珠海凤凰山陆气相互作用观测塔通量数据的质量控制与评价

针对广东省珠海凤凰山森林生态系统2015年的湍流原始数据,分析了各修正过程对通量的影响。结果表明:野点较多,需要考虑去除;频率响应修正对通量结果影响不大;倾斜修正的影响在3%左右;超声虚温修正对感热通量的影响变化幅度达30%;WPL修正对碳通量结果影响可达25%左右。经过对观测数据的质量评价,感热通量约有85%,潜热通量和碳通量约有80%的数据可用于通量分析。感热通量在1年中的变化幅度不大;潜热通量变化显著,尤其在季风后迅速增大;碳通量变化与森林下垫面密切相关,夏季变化幅度大,冬季变化较小。      

盘锦湿地芦苇生态系统长期通量观测研究

针对2004年5月26日-2005年10月15日盘锦湿地芦苇生态系统碳通量、感热通量和潜热通量资料进行分析。结果表明:芦苇湿地具有较强的碳汇作用;2005年芦苇湿地固定二氧化碳为13.32 t/hm2,日平均感热通量和潜热通量分别为2 464 kJ/m2和3 880 kJ/m2。2004年和2005年6～9月的日累积值波文比平均值均为0.15。芦苇湿地碳通量、感热通量和潜热通量的日动态呈单峰单谷型变化,极值出现在中午前后,夜间线形平直。芦苇生长季白天通量绝对值远较夜间大,白天碳吸收,夜间碳排放。CO2浓度年平均日变化曲线亦为单谷单峰型,夜间浓度较高且逐渐升高,直到日出前达到峰值;日出后急剧下降,傍晚又开始逐渐增加。芦苇湿地感热通量昼正夜负,潜热通量与林地不同,全天为正。各通量季节变化明显,冬季CO2通量日变化不明显,趋近于零;感热通量总体向上输送,春季数值较大,生长季数值较小;潜热通量冬季最小,接近0,春季开始显著增加,生长季达到最大。     

内蒙古半干旱草原能量物质交换的微气象方法估算

根据1998年5～8月和1999年8月在中国科学院内蒙古草原生态系统定位试验站进行微气象观测的资料,作者分析了该地区能量平衡及其各分量的基本特征.结果表明:(1)净辐射通量的转化形式有明显的季节性变化,5～6月份,净辐射能大部分用于感热交换,而后期则多用于潜热交换,5～8月份的日波文比值分别为1.26,1.42,0 41和0.20.(2)观测期间,波文比的日变化特征表现为,早晚变化大不稳定,而白天则相对稳定.(3)用涡度相关方法观测的感热和潜热通量之和与同期的净辐射相比较,前者的结果偏小1 5%左右,两种方法观测到的潜热通量的差异达平均35%左右.(4)半干旱草原CO2通量有明显的日变化,在生长旺期,白天CO2通量强度可达到1.5 mg s-1m-2以上,但在生长后期,1998年和1999年8月份的白天CO2通量强度分别为0.38 mg s-1m-2和0.2 mg s-1m-2左右;其差异与草地土壤水分和植物长势有关.     

城市地表湍流观测数据的后处理及质量控制

涡动相关仪基于其观测原理,要求观测仪器所在地表平坦均匀,并要求湍流平稳及充分发展等.为了准确合理的运用观测数据,必须对原始数据进行严格的后处理及质量控制,城市复杂非均匀下垫面上的湍流观测数据进行后处理及质量控制更为重要.本文对2010年7月25日-8月5日架设在南京市委党校33 m高度上的涡动相关观测数据进行了包括野点的剔除、坐标旋转修正、WPL修正以及夜里静稳条件下的修正等后处理及质量控制.结果表明:由于观测期间天气状况较好,本次观测的数据质量相对较好,从而野点值剔除,对地表感热和潜热通量测量结果影响甚微.使用二次坐标旋转及平面拟合方法的结果对通量影响较为一致.而且,为了潜热和CO2通量数据的准确性,空气密度效应订正是必须的.本文观测数据基于夏季城市下垫面,所有时次湍流呈现不稳定层结,经过WPL订正,CO2通量增幅为6.5％,潜热通量增幅为12％;观测期间风速不大,主要风频方向上观测点附近无明显高大建筑,且观测点位置较高,σu,v,w/u*与-z/L基本上满足1/3次方律.经湍流平稳性IST检验,感热及动量通量质量较好.     

