鼎湖山针阔叶混交林生态系统能量平衡分析

能量平衡分析作为评价涡度相关法通量观测数据可靠性方法，备受学界重视。应用OLS（Ordinary least squares）和EBR（Energy Balance Ratio）2种方法，系统分析了广东省鼎湖山针阔叶混交林生态系统能量平衡特点，并分析各种涡度通量修正方法对能量平衡的影响，结果表明鼎湖山通量站平均能力平衡不闭合度为33％-47％，略高于普遍报道的不闭合度范围（10％-30％）。WPL修正、μ＊订正和坐标转换，使得能量平衡闭合度有所提高，但夜间特别是冬季能量平衡较差问题依然没有得到根本解决，表明夜间弱湍流并不是导致夜间能量平衡闭合度差的主要原因。为客观评价本通量站以及ChinaFLUX能量平衡状况和通量数据质量，确定涡度相关法CO2通量数据分析方法和改进策略提供依据。     

夏季晴天沙漠绿洲非均匀下垫面地表能量平衡分析

利用"古浪非均匀近地层观测试验"数据,分析地表热通量不同算法对地表能量不闭合的影响,估算中国西北干旱区农田下垫面的植被光合作用、空气热储存、生物量储热和垂直平流输送,并且分析其对干旱区农田下垫面夏季地表能量不平衡的补偿。结果表明:干旱区农田植被光合作用平均日变化最大值达9.9 W·m~(-2),空气热储存平均日变化最大值达10.6 W·m~(-2),生物量储热平均日变化最大值达32.4 W·m~(-2),垂直平流输送平均日变化最大值达22.9 W·m~(-2);各补偿项对地表能量闭合度分别提高2%、1%、2%和6%;在能量平衡方程中引入这4项后地表能量平衡闭合度由79%提升到90%。植被光合作用、空气热储存、生物量储热和垂直平流输送对干旱区农田地表能量不闭合有明显改善。     

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。     

山地复杂下垫面湍流特征观测分析

利用谱方法和能量闭合度分析等方法,对兰州市皋兰山2006年夏季和2005年冬季涡度相关系统测定的湍流数据质量进行了分析,结果表明:4个观测点测定的三维风速、空气温度的功率谱在惯性副区都符合"-2/3"定律,垂直风速和温度的协谱在惯性副区也基本符合"-4/3"定律.4个观测点都存在能量平衡不闭合现象,夏季观测点绿化地和裸地能量平衡比率(EBR)分别为66%和94%,冬季绿化地和裸地的EBR分别为62%和84%;裸地观测点的闭合程度明显好于绿化地.本文还讨论了能量闭合度的日变化特征及各个观测点的地表能量收支状况.     

黄河源高寒湿地-大气间水热和碳交换通量日变化特征的观测分析

黄河源区高寒湿地-大气间的水分和热量及碳交换过程是影响青藏高原气候变化的主要因素之一。本文从2013年7月16日至10月19日期间黄河源区麻多湿地下垫面湍流通量涡动相关系统和气象站观测资料中,每月选取3~4天晴天条件下的观测数据,分析了黄河源麻多湿地-大气间感热通量、潜热通量和CO_2通量的日变化特征,并探讨了近地面能量平衡闭合度。结果表明:黄河源高寒湿地下垫面潜热通量和感热通量有日变化过程,日出后水分和热量交换通量逐渐增高,峰值均出现在12:00—16:00(北京时,下同)。在2013年夏季,黄河源湿地下垫面感热通量的最高值出现在9月15:30,达到了150.0 W·m~(-2),潜热通量的最高值出现在7月16:00,达到了300.0 W·m~(-2)。黄河源高寒湿地生态系统的能量消耗主要以潜热为主,近地面能量的闭合度较差,达到了48.8%。湿地净生态系统的CO_2交换通量日变化特征呈"U"型曲线,在整个植被生长季节的日变化过程中,日出后湿地系统吸收大气中的CO_2,净生态系统CO_2交换量NEE(Net Ecosystem Exchange)为负,中午达负极值,极值为-0.55 mg·m~(-2)·s~(-1),出现在7月21日12:30;夜间下垫面释放CO_2,NEE为正。进一步分析结果表明:CO_2交换通量的变化动态范围受空气温度、太阳辐射和植被冠层的影响明显。     

