中国通量观测网络(ChinaFLUX)能量平衡闭合状况的评价

涡度相关观测网络能够对生态系统的水碳通量及其气候背景资料进行长期观测,能量平衡闭合状况作为通量观测数据评价的一个重要参考指标,备受通量界研究者的重视.本研究运用OLS(OrdinaryLeastSquares)、RMA(ReducedMajorAxis)、EBR(EnergyBalanceRatio)和δ频率分布四种统计方法对湍流通量(显热和潜热)与有效能量(净辐射、土壤热通量、冠层热储量)的关系进行了分析,对ChinaFLUX各站点的能量平衡闭合状况进行了综合评价,给出了能量平衡闭合程度日变化和季节变化趋势.研究结果表明各站点能量平衡都没有完全闭合,但因站点的条件不同,其不闭合程度略有差异;在夜间不闭合的程度比白天更加明显;闭合程度随摩擦风速的增大而有所改善.总体来说,在现有通量观测系统中,显热和潜热湍流通量往往会被低估,而有效能量项则会被高估.最后讨论了通量观测中的采样误差、仪器测量可能产生的系统偏差、其他能量吸收项的作用、高频与低频湍流通量损失以及平流作用对能量平衡闭合状况的影响.     

近地层能量闭合度对陆面过程模式影响

大量近地层观测试验表明,利用涡动相关法观测的湍流通量小于近地层可利用能量,即近地层能量是不闭合的,这种不闭合度一般为20%甚至更高.而陆面过程模式是基于地气间能量平衡建立,并且模式中的湍流边界层参数化方案通常根据实际观测的湍流通量来确定,因此能量不闭合必将对陆面过程模式造成一定的影响.本文利用2007年春季SACOL站的近地层观测资料,依据能量守恒将能量不闭合中的残余能量通过波文比分配到观测的湍流通量中,即修正涡动相关法观测的湍流通量使得近地层能量达到平衡;之后分别利用观测和修正的湍流通量,建立了能量不闭合和闭合情形下的湍流参数化方案,借助陆面过程模式SHAW,通过数值模拟和对比分析方法考察近地层能量闭合度对陆面过程模式的影响.研究结果表明近地层能量闭合对陆面过程模式有显著的影响:在陆面过程数值模拟中,当应用近地层能量不闭合的湍流通量形成的湍流参数化方案时,陆面过程模式会明显高估地表长波辐射及土壤温度;但当应用修正湍流通量使得近地层能量达到闭合形成的湍流参数化方案后,在不改变任何地表土壤物理生化属性的情况下,陆面过程模式能较好地模拟地表长波辐射和土壤温度.     

千烟洲中亚热带人工林生态系统CO2通量的季节变异特征

作为中国陆地生态系统通量网络(ChinaFLUX)的组成部分,利用涡度相关技术对千烟洲中亚热带人工林生态系统CO2通量进行了长期观测.本研究集中探讨了千烟洲人工林2003年和2004年净生态系统CO2交换量(NEE)、生态系统呼吸(Re)和总生态系统CO2交换量(GEE)的季节变异特征及其源汇状况与强度.研究结果表明(i)NEE,Re和GEE具有明显的季节变化趋势且密切相关,冬季和干旱期量级较低而夏季量级较高.(ii)光照、温度和水分条件是控制千烟洲人工林生态系统NEE,Re和GEE季节动态的主导因素.光照是控制NEE的主要因素,而温度和水汽压差共同影响着NEE,但水汽压差对NEE的影响作用更强.在适宜光照条件下,干旱胁迫会造成千烟洲人工林生态系统碳吸收的适宜温度范围明显降低.温度和降水的协同作用共同控制着Re.(iii)2003年和2004年千烟洲人工林生态系统NEE,Re和GEE分别为-387.2和-423.8g C·m-2,1223.3和1442.0 g C·m-2,-1610.4和-1865.8 g C·m-2,这表明千烟洲人工林生态系统具有较强碳吸收能力.     