城市近地层湍流通量及CO2通量变化特征

利用北京325m气象塔47m高度上2006年全年连续观测获得的湍流资料,分析了北京城市近地层动量通量、感热通量、潜热通量和CO2通量的典型日变化、月平均日变化和季节变化特征。分析结果显示:动量通量具有明显的单波峰日变化特征,在15时(北京时间)左右达到最大,季节变化中春季最大,冬季次之,夏、秋季最小;感热通量和潜热通量全年变化范围分别为-92～389W.m-2和-75～376W.m-2,其日变化也表现为单波峰特征。感热通量的日变化受城市下垫面和人为热源影响,入夜后虽然降为负值,但只略小于0。阴雨天感热通量和潜热通量均很小,降雨前后有明显区别。感热和潜热最大值分别在春季3月和夏季6月,最小值都在冬季1月;城市下垫面CO2通量总表现为正值,即净排放,最大值为3.88mg.m-2.s-1,不稳定情况下最小值小于-2mg.m-2.s-1。受到人类活动的影响,CO2通量的日变化特征在工作日与周末有明显区别;由于冬季采暖,CO2通量明显大于夏季;在夜间,CO2通量受进城车辆的影响也出现高值。     

北京325米气象塔上CO2梯度观测数据质量控制与评价

近些年涡度相关系统在城市通量研究中得到了广泛应用,因城市下垫面的特殊性和复杂性,以及系统观测原理和仪器精度存在着局限性,使得结果存在10%以上偏差,故必须对原始观测数据进行质量控制和评价。本文对北京325 m气象塔七层高度上的CO₂(二氧化碳)、能量等通量进行了长期观测,研究了涡度相关技术在城市环境通量观测中的适用性,设计出了一套适合于复杂城市下垫面上的涡度相关系统资料前处理和质量控制方案,并对比了不同修正方案效果。分析结果表明,城市下垫面环境中计算CO₂通量的最优周期为30 min;二次坐标旋转法优于平面拟合法;频率响应修正后的感热通量提高5.21%,潜热通量和CO₂通量均提高9.42%。空气密度脉动修正Liu法(Liu,2005)优于WPL法(Webb et al.,1980);湍流谱在惯性副区满足-2/3次方定律,协方差谱满足-4/3次方定律。经过这套前处理和质量控制方案,原始数据中有79%能够用于基础研究,该质量控制与评价体系可为复杂城市下垫面通量研究提供参考。     

仪器表面加热效应对临泽站开路涡动相关系统CO2通量的影响

LI-7500分析仪仪器表面加热效应对开路式涡动相关系统CO2通量观测结果影响显著,利用Burba校正方法对提高观测站CO2通量观测精度、年净生态系统碳交换量(NEE)估算、全球CO2交换量估算和气候变化模拟等具有重要意义.基于临泽站绿洲玉米农田的开路式涡动相关系统和小气候观测系统所获得的一年数据,利用Burba校正方法分别对LI-7500分析仪光路中的感热通量、大气潜热通量、CO2通量以及NEE的季节变化过程进行了修正.结果表明,LI-7500分析仪底部窗口和支杆部分热量交换是光路中感热通量校正量的主要贡献者,平均分别为6.81 W·m-2和2.68 W·m-2,其加热效应主要来源于太阳辐射和电子元件运行产生的热量;加热效应对潜热通量影响最小,平均校正量仅为0.24 W·m-2;Burba校正对CO2通量和NEE的季节变化影响显著,其平均校正量分别为19.14μg· CO2·m-2·s-1和313.21 mg·C·m-2·d-1,而且气温越低加热效应对通量的影响越显著;除生长季空气中水汽浓度显著高于非生长季而导致潜热校正量较大外,生长季其他各通量的校正量明显小于非生长季,生长季光路中感热、周围大气潜热、CO2通量和NEE日校正量分别为6.94 W·m-2、0.33 W·m-2、12.86 μg·CO2·m-2·s-1和161.58mg·C· r-2·d-1,分别是非生长季的60.4％,220.0％,50.6％和37.4％.若未进行仪器表面加热效应的Burba校正,在生长季和非生长季累计高估的绿洲玉米农田生态系统碳吸收量分别为25.85 g·C·m-2和88.47 g·C·m-2.     