青藏高原典型下垫面地表能量通量的模型估算与验证

青藏高原地区地表能量通量的估算与验证对高原及其周边地区能量和水循环研究具有重要意义,地表能量平衡系统SEBS(Surface Energy Balance System)模型为研究高原非均匀地表区域地表能量通量提供了一种行之有效的方法。基于中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站(简称那曲站)、中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站(简称纳木错站)和中国科学院珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站(简称珠峰站) 2008年辐射资料、大气边界层塔站观测资料,结合MODIS卫星数据,利用SEBS模型估算地表能量通量,并用站点地表能量通量观测资料进行验证。结果表明,模型估算的感热通量和土壤热通量与站点实测值具有较好的一致性,且感热通量和土壤热通量的估算精度明显优于潜热通量;感热通量的估算精度最高,那曲站、纳木错站和珠峰站的均方根误差分别为54. 98,37. 37和27. 10 W·m~(-2);而模型估算的潜热通量验证结果偏差较大和站点实测数据存在"能量不闭合"问题相关。鉴于在地表能量通量观测中广泛存在"能量不闭合"的问题,利用波文比校正方法校正站点实测潜热通量。研究表明波文比校正方法可以明显改善地表通量观测数据"能量不闭合"的问题,那曲站、纳木错站和珠峰站的能量闭合率分别提高了19. 4%,21. 4%和19. 1%;与原始站点实测潜热通量相比,校正后的潜热通量与SEBS模型估算结果一致性较好,3个站点潜热通量的均方根误差分别减少了6. 78,33. 48和29. 30 W·m~(-2)。     

白洋淀水陆不均匀地区能量平衡特征分析

应用2005年9月在河北白洋淀地区进行的大气边界层综合观测实验资料, 对水陆不均匀地表条件下的白洋淀地区陆地的能量平衡特征进行了分析。结果表明: (1) 该地区存在能量不闭合现象。涡动相关法得到的感热、 潜热之和仅为有效能的75%, 其中涡动相关法得到的潜热通量为Bowen比法得到的潜热通量的70%, 而涡动相关法得到的感热通量为Bowen比法得到的感热通量的77% 。 (2) 地表潜热通量和感热通量随着净辐射的变化而变化。但潜热通量明显比感热通量大, 净辐射主要消耗于地表的水汽蒸发。 (3) 该地区白天的Bowen比平均在-0.4~0.4之间, 总体平均为0.131。受天气条件影响较大, 有明显的日变化, 午后15:00以后近地面层会出现逆温, Bowen比变为负值。 (4) 能量闭合程度有一定的日变化, 随着太阳高度角的增大而增大。     

科尔沁草甸草地生长季能量平衡特征

草地生态系统具有植被多样性和较大的气候变异性,研究草地的能量平衡特征对认识草地的生态效应具有重要意义。利用开路涡度相关系统和常规气象观测系统的观测结果,运用最小二乘法、线性回归等方法对科尔沁草甸草地2010年生长季能量平衡特征进行了分析。结果表明：科尔沁草甸草地生长季能量闭合比率为80.4%,说明该地存在不闭合现象,且闭合度居于同类观测的中上水平,涡度相关观测数据较为可靠。反射率日变化呈先降后升趋势,中午达到最低值,生长季（5-9月）内在0.040-0.120之间波动,整体也呈先降后升趋势,平均值为0.061。净辐射与太阳辐射的比值为0.386,二者呈线性正相关关系。潜热通量是科尔沁草甸草地最主要的能量支出项,其次是感热通量。各分量日变化与净辐射基本相同,呈单峰型变化,日出后开始增加,中午达到最大值,之后开始减小,峰值及其出现的时间稍有不同。两种典型天气下,各分量占净辐射比例次序与生长季平均情况相同。晴天时各分量与净辐射相同,呈单峰型,而阴天时变化规律均不明显。     

