基于涡度相关法的中国农田生态系统碳通量研究进展

农田生态系统是受人为活动强烈控制和干扰的系统,对其碳源/汇的评价是全球碳循环研究的热点.首先概括了以涡度相关法为手段的中国农田生态系统碳通量的研究进展,重点总结了中国农田生态系统碳通量的时间变化、驱动机制和模型模拟等方面的研究成果,并在此基础上对今后中国农田生态系统碳通量研究提出了建议,认为长期观测与研究、多因子协同作用、模型开发与尺度推绎、数据质量监控和评价是今后研究的重点方向.     

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。     

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。     

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.     

上海秋冬季地表能量平衡及CO2通量特征分析

利用2012年11月11日至2013年1月20日上海秋冬季涡动相关通量观测资料,对比分析地表能量平衡和CO₂通量在不同天气条件下的日变化特征。结果表明：2012-2013年上海晴天和多云天气条件下,最大能量通量为储热项,其次为感热项;用于蒸发的潜热通量项最小,低于50 w·m^-2。储热项日峰值出现在11时,出现时间早于净辐射通量,而在日落前转为负值。感热项日变化曲线并不以12时为中心呈对称分布,日落后感热项仍为明显正值。中午至日落时波文比值为3以上。感热通量受风向影响最大,在主导风向为西北风时,感热通量日峰值从其他风向的175 w·m^-2左右减小至120 w·m^-2左右。霾和云对短波辐射均表现为衰减作用,云的衰减作用明显大于霾。云使地表向上长波辐射和净长波辐射明显减少,而使大气逆辐射增加。晴天条件下,全天表现为CO₂排放源,且日变化呈双峰型,两个峰值出现时间正好对应上下班高峰时段,傍晚峰值大于早上峰值。     

涡度相关通量修正方法比较

利用安徽省寿县国家气候观象台2008年2月10日至9月20日湍流通量观测资料,分别采用WPL和Liu修正方法对潜热通量和CO2通量进行修正,比较了修正前后对通量的影响以及两种方法间的差异。结果表明：两种修正方法能够有效消除直接计算含有虚假的吸收信息,从而提高通量数据的精度;经过两种方法修正,潜热通量增加约3%-5%,CO2通量减小1%-2%;WPL（Webb-Pearman-Leuning）方法对潜热通量和CO2通量的修正幅度均要大于Liu修正。     

成都平原农田下垫面地表通量特征及能量平衡分析

地表能量平衡是地-气间相互作用的重要方式,随着涡旋相关技术在物质传输和能量交换研究中的广泛应用,如何评价其观测数据的可信度则变得尤为重要。利用成都平原温江大气边界层观测站2008年观测资料,分析了农田下垫面上能量收支各分量和辐射平衡各分量的特征及变化规律,并运用最小二乘法(Ordinary Least Squares,OLS)线性回归方法和能量平衡比率(Energy Balance Ratio,EBR)方法对湍流通量(感热与潜热通量之和)与有效能量(净辐射与地表土壤热通量之差)之间的关系进行了研究,得到了一些有意义的结果。     

半干旱草原下垫面能量平衡特征及土壤热通量对能量闭合率的影响

土壤热通量在半干旱草原下垫面能量平衡研究中极为重要,土壤热通量估计不够准确是导致地表能量不平衡的一个重要原因。利用2008年6—9月锡林郭勒草原主生长期地表辐射、通量和土壤温度梯度观测资料,研究中纬度半干旱草原下垫面地表能量平衡特征。首先,在分析能量平衡各分量月平均日变化特征的基础上,通过对土壤热流量板观测的5 cm深度土壤热通量(G)的相位前移,研究了土壤热通量相位滞后对地表能量平衡产生的影响;其次,利用谐波分析方法,通过计算地表土壤热通量(Gs),分析了地表到热流量板之间的土壤热量储存对地表能量平衡的影响。结果表明:(1)将土壤热通量相位前移30 min,湍流通量与可利用能量(Rn-G)线性回归的斜率从0.835增加到0.842,地表能量闭合率提高了0.7%,但仍有15.8%的能量不闭合;(2)考虑了地表到热流量板之间的土壤热量储存之后,湍流通量与可利用能量之间的回归斜率达到0.979,能量不闭合程度仅为2.1%。     