放牧强度对内蒙古半干旱草原地气间能量和物质交换的影响

利用涡度相关技术, 于2006年7月27日至8月10日在内蒙古半干旱草原三种放牧强度的下垫面进行微气象观测。本文分析了放牧强度对内蒙古半干旱草原地气间能量和物质交换的影响, 发现: (1)放牧降低植被覆盖率, 使地表反射率增大。(2)放牧使潜热通量减小。而放牧强度最大的锡林河河道潜热通量最大,表明土壤水分状况是半干旱草原地表能量收支的决定性因素。(3)羊草和冬季放牧观测点日平均CO2通量分别为-1.92 g?m-2?d-1和0.73 g?m-2?d-1, 表明放牧可以使草地由CO2的汇转变为源。锡林河河道为CO2的汇, 日平均CO2通量-3.35 g?m-2?d-1, 与羊草比较, 锡林河河道吸收CO2更多, 表明土壤湿度是影响半干旱草原CO2通量交换的重要因素。(4) 放牧通过减小叶面积指数, 减弱植被的光合作用能力。     

内蒙古羊草和大针茅草原下垫面水汽、CO_2通量输送特征

利用涡动相关技术对2007年8月18日～9月12日在内蒙古羊草和大针茅草原样地上进行微气象观测,比较了两种草原生态系统下垫面水汽、CO2通量交换的差异,结果表明:(1)羊草样地的气温、地表温度和水汽压较小;羊草和大针茅样地的地表反射率平均值分别为0.17和0.16;(2)受土壤水分胁迫控制,羊草和大针茅样地的有效能量主要分配为感热通量,平均波文比分别为3.70和2.69,潜热通量在大针茅样地更大,有随着土壤湿度持续减小而减小的趋势;(3)羊草和大针茅样地在观测期间表现为CO2的源,日均释放率分别为0.97 g.CO2.m-2.d-1和0.43 g.CO2.m-2.d-1。受土壤水分胁迫和草地生理作用的控制,日间羊草和大针茅样地都出现了CO2通量的衰减。     

城市边界层动量和保守物通量的特征

利用2005年1-5月北京325 m气象塔47 m高度的湍流脉动资料(风速、温度、水汽和CO2),对城市边界层冠层内的湍流运动统计特征(相似关系、高阶矩、通量和谱等)进行了分析。其中,谱分析的结果表明,城市冠层内稳定度对湍流谱的影响比较小,而水平风速的影响比较大。因此,速度和温度的相似关系在夜间稳定条件下也成立。但是,由于水汽和CO2还受其他因素的影响,相似关系并不适用。更高阶矩的研究表明它们的陡峭度与偏斜度之间存在平方关系。而水汽和CO2之间也存在差异,它们的通量日变化特征明显不同,CO2通量的日变化更能体现人类活动的影响。同时,感热通量、潜热通量和CO2通量存在季节变化,尤其是潜热通量季节差异很大。     

基于淮河流域农田生态系统观测资料的通量研究

运用寿县国家气候观象台(代表淮河流域农田生态系统)2007年7月至2008年6月通量观测系统的观测资料,分析研究淮河流域农田生态系统的陆气相互作用,统计梯度和涡度数据缺测率,采用空气动力学(梯度)法和涡度相关法,验证通量观测系统观测数据的可靠性,分析CO2通量、潜热通量、感热通量的季节变化与日变化特征及其与下垫面的关系,计算出地表平均反照率、能量闭合率、动量输送系数等。结果表明:通量观测仪器测得的数据可靠,原始资料具有客观性、可用性;CO2等通量存在明显的季节变化,与下垫面状况有密切的关系,日变化均为单峰型分布,由通量观测系统的观测资料计算得到地表平均反照率为0.18,平均能量闭合率为0.92,平均动量输送系数为0.0092。     

