准站，亚洲大陆唯一参加全球地球动力学国际合作研究的观测站。九峰站拥有多种国际上先进的重力观测仪器和空间大地测量仪器，如动力大地测量观测仪器(超导重力仪、绝对重力仪及LaCoste G型和ET型相对重力仪、人卫激光测距仪(SLR)、全球定位系统(GPS)接收机、欧洲多普勒卫星定位(DORIS)发射机)，是目前国内同类观测台站中唯一拥有如此齐备观测条件的台站，也是国际上一流水平的动力大地测量实验观测台站。
1.4 西藏羊八井宇宙线国家野外科学观测
研究站(30.10?觷N, 90.50?觷E)
依托于高能物理所，是科技部首批地球物理国家野外科学观测研究试点站。
该站于1995年被美国《科学》杂志列为中国25个科研基地之一及6个可持续发展的大科学之一，被誉为国际上最高品质的地面宇宙射线观测站。观测站于1990年由高能物理所与日本东京大学宇宙线所合作建造，目前，AS?酌阵列探测器已拥有833个探测器、占地约30000平方米；1998年从日本理化所宇宙线研究室引进的28支NM ?蛳64型中子监测器是全球所有正在运行的60个中子监测器中海拔最高、计数率最高的中子监测器；2001年6月中意合作ARGO 1万多平方米的实验大厅落成，2006年6月5000平方米RPC“地毯”式探测器正式投入运行。
1.5 海南空间天气国家野外科学观测研究
站(19.31?觷N，109.08?觷E)
依托于空间中心，是科技部地球物理国家野外科学观测研究站，同时也是国家“子午工程”项目的骨干站。
该站拥有一批具有世界先进水平的空间天气综合探测仪器，包括电离层DPS-4测高仪、电离层GPS-TEC监测仪、电离层GPS闪烁监测仪和大气电场仪等观测设备，并取得了多年的探测数据。台站主要探测和研究我国低纬度地区电离层、中高层大气和地磁扰动变化及其对太阳活动风暴响应的物理过程，研究其空间天气因果链过程中的作用，建立电离层和中高层大气扰动变化的模型，研究电离层空间天气的预报方法。为探索低纬度和赤道地区空间天气变化规律和建立相关的空间天气模式提供科学探测数据，为我国的通讯、空间飞行和航天活动提供保障。
1.6 河北香河大气物理综合观测研究站
(39.75?觷N, 116.95?觷E)
依托于大气物理所，国家“子午工程”的骨干设备MST雷达将在本站建设。
该站拥有的大中型观测仪器有VHF/ST雷达、双波长天气雷达、多部流动测雨雷达、GPS臭氧探空系统、小气候观测塔、气球跟踪遥测系统及数个雨量自记仪等。香河站是我国中层大气探测研究的重要基地，同时也是华北大气环境监测和大气探测高新技术自主研发的试验基地。
2 取得的代表性成果
中科院的空间环境观测台站的建立对推动我国空间科学研究和应用的发展做出了重要贡献，取得的主要代表性成果有：
(1)通过用高频多普勒台站和电离层测高仪对电离层的长期观测分析，首次创造性地提出了中国地区电离层扰动与青藏高原地形隆起和低涡天气有密切的关系，揭示了中国中部电离层扰动的地区特性，为解释困扰国际空间界60多年的电离层远东异常这一难题提供了重要依据。
(2)利用我国空间环境台站积累的长达半个多世纪的观测资料，并与国际上的同类观测资料结合，用先进的统计分析方法，对电离层、地磁扰动等空间气候学中涉及的长期趋势、太阳活动变化以及年变化、半年变化等多个方面进行了系统研究。
(3)在我国青藏高原的羊八井宇宙射线观测站，用宇宙射线广延大气簇阵列成功观测到了“宇宙线太阳阴影”的偏移及其随时间的变化，得到世界上最清晰的阴影图像，反映了太阳活动对日地空间磁场的扰动，从而建立了新的在地面上长期持续监测日?蛳地空间大尺度磁场和太阳活动变化的研究方法，推动了太阳活动变化对地球环境影响的多学科交叉研究，使研究太阳活动和行星际磁场变化的关联及探索用于空间环境预报成为可能。
(4)围绕地球潮汐形变的精密确定、大气海洋与重力场耦合机理、地球简正模及其液核共振和地球自转变化等国际前沿领域，创新性提出的“小参数扰动”方法是国际上3种潮汐理论模拟解法之一，国际同行评价认为，这是考虑地球地幔侧向非均匀性最有效的解法。建立了中国大陆东西重力潮汐剖面及沿海重力潮汐剖面、武汉国际重力潮汐基准和重力仪国际标定系统。
(5)在香河大气综合观测站建立了我国自主研制的首台大型VHF/MST雷达，并利用1/4阵能够开展经常性的探测，先后进行边界性观测实验，上对流层?蛳下平流层区域的综合观测实验和大气环境参数垂直分布的观测研究。
3 有关的日地空间环境研究的重要科
学问题及国家需求
3.1 重要科学问题