千烟洲中亚热带人工林生态系统CO_2通量的季节变异特征

作为中国陆地生态系统通量网络(ChinaFLUX)的组成部分,利用涡度相关技术对千烟洲中亚热带人工林生态系统CO2通量进行了长期观测．本研究集中探讨了千烟洲人工林2003年和2004年净生态系统CO2交换量(NEE)、生态系统呼吸(Re)和总生态系统CO2交换量(GEE)的季节变异特征及其源汇状况与强度．研究结果表明:(i)NEE,Re和GEE具有明显的季节变化趋势且密切相关,冬季和干旱期量级较低而夏季量级较高．(ii)光照、温度和水分条件是控制千烟洲人工林生态系统NEE,Re和GEE季节动态的主导因素．光照是控制NEE的主要因素,而温度和水汽压差共同影响着NEE,但水汽压差对NEE的影响作用更强．在适宜光照条件下,干旱胁迫会造成千烟洲人工林生态系统碳吸收的适宜温度范围明显降低．温度和降水的协同作用共同控制着Re．(iii)2003年和2004年千烟洲人工林生态系统NEE,Re和GEE分别为-387．2和-423．8 g C·m-2,1223．3和1442．0 g C·m-2,-1610．4和-1865．8 g C·m-2,这表明千烟洲人工林生态系统具有较强碳吸收能力．     

不同下垫面湍流通量计算方法的比较研究

本文利用1990~1994年在中国内蒙古奈曼市半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据,采用变分法、波文比能量平衡方法和空气动力学方法计算了7种下垫面（沙丘、草原、四种放牧强度的草地、玉米田）的湍流通量并进行了比较.结果表明：除沙丘和重度放牧草地外,三种方法计算的湍流通量在大多数时刻是比较一致的,相关性较高,能量闭合程度也较好.在用于计算植被相对茂盛下垫面的湍流通量时,变分法得到的结果更好一些.随着放牧强度的增大,地表生物量、覆盖率和植被高度相应减少,潜热和动量通量相应减小,而感热通量增大.草地等植被茂盛的下垫面能够增加垂直方向的动量输送,增加空气动力学粗糙度,减小风速,阻止地表沙粒的运动和沙丘的起伏,对防止沙漠化能起到较大作用.     

千烟洲中亚热带人工林生态系统CO2通量的季节变异特征

作为中国陆地生态系统通量网络(ChinaFLUX)的组成部分, 利用涡度相关技术对千烟洲中亚热带人工林生态系统CO₂ 通量进行了长期观测. 本研究集中探讨了千烟洲人工林2003年和2004年净生态系统CO₂交换量(NEE)、生态系统呼吸(R_e)和总生态系统CO₂交换量(GEE)的季节变异特征及其源汇状况与强度. 研究结果表明: (ⅰ) NEE, R_e和GEE具有明显的季节变化趋势且密切相关, 冬季和干旱期量级较低而夏季量级较高. (ⅱ) 光照、温度和水分条件是控制千烟洲人工林生态系统NEE, R_e和GEE季节动态的主导因素. 光照是控制NEE的主要因素, 而温度和水汽压差共同影响着NEE, 但水汽压差对NEE的影响作用更强. 在适宜光照条件下, 干旱胁迫会造成千烟洲人工林生态系统碳吸收的适宜温度范围明显降低. 温度和降水的协同作用共同控制着R_e. (ⅲ) 2003年和2004年千烟洲人工林生态系统NEE, R_e和GEE分别为-387.2和-423.8 g C·m^-2, 1223.3和1442.0 g C·m^-2, -1610.4和-1865.8 g C·m^-2, 这表明千烟洲人工林生态系统具有较强碳吸收能力.     

中国通量网(ChinaFLUX)夜间CO2涡度相关通量数据处理方法研究

利用涡度相关方法连续观测的结果来估算陆地生态系统碳收支"真值"的工作,越来越引人注目.但是在后期的数据(特别是夜间观测数据)处理过程中,涡度相关方法会出现许多的不确定性问题.目前在世界范围内,用涡度相关方法测定的有效和可靠的夜间CO2通量数据占所有夜间数据的比例很低(通常低于50%).因此,夜间CO2通量数据的处理以及分析其对生态系统碳收支估算的影响是一个非常关键的问题.简要分析和讨论了用涡度相关方法观测的夜间CO2通量数据失真的可能原因,介绍了目前国际上处理夜间CO2通量数据所采用的理论和一般方法,并结合中国通量网(ChinaFLUX)部分台站的观测数据,提出了一种可以根据夜间CO2通量与摩擦风速的相关关系来客观确定摩擦风速阈值的方法--平均值检验法(AVT),并以禹城站和长白山站数据为例,分析讨论了不同夜间数据处理方法对夜间CO2通量产生的影响.最后还在查阅相关文献的基础上,对ChinaFLUX不同台站的数据插补方法和经验方程进行了汇总.     