基于FLUXNET数据集对陆面模式CoLM能量通量的单点评估

模式评估是模式发展中的重要一环。本文利用来自FLUXNET2015数据集的30个站点的涡动相关系统观测数据,重点关注能量通量,对通用陆面模式（Common Land Model version 2014,CoLM2014）在不同典型下垫面的模拟能力进行评估。结果表明,模式总体上能抓住感热、潜热和净辐射通量在日、季节和年平均等不同时间尺度上的变化特征,对感热、潜热和净辐射通量都有较好的模拟能力,净辐射的模拟效果最好,潜热通量次之。季节变化模拟中,感热、潜热通量在夏季不同植被型下站点的空间离散程度大于冬季,不同站点间模拟效果相差较大,净辐射多站点标准差变化幅度要小于感热、潜热,不同站点间模拟效果偏差较小。CoLM在常绿针叶林、稀树林地、草地、农田模拟感热、潜热通量的效果相对较好,在永久湿地、落叶阔叶林下模拟感热通量较差。本研究对CoLM2014在未来的改进和发展中提供了有用的参考。     

玉米农田生态系统CO2通量的动态变化

利用2008年辽宁锦州农田生态系统野外观测站涡动相关系统通量观测资料,分析了玉米农田生态系统生长季(5-10月)及非生长季CO₂通量动态变化。结果表明：玉米农田生态系统的非生长季日动态趋势不明显;生长季日动态明显,呈明显的U型曲线,CO₂通量最大值出现在12:00时,为-1.19 mg·m^-2·s^-1;不同物候期的日动态也呈现U型曲线,各发育期CO₂通量日最大值范围为0.07～-0.23 mg·m^-2·s^-1;玉米农田生长季生态系统净CO₂交换日累积（NEE）为-652.8 g·m^-2,非生长季NEE499.8 g·m^-2,2008年碳收支-153.0 g·m^-2,表现为碳汇。     

均匀裸土地表土壤热通量计算方法对比及对能量闭合的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的观测资料,对6种地表土壤热通量计算方法(Plate Cal法、TDEC法、谐波法、热传导对流法、振幅法和相位法)进行比较,检验了6种方法在不同干湿地表状况下的适用性,并研究了6种方法计算地表土壤热通量的差异以及对地表能量闭合度的影响。结果表明:一般情况下,Plate Cal法计算的2 cm土壤热通量与观测值最接近,计算结果的均方差为6.9 W/m2。在不同干湿地表状况下,干燥和降水条件下适合使用Plate Cal法,计算结果的均方差分别为14.0 W/m2和30.1 W/m2;湿润条件下适合使用谐波法,计算结果的均方差为21.4 W/m2。6种方法计算的地表土壤热通量存在明显差别,最大相差178.6 W/m2,不同方法计算地表土壤热通量的最大差值超过25 W/m2的时次占样本的96.3%。不同方法计算地表土壤热通量的差异对地表能量闭合度的大小有明显影响,但不影响近地层能量闭合度随湍流混合增强而增大的规律。     

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。     

黄土高原典型塬区冬小麦地表辐射和能量平衡特征

利用2006年4～7月黄土高原陆气相互作用试验实际观测资料,分析了黄土高原典型塬区冬小麦生长过程中不同天气条件下的地表通量特征。发现在不同天气条件下辐射平衡和能量平衡特征有很大变化。地面向上长波辐射在晴天、阴天、降水天时依次减小,到达峰值时间约滞后总辐射峰值到达时间1 h左右。大气向下长波辐射与地表向上长波恰恰相反,晴天量值最小,基本稳定在300 W·m-2左右,阴天和降水天依次增大。潜热是能量通量的主要消耗项,在夜间也大于零,夜间感热则为负值。土壤热通量达到峰值时间滞后于净辐射峰值到达时间约1.5 h,其日平均值晴天为正,阴天约为零,降水天则为负值。日平均波文比阴天大于晴天和降水天。植被覆盖度高时,土壤植被系统截留的总辐射也高。     

