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.     

应用涡动相关法计算水热、CO2通量的国内外进展概况

目前涡动相关法被认为是国内外测定CO2、水热通量的最可靠方法。国外应用此方法解决了均匀下垫面假设下森林和农田等生态系统的CO2、水热通量的计算问题，目前致力于非理想下垫面（真实地形）的CO2、水热通量的计算。而国内应用涡动相关技术起步较晚，用此方法测定水热通量已有一定的知识积累，但测定CO2通量还处于资料收集阶段。我国自然生态系统、环境外交和社会经济可持续发展都要求精确查明我国CO2的时空变化特征和动力学机制，这应是今后研究的重点，并提出了应用该方法存在的主要问题及可能的解决方法，指出值得深入研究的领域。     

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。     

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.     

在华北玉米生育期观测的16 m高度CO2浓度及通量特征

利用中国气象局固城农业气象生态试验站2004年玉米生育期通量观测资料,分析了CO2浓度和通量随玉米生长的变化,并估算了玉米生育期陆地与大气CO2净交换量。结果表明:CO2浓度变化对农户活动和作物生长极其敏感;浓度在整个生育期始终有明显的日变化规律,峰值（谷值）出现在日出（日落）前后,通量仅在7月中旬至10月上旬之间出现明显的日变化特点,且位相超前于浓度,开花期通量最大;玉米播种期、苗期和成熟后地面向大气净排放碳, 拔节至成熟前地面从大气净吸收碳;开花期碳吸收最强,其后依次为吐丝－乳熟期和拔节期。比较分析了目前流行的通量计算方法对碳吸收估计的影响,结果显示不同计算方法能产生高达160%的碳吸收估计偏差,应当引起重视。生态系统碳平衡分析结果表明,玉米地在生长季表现为弱碳汇（大约660 kg/hm2）,但这一结果可能低估了实际的碳汇强度,低估程度有待研究。     

唐古拉地区高寒草甸生态系统CO2通量特征研究

采用涡动相关法对青藏高原唐古拉地区高寒草甸生态系统在2007年CO2通量及活动层水热动态进行了连续观测。结果表明, 各月CO2通量日变化均呈单峰型, 日通量峰值一般出现在中午, 最大排放峰值出现在5月, 为0.29 g·m-2·h-1; 最大吸收峰值出现在8月, 为-0.25 g·m-2·h-1, 除7月和8月CO2通量日变化表现出吸收特征外, 其余各月均表现为排放特征。与青藏高原连续多年冻土周边地区相比, 唐古拉地区CO2通量日变化峰值明显偏小。CO2通量季节变化呈双峰型, 表现为春\, 秋季强排放、 夏季弱吸收和冬季弱排放。5月为CO2通量全年最大排放月, 排放量为132.4 g·m-2; 8月为CO2通量全年最大吸收月, 吸收量为-37.7 g·m-2。春\, 秋季, CO2通量与5 cm土壤温度和未冻水含量变化呈显著的正相关关系, 而夏季与5 cm土壤温度变化呈显著的负相关关系, CO2通量对光合有效辐射变化基本没有响应。     

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。     

农田生态系统大气硫沉降通量的观测研究

1998年 11月～ 1999年 10月间在中国科学院红壤站 (江西鹰潭 )农田小气候站进行了大气二氧化硫 (SO2 )、硫酸盐粒子 (SO2 -4)浓度采样和雨水样本收集 ,利用阻力模式和全年逐时气象资料计算 SO2 和 SO2 -4的干沉降速度 ,估算干沉降通量 ,利用降水资料和雨水中硫酸根离子浓度估计大气硫的湿沉降 ,从而定量研究大气硫沉降输入农田生态系统的通量 ,结果表明 :农田下垫面上 SO2 和 SO2 -4干沉降速度的年平均值分别是 0 .373± 0 .170 cm· s-1(月均值 0 .16 1～ 0 .5 45 cm·s-1)、0 .198± 0 .12 3cm· s-1(月均值 0 .15 2～ 0 .2 6 9cm· s-1)。农田下垫面硫年总沉降量为 10 .3g· m-2 ,其中干沉降占总沉降的 83.3%。硫的干沉降又以 SO2 的干沉降为主 ,占年干沉降总量的 92 .2 %。大气硫沉降输入占农田生态系统输入总量的 90 %以上 ,是农田生态系统获取硫素的一个重要途径     

上海郊区二氧化碳通量特征分析

利用上海郊区奉贤的涡动相关通量观测资料,对2015年9月至2016年8月二氧化碳(CO2)通量的时空分布特征、年总排放量进行了分析.结果表明,上海奉贤春、夏、秋季的9-14时CO2通量几乎全为负值,冬季CO2通量则全天均为正值.奉贤CO2通量没有明显的周末效应.植物光合作用是影响奉贤CO2通量时间变化特征的主要因素.各...     