中亚热带季节性干旱对千烟洲人工林生态系统碳吸收的影响

千烟洲中亚热带人工林生态系统受典型亚热带大陆性季风气候影响,其特点是年水热资源丰富,但是夏季水热资源分布明显不同步,经常受到季节性高温干旱胁迫的影响.作为中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的组成部分,利用涡度相关技术对千烟洲人工林生态系统CO2通量进行了长期连续的观测.本研究基于2003和2004年月尺度的净生态系统生产力(NEP)、生态系统呼吸(Re)和总生态系统生产力(GEP)数据,初步分析和探讨了季节性干旱对生态系统碳吸收的影响.结果表明,2003和2004年该生态系统的碳吸收都呈现双峰曲线式的季节变化模式.生态系统碳平衡的两个组分Re和GEP的耦合关系决定了生态系统的碳吸收特征.生态系统碳吸收的降低程度取决于季节性干旱期间温度升高和降水量减少的耦合程度.Re和GEP都会受到干旱胁迫的影响,但是响应的方式与程度有所不同,是造成森林生态系统源/汇强度变化的根本原因.     

数据填补及能量闭合对半干旱区生态系统年净碳交换的影响

基于半干旱区2种不同下垫面(草地和旱作农田)2005和2008年涡动相关法取得的通量资料,分析了数据填补、能量收支闭合率以及摩擦风速(u*)阈值等对生态系统年净碳交换的影响.通过加入4种不同长度的人工空缺(空缺长度从0.5 h~12 d),比较了平均日变化法(MDV)、边缘分布抽样法(MDS)和非线性回归法等6种填补方法的填补效果.结果表明,MDS的整体表现最好,特别是对长空缺的填补效果优于其他方法,估算的年NEE偏差在5 g C m-2 a-1以内.非线性回归法估算的夜间NEE具有较大的正偏差,表明非线性回归法估算的夜间生态系统呼吸偏高.4种非线性回归法估算的年NEE偏差在8.0~30.8g C m-2 a-1.由于在半干旱区土壤含水量是生态系统碳交换的重要限制因子,非线性回归法中综合考虑土壤温度和土壤含水量影响的Non_linear3和Non_linear4表现较好.MDV对白天NEE空缺的填补优于夜间,估算的年NEE偏差在-2.6~-13.4 g C m-2 a-1.总体上,数据填补的精确度受下垫面类型、空缺长度以及空缺出现时间(白天、晚上)影响.2个观测站点的能量收支闭合率在80%左右.能量收支闭合率受湍流强度影响显著;当夜间摩擦风速较低时,湍流混合不充分,能量收支闭合率也较低.生态系统在某个风向的累积通量印痕较大时,有效能量和湍流通量源区的不匹配造成这一风向上的能量收支闭合率也较低.通过假设能量收支不闭合全部由感热通量和潜热通量的低估引起,评估了能量闭合订正对生态系统CO2通量的影响.结果表明经过订正后的草地、农田的年净碳交换量平均增加近10 g C m-2 a-1.此外当u*阈值从0.1增加到0.2 m s-1,年净碳交换平均增加37.5 g C m-2 a-1,这表明u*阈值的设定对生态系统的年净碳交换影响较大.     