半干旱区不同下垫面近地层湍流通量特征分析

本文分析了2003～2005年半干旱区退化草地和农田下垫面近地层湍流通量日、季、年的变化特征, 探讨了不同年份的气候背景和下垫面土地覆被对地气交换过程的影响。结果表明: 半干旱区退化草地和农田近地层湍流通量具有明显的日变化、季变化周期; 地气间通量交换年际间的差异主要受当年的气候背景影响, 尤其是降水的影响; 同时还受到下垫面覆被的影响。潜热通量和感热通量的能量分配比率呈反位相变化, 且农田和退化草地的变化趋势相似, 在夏季潜热通量所占比例均超过感热通量; 两种下垫面的波恩比月均值变化趋势十分相似, 量级接近, 夏季低, 春、秋季高; 夏季退化草地和农田下垫面波恩比均小于或等于1。     

北京地区一次强沙尘天气过程的中尺度通量特征

应用大气所325 m铁塔的湍流资料和梯度资料,对2003年3月20～23日影响北京的一次强沙尘天气过程的中尺度通量和湍流通量进行了分析,结果表明:冷空气的影响是从上层开始的.沙尘爆发前,边界层有强逆温存在,动量以中尺度输送为主,湍流很弱.沙尘爆发时,向下的湍流动量通量明显加大.湍流动量通量是沙尘沉降的主要原因,但沙尘爆发前的中尺度过程不能忽略.沙尘爆发前后,感热通量均以小尺度的湍流输送为主,中尺度输送不明显.     

Heat Flux Apportionment to Heterogeneous Surfaces Using Flux Footprint Analysis

Heat flux data collected from the Baiyangdian Heterogeneous Field Experiment were analyzed using the footprint method. High resolution (25 m) Landsat-5 satellite imaging was used to determine the land cover as one of four surface types: farmland, lake, wetland, or village. Data from two observation sites in September 2005 were used. One site (Wangjiazhai) was characterized by highly heterogeneous surfaces in the central area of the Baiyangdian: lake/wetland. The other site (Xiongxian) was on land with more uniform surface cover. An improved Eulerian analytical flux footprint model was used to determine "source areas" of the heat fluxes measured at towers located at each site from surrounding landscapes of mixed surface types.In relative terms results show that wetland and lake areas generally contributed most to the observed heat flux at Wangjiazhai, while farmland contributed most at Xiongxian. Given the areal distribution of surface type contributions, calculations were made to obtain the magnitudes of the heat flux from lake, wetland and farmland to the total observed flux and apportioned contributions of each surface type to the sensible and latent heat fluxes. Results show that on average the sensible heat flux from wetland and farmland were comparable over the diurnal cycle, while the latent heat flux from farmland was somewhat larger by about 30-50 W m-2 during daytime. The latent and sensible fluxes from the lake source in daytime were about 50 W m-2 and 100 W m-2 less, respectively, than from wetland and farmland. The results are judged reasonable and serve to demonstrate the potential for flux apportionment over heterogeneous surfaces.     

Heat flux apportionment to heterogeneous surfaces using flux footprint analysis

Heat flux data collected from the Baiyangdian Heterogeneous Field Experiment were analyzed using the footprint method. High resolution （25 m） Landsat-5 satellite imaging was used to determine the land cover as one of four surface types： farmland, lake, wetland, or village. Data from two observation sites in September 2005 were used. One site （Wangjiazhai） was characterized by highly heterogeneous surfaces in the central area of the Baiyangdian： lake/wetland. The other site （Xiongxian） was on land with more uniform surface cover. An improved Eulerian analytical flux footprint model was used to determine “source areas” of the heat fluxes measured at towers located at each site from surrounding landscapes of mixed surface types. In relative terms results show that wetland and lake areas generally contributed most to the observed heat flux at Wangjiazhai, while farmland contributed most at Xiongxian. Given the areal distribution of surface type contributions, calculations were made to obtain the magnitudes of the heat flux from lake, wetland and farmland to the total observed flux and apportioned contributions of each surface type to the sensible and latent heat fluxes. Results show that on average the sensible heat flux from wetland and farmland were comparable over the diurnal cycle, while the latent heat flux from farmland was somewhat larger by about 30-50 W m-2 during daytime. The latent and sensible fluxes from the lake source in daytime were about 50 W m-2 and 100 W m-2 less, respectively, than from wetland and farmland. The results are judged reasonable and serve to demonstrate the potential for flux apportionment over heterogeneous surfaces.     