上海中心城区二氧化碳通量特征分析

利用位于上海中心城区徐家汇站的涡动相关湍流通量资料,对该区域2012年12月至2013年11月二氧化碳（CO₂）通量的时间变化、空间分布特征、年总排放量进行分析。结果表明：中心城区徐家汇为CO₂通量的源区,CO₂通量的日变化呈现与交通流量相对应的双峰现象,冬季的通量值普遍小于其他季节,尤其在早高峰时段更为明显。节假日CO₂通量的早高峰效应并不明显,其峰值明显低于工作日,且有滞后的趋势。各方向CO₂通量大小与其周边下垫面情况密切相关,夏季白天在商业建筑密集区和主要道路处,CO₂通量明显高于其他季节。上海中心城区CO₂通量的年总排放量为44.5 kg/（m²·a）,高于国内外其他城市的市中心或高密度住宅区的数值,这主要和观测时段相对偏晚、植被覆盖率偏低、周边高层建筑和主干道偏多有关。     

Multi-level CO2 fluxes over Beijing megacity with the eddy covariance method

本文基于北京325米气象塔在47,140,和280米三层高度的5年涡动相关观测资料,研究了城市下垫面与大气间的CO2交换过程.由于北京市2011年开始实行工作日汽车尾号限行,140米高度CO2通量的年增长率由2008-2010年的7.8％降低到2010-2012年的2.3％.140米高度通量源区内植被比例最小且人口密度最大,因此140米高度的5年平均CO2通量年总量)6.41 kg C m-2 yr-1(大于47米)5.78 kg C m-2 yr-1(和280米)3.99 kg C m-2 yr-1(.在年尺度上,北京汽车总保有量和总人口是最重要的CO2通量控制因子.CO2通量随风向的变化主要与风向对应的通量源区内下垫面土地利用方式有关.三层高度的夏季CO2通量均与道路的比例呈正相关关系.47,140,和280米的决定系数分别为0.69,0.57,和0.54(P＜0.05).植被比例的下降,会导致CO2年总量上升,两者存在近似于指数的关系.城市人口密度的上升会引起CO2年总量上升.     

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。     

盘锦芦苇湿地近地面层湍流通量参数化方案研究

基于2005年盘锦芦苇湿地近地面层湍流通量和微气象梯度的连续观测,研究了芦苇湿地近地面层湍流通量参数化方案。结果表明,盘锦芦苇湿地近地面层经常维持弱稳定和弱不稳定层结。在不稳定层结(-0.4     

Testing of the bandpass eddy covariance method for a long-term measurement of water vapour flux over a forest

The bandpass eddy covariance method has been used to measure the turbulent flux of scalar quantities using a slow-responsescalar sensor. The method issimilar in principle to the traditional eddy correlation method but includes the estimation of high-frequency components of the flux on the basis of cospectral similarity in the atmospheric surface layer. In order to investigate the performance of the method, measurements of the water vapour flux over a forest with the bandpass eddy covariance method and the direct eddy correlation method were compared. The flux obtained by the bandpass eddy covariance method agreed with that by the eddy correlation method within ±20% for most cases, in spite of a rather slow sensor-response of the adopted hygrometer. This result supports its relevance to a long-term continuous operation, since a stable, low-maintenance,general-purpose sensor canbe utilized for scalar quantities. Oneweak point of the method isits difficulty in principle to measure the correct flux when the magnitude of the sensible heat flux is very small, because the method uses the sensible heat flux as a standard reference for the prediction of undetectable high-frequency components of the scalar flux. An advanced method is then presented to increase its robustness. In the new method, output signals from a slow-response sensor are corrected using empirical frequency-responsefunctions for the sensor,thereby extending the width of the bandpass frequency region where components of the flux are directly measured (not predicted). The advanced method produced correct fluxes for all cases including the cases of small sensible heat flux. The advanced bandpass eddy covariance method is thus appropriate for along-term measurement of the scalar fluxes.     

Stationarity of Turbulence in Light Winds during the Maritime Continent Thunderstorm Experiment

Non-stationary turbulence can invalidate eddy flux calculations. Two-hour longrecords of wind velocity, temperature and humidity are classified as stationaryor non-stationary based on the behaviour of the flux as a function of Reynoldsaveraging period; a number of indicators of stationarity are investigated. Thetwo-hour Maritime Continent Thunderstorm Experiment wind datasets are notcompletely stationary, as indicated by the lack of a spectral gap, but can beclassified as approximately stationary, when the mean wind speed is greaterthan 3.8 m s^-1, or the standard deviation of true wind direction is 10°, or the ratio of horizontal wind variance to wind speed is <0.25. In the stationary case the calculated friction velocity exhibits a 7% decrease on average when the Reynolds averaging period is doubled, while data classified as non-stationaryexhibit an increase of 32%. There is little non-stationary behaviour in the kinematicheat fluxes, and is independent of the non-stationarity of the friction velocity. Thekinematic heat fluxes show small decreases (around 3%) when the Reynolds averagingperiod is doubled.     

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。     

Processing and quality control of flux data during LITFASS-2003

Different aspects of the quality assurance and quality control (QA/QC) of micrometeorological measurements were combined to create a comprehensive algorithm which was then applied to experimental data from LITFASS-2003 (Lindenberg Inhomogeneous Terrain—Fluxes between Atmosphere and Surface: a long term Study). Eddy-covariance measurements of the latent heat flux were the main focus of the QA/QC efforts. The results of a turbulence sensor intercomparison experiment showed deviations between the different eddy-covariance systems on the order of 15%, or less than 30 W m⁻², for the latent heat flux and 5%, or less than 10 W m⁻², for the sensible heat flux. In order to avoid uncertainties due to the post-processing of turbulence data, a comprehensive software package was used for the analysis of experimental data from LITFASS-2003, including all necessary procedures for corrections and quality control. An overview of the quality test results shows that for most of the days more than 80% of the available latent heat flux data are of high quality so long as there are no instrumental problems. The representativeness of a flux value for the target land-use type was analysed using a stochastic footprint model. Different methods to calculate soil heat fluxes at the surface are discussed and a sensitivity analysis is conducted to select the most robust method for LITFASS-2003. The lack of energy balance closure, which was found for LITFASS-2003, can probably be attributed to the presence of low-frequency flux contributions that cannot be resolved with an averaging time of 30 min. Though the QA/QC system has been developed for the requirements of LITFASS-2003, it can also be applied to other experiments dealing with similar objectives.