陇中黄土高原地表能量不平衡特征及其影响机制研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)2008年夏季的观测资料,分析了陇中黄土高原地表能量不平衡特征及其影响机制,计算了地表和5 cm深处土壤热通量板之间的热储存,并对地表能量不平衡特征重新进行了计算和评价。当把土壤热储存作为地表能量收支的一部分考虑后,不平衡差额绝对值平均降低了23 W.m-2,能量不闭合度平均减小了0.104,利用最小二乘法(OLS)进行线性回归得到的平均不闭合度减小了0.085。从白天和晚上的能量不闭合度频率分布也能够看出,土壤热储存对地表能量收支平衡有很大改善。但即使考虑了土壤热储存项,地表能量不闭合仍然很明显。除了土壤热储存,边界层大气不同形式的输送能力作为对地气能量通量交换过程中的重要因素,对能量不平衡也会产生深远影响。结果显示,地表能量不闭合度分别与垂直速度w、水平风速u和对流速度尺度w*有较密切的关系。涡动相关法通量计算中常通过坐标旋转强迫垂直速度变为零,然而非零的垂直速度和垂直平流是真实存在的,忽略垂直平流热量输送是产生地表能量不平衡的重要原因。     

安徽省寿县农田能量平衡评价

为了评估安徽省寿县国家气候观象台新增的近地层通量观测系统业务运行状况,利用2007年9月—2008年8月寿县近地层通量系统观测资料,分析了农田下垫面能量平衡情况。结果表明:全年能量平衡比率平均为0.89,但不同条件下存在差异:白天明显大于夜间,春、夏、秋季明显大于冬季,裸地和麦、稻田明显大于雪地,晴、昙、阴、雨天气情况下差异不大。总体来说,能量不平衡是通量观测中较为普遍的现象,一般认为不平衡程度在10%~30%为合理范围,寿县国家气候观象台全年的能量不平衡程度 (11%) 恰好属于这个范围,并接近不平衡程度的下限,说明涡度相关法在淮河流域农田生态系统通量观测中可靠性较高。     

Analysis of surface energy balance closure over heterogeneous surfaces

Surface energy balance closure has been examined using eddy covariance measurements and other observations at one industrial and three agricultural sites near the Nakdong River during daytime. Energy balance closure was evaluated by calculating the long-term averaged energy balance ratio (EBR), the ratio of turbulent energy fluxes to available energy, and the statistical regression of turbulent energy fluxes against available energy using half-hourly data. The EBR of all sites ranges from 0.46 to 0.83 while the coefficient of determination (R ²) ranges from 0.37 to 0.77. The energy balance closure was relatively poor compared to homogeneous sites, indicating the influence of surface heterogeneity. Unmeasured heat storage terms also seem to play a role in the surface energy budget at the industrial and irrigated sites. The energy balance closure was better in conditions of high wind speed, low downward short wave radiation, and high friction velocity, which suggests the role of heat storage term and surface heterogeneity in surface energy balance at these sites. Spectrum analysis shows a sharp roll-off at the low frequency in co-spectrum, which indicates that low-frequency motions do not significantly contribute to turbulent fluxes. Both the spectra and cospectra in unstable conditions show a broad peak indicating the influence of multiple sizes of large eddies over heterogeneous sites. Most of ogive curves for the kinematic latent and sensible heat fluxes reach an asymptote within 30 minutes regardless of the EBR value, indicating that low frequency motion is not a main factor for energy imbalance. However, stationary eddies due to landscape heterogeneity still remains as a possible cause for energy imbalance.     