大气动力学中三种Rossby波作用通量的特征差异和适用性比较

大气动力学诊断Rossby波的传播时,通常用波作用通量来表示。常用的三种波作用通量分别为Plumb波作用通量,T-N波作用通量和局地E-P通量。本文详细讨论了这三种方法的特征差异,并结合2016年1月的一次寒潮事件,比较了三种方法在该事件中的适用性。结果表明:1)Plumb波作用通量的纬向分量较大而经向分量较小,适用于振幅较小的纬向均匀的西风带Rossby长波的诊断。2)T-N波作用通量是对Plumb波作用通量的改进,经向分量得以增强,能更好地描述纬向非均匀气流中的较大振幅的西风带Rossby长波扰动。T-N波作用通量计算时,背景场取多年平均的当月气候场较合适,能更好地反映当前季节内的Rossby波传播异常。3)局地E-P通量可以诊断一段时间内天气尺度瞬变波对背景场(定常波)总的调控作用,但无法直接反映Rossby长波的逐时演变(T-N波或Plumb波作用通量则可以)。     

CO2湍流通量误差的修正和不确定性研究进展

目前国内外对能量和CO₂涡动相关通量的测量误差的谱修正缺乏一致性，导致各测量站之间的资料对比难以进行，给全球尺度资料的合成造成很大困难。因此在强调长期CO₂通量测量精度的同时，还应该注重确定对测量误差修正的首选方法和研究重点。该文主要介绍了两种用于修正测量仪器误差的谱方法；二维和三维的气流运动对通量误差的影响；资料处理中的误差；夜间CO₂通量的测量问题。     

南亚夏季风爆发前后青藏高原地表热通量的长期变化特征分析

青藏高原作为世界第三极,其热力强迫作用不仅对亚洲季风系统的发展和维持十分重要,也会对大气环流场产生深远影响。利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim中1979-2016年3-10月青藏高原及其周边地区的地表热通量月平均再分析资料,通过分析得出以下结论:3-5月青藏高原主体由感热占据,感热强度快速上升且呈西高东低的分布态势,潜热强度较小但随时间而增强。季风爆发后的6-8月,青藏高原感热强度减弱,潜热强度迅速增强且呈东高西低的分布特征。季风消退后的9-10月,感热与潜热强度相当,但感热呈现出西高东低的分布特征。过去38年,青藏高原地表感热总体呈现微弱下降趋势,潜热呈较弱上升趋势。青藏高原西部地区感热呈微弱下降趋势,潜热呈上升趋势。东部感热呈较为明显的下降趋势且近年来变化趋势增强,东部潜热通量则呈现较为明显的上升趋势,分析结论与近期全球变暖条件下青藏高原气候变暖变湿这一变化状况一致,通过对青藏高原地表热通量的变化分析为下一步运用第三次青藏高原大气科学试验所获资料分析青藏高原上空大气热源的变化以及地表加热场如何影响大气环流奠定基础。      

Comparison of Ozone Fluxes over a Maize Field Measured with Gradient Methods and the Eddy Covariance Technique

Ozone(O_3) fluxes were measured over a maize field using the eddy covariance(EC) technique and gradient methods.The main objective was to evaluate the performance of the gradient methods for measuring the O_3 flux by comparing them with the EC O_3 flux.In this study,turbulent exchange coefficients(K) calculated with three methods were compared.These methods were the aerodynamic gradient(AG) method(in which K is calculated by using wind speed and temperature gradients),the aerodynamic gradient combined with EC(AGEC) method,in which the friction velocity and other variables are based on EC measurements,and the modified Bowen ratio using the EC sensible heat flux and temperature gradient(MBR) method.Meanwhile,the effects of the measurement and calculation methods of the O_3 concentration gradient were analyzed.The results showed that:(1) on average,the transfer coefficient computed by the MBR method was 40% lower,and the coefficient determined with the AG method was 25% higher,than that determined with the AGEC method.(2) The gradient method's O_3 fluxes with the MBR,AGEC,and AG methods were 30.4% lower,11.7% higher,and 45.6% higher than the EC O_3 flux,respectively.(3) The effect of asynchronous O_3 concentration measurements on the O_3 gradient must be eliminated when using one analyzer to cyclically measure two-level O_3 concentrations.The accuracy of gradient methods for O_3 flux is related to the exchange coefficient calculation method,and its precision mainly depends on the quality of the O_3 gradient.