中国通量网(ChinaFLUX)夜间CO_2涡度相关通量数据处理方法研究

利用涡度相关方法连续观测的结果来估算陆地生态系统碳收支“真值”的工作,越来越引人注目．但是在后期的数据(特别是夜间观测数据)处理过程中,涡度相关方法会出现许多的不确定性问题．目前在世界范围内,用涡度相关方法测定的有效和可靠的夜间CO2通量数据占所有夜间数据的比例很低(通常低于50％)．因此,夜间CO2通量数据的处理以及分析其对生态系统碳收支估算的影响是一个非常关键的问题．简要分析和讨论了用涡度相关方法观测的夜间CO2通量数据失真的可能原因,介绍了目前国际上处理夜间CO2通量数据所采用的理论和一般方法,并结合中国通量网(ChinaFLUX)部分台站的观测数据,提出了一种可以根据夜间CO2通量与摩擦风速的相关关系来客观确定摩擦风速阈值的方法——平均值检验法(AVT),并以禹城站和长白山站数据为例,分析讨论了不同夜间数据处理方法对夜间CO2通量产生的影响．最后还在查阅相关文献的基础上,对ChinaFLUX不同台站的数据插补方法和经验方程进行了汇总．     

北京城市大气边界层低层垂直动力和热力特征及其与污染物浓度关系的研究

利用2001年3月19~29日和2003年8月11~25日中国科学院大气物理研究所325m大气边界层观测塔资料,分析研讨了北京城市大气边界层低层的垂直动力结构特征及其与污染物浓度分布的关系.对比分析了北京城市大气边界层低层不同高度的风、温度和湿度梯度资料、大气湍流和大气化学观测系统资料,综合分析获取了无因次速度、温度湍流方差和湍流通量、湍能分布特征及其与污染物浓度空间分布的关系,同时分析了北京地区沙尘天气过程中城市边界层低层垂直结构特征及其污染物浓度的分布与变化特征.分析结果表明,在不稳定层结条件下,47和120m高度上无因次速度湍流方差和温度湍流方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,并给出相应的拟合公式.稳定大气边界层可按层结参数z′/L分成二分区,z′/L<0.1为弱稳定区,此时相似规律可适用,z′/L>0.1为强稳定区,在此区内无因次速度方差随稳定度增大有增大的趋势,而无因次温度方差则保持不变.白天近地层包含了47和120m,而280m已在近地层之上.对2001年3月北京地区一次沙尘天气过程的城市边界层资料分析发现,320m高度上总悬浮颗粒物浓度最高达到913.3μg/m3,在边界层内大气颗粒物从上层向低层输送,这与锋面过境时低空急流从上层向下发展过程并伴随的强下沉运动有关.     

几种不同下垫面地表粗糙度动态变化及其对通量机理模型模拟的影响

在众多地表通量模拟模型和遥感通量反演模型中,空气动力学粗糙度(z0)是一个重要的地表参数.选取代表典型农田的禹城站,代表复杂下垫面的千烟洲站和代表森林下垫面的长白山站3个通量观测站的风速和温度廓线资料,运用最小二乘法拟合迭代,分别计算得到各站点通量塔所在地的零平面位移和空气动力学粗糙度.在此基础上,分别分析不同下垫面的空气动力学粗糙度随作物高度和叶面积指数(LAI)、风向(地形)、风速、摩擦速度等因子的变化.并采用SEBS模型分析地表空气动力学粗糙度动态变化对地表通量计算的影响.结果表明空气动力学粗糙度随植被特征(如作物高度,叶面积指数等)以及风向、风速和摩擦速度等因子而变化.禹城和长白山站通量塔所在风浪区的空气动力学粗糙度明显随作物生长期植被高度及叶面积指数变化,即先随LAI增加而增加,达到峰值后,随LAI增加而减小;千烟洲叶面积指数变化较小,空气动力学粗糙度随叶面积指数的变化不明显;地形较平坦的禹城和长白山站空气动力学粗糙度随风向变化较小,而地形起伏较大的千烟洲站空气动力学粗糙度随风向变化较大.随着风速的变化,禹城站空气动力学粗糙度没有明显变化,而千烟洲和长白山空气动力学粗糙度表现出随风速增加而减小的趋势.各站空气动力学粗糙度的这种动态变化对模型通量反演有较大影响,通过模型分析,5月1日～6月3日禹城空气动力学粗糙度日平均值、千烟洲及长白山通量塔空气动力学粗糙度5d平均值与模型所取z0值相比,由于z0的动态变化造成相同时间尺度显热通量H的计算相对误差的绝对值最大可分别达到2.726%,33.802%和18.105%.     