(1)日地空间系统的整体行为与能量传输过程。研究太阳表面、太阳风和地球空间作为一个整体的形态与变化特性，主要是太阳能量辐射与地球空间的响应，特别强调日地空间整体行为中的能量传输过程。
(2)空间天气的产生与发展，日地空间系统中的暴特性。研究日地空间中灾害性扰动过程，主要是太阳爆发及其引起的行星际扰动和地球空间暴(磁暴、磁层亚暴、电离层暴等)相关的空间现象的产生与演化特性。
(3)日地空间系统中各层次的相互作用与相互耦合。主要研究涉及日冕?蛳太阳风的耦合、太阳风对磁层的作用、磁层?蛳电离层耦合、电离层?蛳热层?蛳中高层大气耦合以及电离层?蛳大气层?蛳地表(岩石圈、海洋)的耦合等发生在空间环境各分界面上的各种复杂物理过程。
(4)空间环境气候学特性与模式化。主要研究空间环境及其特征参量的平均特性与长期变化，用数学物理方法、数学统计方法等建立描述空间环境分布与变化基本模式，用于空间物理研究与空间环境预报。
(5)空间物理中的基本等离子体物理过程。包括等离子体的加速、辐射、波动、不稳定性、非线性以及相关的磁场重联等日地空间重要现象的基本物理过程。
3.2 重大国家需求
(1)航天工程安全保障。空间环境中的辐射增强等剧烈扰动过程破坏飞行器的电子器件、中断飞行器与地面的通信联系、威胁宇航员的安全，已成为航天工程的第一杀手。通过空间环境观测为航天工程提供空间环境预报，以便对空间灾害取必要的规避与保护措施，避免造成了大量的经济损失和人员牺牲。
(2)地面技术系统的安全。空间环境的剧烈扰动可导致高危地区地面电力传输线、输油管道以及通信电缆的损坏。特别是在我国与俄罗斯远东地区的能源联系日渐密切的情况下，这类空间环境的破坏性尤应引起我们的重视。
4 未来发展
4.1 日地空间环境观测研究网络的定位
根据国内外日地空间环境观测研究发展情况和趋势，我院的“日地空间环境观测研究网络”的定位是：以地基台网观测研究我国地球空间环境(同时考虑太阳活动和全球变化)，形成横跨我国南北具有地磁基本场和变化场、各种尺度电离层结构、不同高度中高层大气物理场的多手段综合观测网络，并具有宇宙线、地球重力和大地动力高精度测量综合观测能力。该网络将成为开展我国地球磁层动力学，电离层结构与扰动传播，中高层大气波动激发与传播，磁层、电离层、中高层大气耦合以及地球各圈层耦合，空间环境预报模式研究等空间物理研究的基础研究平台和长久性观测研究基地。“日地空间环境观测研究网络”的实现，将使我院地球物理、空间物理有关研究内容拓宽，观测研究能力提升，通过观测与研究紧密相结合，使有关学科基础研究在国际上的影响进一步扩大，科研创新能力和竞争能力进一步提升。该网络将成为一个技术综合、管理先进、特色鲜明，在国际有重要影响，在我国日地空间环境地基观测研究上具有引领作用和不可替代地位的“日地空间环境观测研究网络”。
4.2 日地空间环境观测研究网络的发展模
式
院“日地空间环境观测研究网络”的实施取两步走的方式：首先建成由我院的北京空间环境国家野外科学观测研究站(北京主站和漠河、武汉、三亚三个子站构成)，安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，武汉大地测量国家野外科学观测研究站和北京数据中心构成的网络，它以地球经圈为主线，布局合理，由地磁观测、中高层大气观测、电离层结构观测和电离层TEC观测4种可长期连续观测手段，能对我国空间环境有效观测。在仪器实现数字化和自动化综合观测基础上，通过现代网络通信技术，开发相应的数据分析处理软件，实现各台站与北京网络中心的数据实时传输和网上显示能力，将北京数据中心建成一个具有数据收集、处理和共享的交换平台，并与中国地球系统科学数据共享平台等联网。
在第二步发展规划中，将西藏羊八井宇宙线国家野外科学观测研究站、海南空间天气国家野外科学观测研究站和香河大气综合观测站纳入院“日地空间环境观测研究网络”，在羊八井观测站增加电离层、中高层大气与地磁观测，建成世界上最高的具有中国地域特色的空间环境综合观测研究站。将位于海南富克的空间天气观测站与海南三亚的地磁站一道，形成对我国低纬地区空间环境综合观测研究基地。整合香河大气综合观测站等北京地区空间环境相关的台站，在北京地区形成从大气、中高层大气、电离层和磁层综合观测研究系统。
4.3 日地空间环境观测研究网络未来开展
的工作
(1)利用多点连续，具有高度剖面的电离层结构和扰动观测数据，在中国电离层不同尺度扰动及传播特性，特别是电离层对固体地球和大气各圈层活动响应过程，电离层远东异常成因等重要科学问题上，取得原创性的研究成果。