盘锦芦苇湿地水热通量计算方法的比较研究

利用2005年7月盘锦芦苇湿地生长旺季的小气候梯度系统30 min观测资料和开放式涡动相关系统10Hz原始观测资料,比较并分析了廓线法、波文比能量平衡法与涡动相关法计算的芦苇湿地生态系统水热通量。结果表明:廓线法与波文比能量平衡法计算的芦苇湿地生态系统水热通量与涡动相关法得到的芦苇湿地生态系统水热通量具有较好的相关性,但是涡动相关法存在能量不平衡。分析盘锦芦苇湿地生态系统水热通量的日变化发现,能量平衡各分量基本上以正午为中心,呈倒“U”型分布。用波文比法计算得到的芦苇湿地生态系统日感热通量最大值为164.25 W.m-2,日潜热通量最大值为294.18 W.m-2。降雨之后,芦苇湿地生态系统水热通量都有所增加,尤其是潜热通量增加显著,且峰值出现时间提前。     

黄土高原半干旱区异常能量闭合率特征分析

以兰州大学半干旱气候与环境观测站（简称SACOL站）4 a的陆面通量数据为基础,利用普通最小二乘法（OLS）和能量平衡比率（EBR）方法,对能量平衡的异常闭合特征及其与相对垂直湍强（RIw）的关系进行了研究,并进行了能量滞后分析。结果表明,能量过闭合和负闭合现象分别主要发生在白天和夜间,大小遵从正态分布;较大异常闭合产生的原因主要是日出日落时净辐射与地表热通量接近以及降水影响造成湍流通量出现异常大值。一般来说,垂直湍流运动越强,异常闭合越少,闭合度越向1收敛,反之亦然。强湍流或极弱湍流都不利于产生异常闭合,过闭合、负闭合的最适相对垂直湍强RIw约为0.11、0.14。另外,能量支出项的相对滞后也是造成包括负闭合在内的异常闭合的原因之一。剔除湍强较弱的点或将地表热通量G0、感热H、潜热LE相位相对净辐射Rn提前30 min后,异常闭合所占比重减少;月平均EBR法过闭合度降低,OLS法闭合度提高。     

一次春季冷空气过程中东海海域海气通量与界面热交换分析

利用船测资料分析一次冷空气过程中东海海域海气通量特征及海洋表面热收支变化特征。2017年5月5日20时—6日14时冷空气过境期间,动量通量平均值为0.22 N·m-2。感热和潜热通量的平均值分别为27.17 W·m-2和90.25 W·m-2,是春季整个观测期间（2017年4月20日—5月26日）平均值的2.8倍和1.1倍。冷空气爆发当天,净热通量为-12.73 W·m-2,海洋失热。白天海表面热收入58.36 W·m-2,影响海面热收支变化的主要是净辐射通量和潜热通量。夜间海表面热支出156.89 W·m-2,海洋作为热源向大气释放潜热99.79 W·m-2,占海洋释放能量过程的63.61%,向大气释放感热27.11 W·m-2,占海表释放热量的17.28%,海表面损失的热量主要以潜热的形式向大气传输。     

Seasonal and interannual variations of carbon exchange over a rice-wheat rotation system on the North China Plain

Rice-wheat (R-W) rotation systems are ubiquitous in South and East Asia, and play an important role in modulating the carbon cycle and climate. Long-term, continuous flux measurements help in better understanding the seasonal and interannual variation of the carbon budget over R-W rotation systems. In this study, measurements of CO2 fluxes and meteorological variables over an R-W rotation system on the North China Plain from 2007 to 2010 were analyzed. To analyze the abiotic factors regulating Net Ecosystem Exchange (NEE), NEE was partitioned into gross primary production (GPP) and ecosystem respiration. Nighttime NEE or ecosystem respiration was controlled primarily by soil temperature, while daytime NEE was mainly determined by photosythetically active radiation (PAR). The responses of nighttime NEE to soil temperature and daytime NEE to light were closely associated with crop development and photosynthetic activity, respectively. Moreover, the interannual variation in GPP and NEE mainly depended on precipitation and PAR. Overall, NEE was negative on the annual scale and the rotation system behaved as a carbon sink of 982 g C m-2 per year over the three years. The winter wheat field took up more CO2 than the rice paddy during the longer growing season, while the daily NEE for wheat and rice were -2.35 and -3.96 g C m-2, respectively. After the grain harvest was subtracted from the NEE, the winter wheat field became a moderately strong carbon sink of 251-334 g C m-2 per season, whereas the rice paddy switched to a weak carbon sink of 107-132 per season.     