绿洲和戈壁近地面层热量和物质输送特征对比

利用甘肃金塔绿洲和戈壁10 m涡旋相关法的观测资料对比研究温度、湿度和二氧化碳浓度(CO₂)的平流和湍流通量特征.结果表明,在典型绿洲-戈壁复杂下垫面上,热量和物质的平流通量比湍流通量的值大1到2个量级;在绿洲和戈壁,受平流输送影响和下垫面强迫,不同性质标量湍流的水平和垂直通量分布具有不同的特征.     

一次冷锋过境过程的中尺度通量观测

根据Taylor假定 ,通过对铁塔定点观测冷锋过境湍流资料的谱分析 ,分离出其中尺度过程 ,从而计算出其中尺度通量 .计算结果的分析表明 ,在强背景风场条件下 ,湍流动量输送占据绝对优势 ;当背景风较弱时 ,中尺度动量通量不能被忽视 ,它甚至强于湍流动量通量 .而中尺度感热通量的强弱受多种因素的制约 .总的说来 ,冷锋后的中尺度感热通量大大强于湍流感热通量 .对于湍流通量参数化计算的理论分析表明 ,在较长的时间尺度进行湍流通量参数化时 ,有必要考虑因中尺度扰动而产生的修正 .合理的通量计算参数化方案需要全面包含湍流通量、中尺度通量以及中尺度过程对湍流通量的修正     

基于遥感信息的水平平流通量观测影响校正模型研究

能量平衡原理是遥感反演地表通量,波文比法计算地表通量的基础.但大量的观测数据表明,多数情况下,非均匀地表的地表能量是不闭合的,一方面是由于观测仪器的误差及各参量观测尺度差异造成的,更重要的则是由地表不均质性引起的水平平流效应导致的.因此,定量的估算水平平流效应对地表能量平衡的影响具有很重要的意义.以地表可供能量差、水分状况差异、风速和垂直空气温度梯度四个参数为基础,本文提出了一个基于遥感信息的水平平流通量观测影响纠正模型,其中引入了像元尺度与风浪区长度的关系.文章通过模拟计算,分析了模型中各参数对平流估算结果的影响,同时分析了水平平流的尺度效应问题.进一步,在地表实验数据的支撑下,给出了在农田下垫面情况下模型的验证结果.结果表明模型估算的能量变化率与实测的能量变化率有较好的相关性,经过纠正后的能量闭合状况有很好的改善.     

黄土高原冬季湍流相干结构在地表能量平衡中的作用

地表能量不平衡问题是近40年一直困扰微气象学界的重要难题.本文利用黄土高原定西干旱气象与生态环境试验站的相关数据,通过将湍流分解为相干结构部分和非相干结构部分,在涡动相关法中引入相干结构(Coherent structure,简称为CS)的贡献,探讨了CS在地表能量平衡中的作用.研究发现：(1)CS出现频次高,间歇性显著,在30 min平均时间中出现的数目为38个,出现时间与未出现时间分别占40%和60%左右;(2)CS对通量影响显著,引入CS贡献后,白天垂直动量通量、感热、潜热和湍流通量(感热与潜热之和)等4个通量计算的准确性均获得显著提高,分别提高达26%(0.01 m²·s^-2)、24%(25.33 W·m^-2)、31%(6.23 W·m^-2)和30%(31.66 W·m^-2).而不考虑CS的传统方法对这4个通量低估达19%、22%、21%和23%;(3)CS对4个通量的贡献分别为36%、41%、33%和50%;(4)传统方法得到的地表能量平衡闭合率EBR只有0.76、能...     