(2)利用形成的中层大气综合观测网络提供的具有空间、时间和高度变化的数据，揭示出我国中高层中重力波、潮汐、行星波等大气波动激发与传播特性，在中高层大气波动激发传播，中层顶动力过程等有关学科前沿的研究上做出重要创新贡献。
(3)利用综合地球动力测量资料，获得武汉国际重力潮汐基准、中国南北和东西重力潮汐等剖面，结合国际上的地球动力测量数据，在全球重力场潮汐和非潮汐变化特征研究，地球潮汐形变的精密确定、大气海洋与重力场耦合机理、地球简正模及其液核共振和地球自转变化等地球动力学基础研究上取得突破和创新性成果。同时为国家重大工程“中国地壳运动观测网络”中绝对重力测量和我国微伽级绝对重力基准网建立与完善，做出重要贡献。
(4)在院“日地空间环境观测研究网络”所具有的观测数据实时联网和处理的基础上，结合物理模式和数据同化方法，开展我国空间环境，特别是与导航、通信等空间工程密切相关的电离层空间环境的现报和预报方法研究，建立有关示范系统，为我国空间工程应用，满足国家需要做出重要贡献。
总之，院“日地空间环境观测研究网络”通过对有关学科的有机结合，将成为我国和我院日地空间环境观测研究基地和多学科交叉的基础研究平台，在我国日地空间环境地基观测上起到主导和引领作用，在我国所处的中低纬地区的近地空间环境研究，地球各圈层耦合及相互作用的基础性研究中发挥不可替代的作用，并为国民经济发展和国防建设的应用研究做出贡献。
张鸿翔 男，中国科学院环境科学与技术局固体地球科学处副处长，副研究员。12年出生。2001年获得中科院地质与地球物理所地球动力学博士学位。主要从事地幔地球化学和环境地球化学研究，先后参加过国家科技部攀登预选项目“地质流体作用及其成矿效应研究”和杰出青年基金“流体-岩石反应体系中稀土元素(和钇)的地球化学”等项目的研究工作，发表科研文章16篇。2002年到中科院机关工作，先后作为主要执笔人撰写报告30余份，发表管理文章10余篇。
农用机械有哪些？
截至2023年4月6日，我国水总量稳居世界第6位，平均占有量约为世界平均的30％。
总体来说，我国水总量大，平均占有量较小，局部地区水紧缺难题较为严重，水供求矛盾凸显。我国水分布不平衡，南多北少，进一步加重水急缺。
与发达国家对比，我国城市化建设起步较晚，城市污水处理设施建设相对落后，工业废水排放合格率有待提升，很多污水排进江河湖海，会严重污染水环境，造成水质降低。因而，要合理利用自动监测仪检测水质转变。
此外，若对水欠缺正确对待，则会危害水利用和保护。因此，要树立可持续发展理念，提升自身认识水平，积极开展水利用和保护，着力解决水急缺难题，为节水型社会建设作出贡献。
保护水的具体措施：
1、大力发展绿化，增加森林面积。森林有涵养水源、减少无效蒸发及调节小气候的作用，具有节流意义。林区和林区边缘有可能增加降水量，具有开源意义。
2、提高水的综合利用。水库可以蓄洪，也可以养殖水生动植物，大的水面可以通航，有些水体还可开辟旅游。水力发电用过的水，可以用于灌溉。渠系和田间渗漏的水，可以从地下抽出利用。
3、调水工程。由于地理、气候特点，地区间水的分配并不平衡。利用自然因素及人工改造，把丰水区的水调至缺水区，是解决水源不足，开辟新的经济区的有效手段。
4、城市开发利用污水，发展中水处理，污水回用技术。城市中部分工业生产和生活产生的优质杂排水经处理净化后，可以达到一定的水质标准，做为非饮用水使用在绿化、卫生用水等方面。
5、发展和推广节水器具。据不完全统计，我国当前有便器水箱近4000万套和大量的其它卫生器具，每年因马桶水箱漏水损失水量上亿立方米。
农业机械包括:农业动力机械、农田建设机械、土壤耕整机械、种植施肥机械、植保机械、农田排灌机械、农作物收获机械、农产品加工机械、畜牧机械和农用运输机械。相关描述农业的发展直接关系到国家和农村的经济状况。在经济发达国家，尤其是农业劳动力非常少的美国，农业机械不断向大型化、宽幅化、高速化、高生产率方向发展，并在机械化的基础上逐渐过渡到生产过程的自动化。电子技术、微型计算机技术等先进科学技术越来越广泛地应用于农业机械产品及其设计制造中。在畜牧业中，尤其是养鸡业已经进入工厂化连续生产阶段，自动控制小气候的封闭式鸡舍是畜牧机械的新发展。在田间机械中，液压和电气控制相结合或直接用电气或电磁控制的自动控制装置得到了应用，如谷物联合收割机上割台的升降控制和拨禾轮的无级变速。电子监测仪器的品种日益增多，如播种机上的播种均匀度监测仪，谷物联合收割机上的谷物损失监测仪和滚筒转速监测仪，喷雾机上的喷幅和喷量监测仪等。电子技术越来越多地用于蔬菜和水果的自动分级、田间灌溉和其他机械设备的自动管理。