稳态与湍流特征测试对通量数据质量的评价

应用CO2通量、感热和潜热通量稳态测试及垂直速度积分测试相结合的湍流数据质量评价方法对锡林浩特国家气候观象台2009年全年的湍流通量观测数据进行了质量评价。结果表明,锡林浩特通量观测数据质量总体较好;80％以上数据通过质量评价为较好数据;质量评价较好的数据分布呈白天大于夜间、夏季大于冬季的特点。经过对比分析,前期数据处理能剔除大部分质量不好的数据,但应用稳态测试与湍流积分测试筛选后,数据质量仍有明显提高,能量闭合率较前期数据分析前提高2％以上。     

Application of Nonlinear Balance Scheme in Three-Dimensional Variational Data Assimilation

The dynamical constrains in three-dimensional variational data assimilation are discussed when consid- ering the impact of stream divergence and convergence on the pressure and wind fields.For the analysis of severe tropical cyclone,frontal structures,and other rapidly changing structures,the geostrophic balance and linear balance cannot properly represent the relationship between wind and pressure fields.However,the nonlinear balance incremental equation takes into account the information of flow-dependent background, and makes response to the flow-dependent background covariance in the 3D-Var system.Results indicate that the application of the nonlinear balance equation to 3D-Var system improves the quality of severe trop- ical cyclone assimilation system,which has some positive effects on intensity prediction of tropical cyclones.     

非均匀下垫面湍流通量观测的印痕分析

利用2005年在北京昌平区小汤山开展的非均匀下垫面观测实验的观测数据,分别处理了涡旋相关法和大孔径闪烁仪LAS测得的感热通量,并运用印痕模型对数据进行“源区”分析。分析结果表明:在复杂地表上,涡旋相关的测量值由于混杂了其他下垫面的通量信息,不能真实地反映其观测区域的湍流特征,存在着观测误差。而LAS观测出现的低估问题则与掺混高度和“源区”有关。通过用印痕方法进行数据订正后,以上问题均得到很好的改善,订正结果与LAS观测通量的线性关系良好,两者的相关系数达到0.9。实验结果验证了印痕模型在非均匀下垫面的适用性。     

一种城市地表能量平衡模式在上海的模拟评估

利用一整年的上海城区常规气象和地表能量平衡观测资料,驱动和检验了局地城市地表能量(水分)平衡模式(SUEWS/LUMPS)在上海地区的模拟能力,并对模式输入参数进行了部分本地化。模拟结果表明,SUEWS模式较好地再现了各辐射通量的日变化形态,对净辐射通量(Q~*)中午日峰值低估约为25 W·m~(-2);模式对四个季节向下长波辐射通量(L_↓)的日变化幅度均被低估,对向上长波辐射通量(L_↑)的模拟明显优于L_↓。SUEWS/LUMPS模式对感热通量(Q_H)各季节(春季除外)日峰值出现时次均有准确模拟,而对Q_H量值各季节均为低估;SUEWS模式在夏、秋季对白天潜热通量(Q_E)的模拟均优于LUMPS模式,而在冬、春季的模拟情况两者接近;SUEWS模式成功再现了储热通量(△Q_S)冬、春、秋季早、晚正负值转换时间,而在夏季滞后了2 h,模拟的△Q_S量值季节差异性较大。对模式误差随气温、风速及风向变化进行分析表明,在较高气温和较大风速下,Q_H、Q_E均表现为低估误差增大,而△Q_S则相反,表现为更显著地高估;风向的影响主要表现为模式未考虑东面密集建筑群而使得Q_H较明显低估约为-50 W·m~(-2),而西侧公园绿地的存在使得Q_H高估约15 W·m~(-2)。     

SEBS模型在黄淮海地区地表能量通量估算中的应用

在对SEBS模型的有关参数进行订正的基础上,利用MODIS遥感数据结合地表气象观测数据,对黄淮海地区地表能量通量进行了估算。将SEBS估算结果先与北京顺义定量遥感综合试验(QRSLSP/Shunyi)实测结果进行对比分析,然后与郑州的大孔径闪烁仪(LAS)观测的感热通量进行对比分析。结果表明,SEBS估算的通量与二者的实测结果相当一致。因此,利用改进后的SEBS模型估算的黄淮海地区地表能量通量具有一定的精度,可满足区域日蒸散量计算等的需求。     

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.     

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。