非平坦下垫面涡度相关通量的校正方法及其在ChinaFLUX中的应用

涡度相关技术是目前最好的测量地-气交换的微气象方法,但它的使用是有条件的,如仪器应该安装在空旷、平坦和均匀的下垫面进行观测.否则,得到的通量如果不进行必要的校正就可能产生较大的测定误差.在本研究中,将主要讨论在非平坦、非均匀,或由于仪器非垂直安装情况下,用涡度相关方法计算通量时可能产生的误差及其校正方法(坐标旋转法).并利用中国通量网4种不同类型的野外台站(禹城农田站,内蒙古草原站,长白山和千烟洲森林站)的实际观测数据,分析3种坐标转换方法(2次旋转法,3次旋转法和平面拟合法)的适用条件,对通量的校正效果进行比较.研究结果表明:(ⅰ)校正后的通量可能大于、小于或等于未校正的通量,其校正量的大小主要取决于地面的坡度、坡向、风速和风向.(ⅱ)坐标倾斜角随风向的变化呈现出一个正弦曲线关系,尤其在坡地地带表现得最为明显.(ⅲ)平面拟合方法在一定程度上可以认为是坐标旋转法的简化形式,在各向均匀或有规律变化的下垫面使用效果比较好,但是该方法对下垫面起伏不规则的森林站点而言并不适合.     

非均匀灌溉棉田能量平衡特征研究

运用国际能量平衡实验(EBEX-2000)的湍流、净辐射和土壤观测资料,运用涡动相关法分析了非均匀灌溉引起的热内边界层发展条件下近地层感热、潜热通量特征,并对有无灌溉两种条件下的能量闭合度进行了对比分析.在计算感热、潜热通量过程中,分别将Schotanus订正和Webb订正纳入了考虑范围,研究了两种订正方法对计算湍流热通量的影响.研究结果发现,由于非均匀灌溉生成的热内边界层使得近地层感热通量受到抑制,潜热通量出现波动,该现象在8.7 m比2.7 m 更为显著.非均匀灌溉导致的热内边界层的存在使得近地层能量闭合度偏低,能量平衡比率约为0.65;而没有热内边界层存在时,近地层能量平衡比率约为0.70.本实验中,Schotanus订正使得感热通量显著减小,其订正量日平均值约为-8 W/m²,占净辐射的近4%;Webb订正量日平均值约为2 W/m²,对能量平衡的影响较小.     

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

作为中国陆地生态系统通量观测网络(ChinaFLUX)的组成部分,利用涡度相关技术对千烟洲亚热带人工针叶林和长白山温带阔叶红松混交林生态系统CO2通量进行了长期观测.利用以温度和水分为驱动变量的连乘形式以及Q10形式的生态系统呼吸模型,分析了2003年中国亚热带和温带森林生态系统呼吸的季节变化及其环境响应特征.研究结果表明:(i)温度是控制生态系统呼吸特征的主导因素,温度和水分的协同作用共同控制着生态系统呼吸,利用这两个变量基本上可以描述生态系统呼吸的季节变异特征;对受到干旱胁迫的生态系统而言,水分条件也可能转化成为生态系统呼吸的主导因素.(ii)模型对比分析表明,在干燥的气候条件下,Q10模型对水分的响应能力比连乘模型更敏感,基于Q10模型可以准确描述生态系统呼吸的季节模式.(iii)基于Q10模型估算的千烟洲亚热带人工针叶林和长白山温带阔叶红松混交林生态系统呼吸年总量分别为1197和1268gC·m?2,而基于连乘模型估算的生态系统呼吸年总量分别为1209和1303gC·m?2.     

冬季强风条件下森林冠层/大气界面开路涡动相关CO_2净交换通量的UU修正

冬季夜间负净CO2通量的发生机制及合理处置的研究对于准确估算北方森林碳代谢状态具有重要影响.通过对长白山阔叶红松林2002年11月~2003年4月开路涡动相关系统获得的CO2净交换通量及相应交换过程的分析,发现(ⅰ)夜间负CO2通量主要发生在强风速条件下;(ⅱ)强风速条件下的压力脉动及平流过程是夜间负净CO2通量主要原因,鉴于对压力脉动及平流过程与CO2净交换同步实时监测的困难,提出了可操作的强风条件下CO2净交换通量的上界摩擦风速(UU)修正方法,长白山阔叶红松林的UU=0.4m·s?1,这个修正也适用于白天;(ⅲ)UU修正解决了长白山阔叶红松林冬季夜间净交换负总量问题.