Temporal variations in heat fluxes over a central European city centre

Summary Energy fluxes have been measured over an area near the centre of the city of Łódź, Poland, since November 2000. The site was selected because the building style (surface cover and morphology) is typical of European cities, yet distinct from the majority of cities where energy balance observations have been studied thus far. The multi-year dataset permits consideration of temporal changes in energy balance partitioning over a wide range of seasonal and synoptic conditions and of the role of heat storage and anthropogenic fluxes in the energy balance. Partitioning of net radiation into the turbulent fluxes is consistent in the two years, with the largest differences occurring due to differing precipitation. The monthly ensemble diurnal cycles of the turbulent fluxes over the two years are similar. The largest differences occur during the July–September period, and are attributable to greater net radiation and lower rainfall in 2002. The latent heat flux accounts for approximately 40% of the turbulent heat transfer on an annual basis. The average daily daytime Bowen ratio and its variability are slightly reduced during the summer (growing) season. Anthropogenic heat is a significant input to the urban energy balance in the winter. The fluxes observed in this study are consistent with results from other urban sites.     

高温和台风影响下的苏州城市粗糙子层湍流通量特征

利用苏州地区2011年12月20日—2012年8月13日的湍流观测资料对不同季节、高温、台风强天气过程下的湍流特征进行分析。结果表明:城市地区不同季节动量通量、感热通量、潜热通量日变化明显,各通量的夏季平均值、最大值均高于冬春季,夏季感热通量日最大值为160.2 W·m^-2,感热在城市地表能量平衡中的作用大于潜热,各季节潜热通量平均值仅为感热通量的40%~45%。降水量和植被覆盖度影响地表能量平衡,尤其影响地表热量在感热和潜热之间的分配。在高温天气过程中,感热通量增加明显,其峰值约是夏季平均的1.93倍。由于水汽较少,潜热通量明显减少,约为夏季日平均值的60%。速度三分量谱中u谱与w谱在低频区存在两个峰值,说明在城市复杂下垫面里,湍流激发机制中存在低频过程的影响。在台风天气过程中,动量通量大且变化快,感热输送弱,潜热输送波动大。速度谱w基本不符合"-5/3"次律,惯性子区最小且向高频移动,这和台风内部的复杂上升下沉气流有关。     

Consequences of Incomplete Surface Energy Balance Closure for CO2 Fluxes from Open-Path CO2/H2O Infrared Gas Analysers

We present an approach for assessing the impact of systematic biases in measured energy fluxes on CO₂ flux estimates obtained from open-path eddy-covariance systems. In our analysis, we present equations to analyse the propagation of errors through the Webb, Pearman, and Leuning (WPL) algorithm [Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 106, 85–100, 1980] that is widely used to account for density fluctuations on CO₂ flux measurements. Our results suggest that incomplete energy balance closure does not necessarily lead to an underestimation of CO₂ fluxes despite the existence of surface energy imbalance; either an overestimation or underestimation of CO₂ fluxes is possible depending on local atmospheric conditions and measurement errors in the sensible heat, latent heat, and CO₂ fluxes. We use open-path eddy-covariance fluxes measured over a black spruce forest in interior Alaska to explore several energy imbalance scenarios and their consequences for CO₂ fluxes.