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.     

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.     

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.     

北京地区50多年来有机氯农药迁移与残留的动态模拟与预测

以北京地区为研究区域, 利用四级逸度模型方法建立了北京地区HCHs的归宿模型. 模型模拟了1952~2003年间每年的HCHs迁移通量和残留量, 对计算所得各环境相中HCHs浓度值与各时期实测浓度进行的验证表明二者吻合较好. 1952~1983年间, 平均每年由农业施用进入研究区域环境中的HCHs约为130 t, 随气平流输入量620 t, 二者占总输入量的90%; 界面间迁移过程中, 气-土沉降、土壤侵蚀和土-气扩散通量分别为80, 16和11 t/a, 约占总迁移通量的92%; 每年因降解从研究区域消失的HCHs量为150 t, 随气平流输出600 t; 研究区域环境中HCHs总储量达到253 t, 其中土壤中245 t, 占总储量的97%, 生物相中储量约占0.6%. 1984年后气/水平流输入成为最主要的输入源, 各环境介质中HCHs浓度迅速下降. 目前研究区域环境中HCHs总储量已降至1983年前储量的5%, 预测20年后环境中残留的HCHs仅为1983年前储量的0.5%, 为目前水平的10%.     

青藏高原金露梅灌丛草甸净生态系统CO2交换量的季节变异及其环境控制机制

利用涡度相关技术,对2003年和2004年青藏高原金露梅灌丛草甸生态系统CO2通量观测表明,金露梅灌丛草甸生态系统CO2通量日变化、年变化明显,且日变化暖季大于冷季.CO2净交换量在年内的4,9月为两个释放高峰期,以7和8月的吸收量最大.2年的CO2吸收分别为231.4和274.8 gCO2·m-2,平均为253.1 gCO2·m2,在区域起着重要的碳汇功能.CO2日交换量与温度、辐射等气象因素具有显著的负相关关系.受年际间气候差异影响,两年CO2释放和吸收高峰出现及维持时间具有微小的差异.比较发现,各年白天CO2通量受光合辐射的控制作用基本相同,温度条件似乎成为影响CO2通量的重要环境因子.在植物生长季温度过高明显时,会降低碳的吸收能力.其原因可能是由于高温度条件下土壤呼吸增强有关引起的.生物量测定表明,2003和2004年的地上和地下生物年净固碳量分别为544.0和559.4 gC·m-2,与CO2年净交换吸收碳量(分别为63.1和74.9 gC·m-2)基本趋势一致.     

不同生态系统CO2通量和浓度特征分析研究

本文利用1993～1994年日本国家农业环境研究所与中国科学院沙漠研究所合作在内蒙古奈曼地区实测的7种不同生态系统（沙丘、轻度放牧草原、中度放牧草原、重度放牧草原、无放牧草原、玉米田和大豆田）的净辐射、土壤热通量、两个高度的CO2浓度、温度、湿度和风速等资料，采用空气动力学方法，计算了CO2通量及其与环境和人为干扰因子的关系，并分析了不同下垫面的光合作用特征. 结果表明：各种下垫面CO2通量的共同特点是：在白天，CO2通量和梯度的输送方向是从大气向植被，在中午（11～13时）输送达到负的最大值； 在夜间，CO2通量和梯度输送方向与白天相反，是从植被向大气，在早晨（3～5时）达到正的最大值. 植被覆盖率及生物量不同的下垫面光合作用强度有明显差异，天气状况对光合作用也有一定影响.     

不同生态系统CO2通量和浓度特征分析研究

本文利用1993～1994年日本国家农业环境研究所与中国科学院沙漠研究所合作在内蒙古奈曼地区实测的7种不同生态系统（沙丘、轻度放牧草原、中度放牧草原、重度放牧草原、无放牧草原、玉米田和大豆田）的净辐射、土壤热通量、两个高度的CO2浓度、温度、湿度和风速等资料，采用空气动力学方法，计算了CO2通量及其与环境和人为干扰因子的关系，并分析了不同下垫面的光合作用特征. 结果表明：各种下垫面CO2通量的共同特点是：在白天，CO2通量和梯度的输送方向是从大气向植被，在中午（11～13时）输送达到负的最大值； 在夜间，CO2通量和梯度输送方向与白天相反，是从植被向大气，在早晨（3～5时）达到正的最大值. 植被覆盖率及生物量不同的下垫面光合作用强度有明显差异，天气状况对光合作用也有一定影响.     

涡度相关测定中平均周期参数的确定及其影响分析

应用涡度相关技术估算地-气界面的水、热和CO2交换量的研究越来越普遍.为了获得真实可靠的地表通量数据,在实际应用过程中必须根据每个观测点不同的下垫面条件,对观测数据进行相应的订正,并通过对观测数据的分析来确定相关的技术参数.利用禹城、长白山两个观测站的10Hz原始涡度相关数据,以不同的平均周期(从1~720min)对数据进行了重新计算,并将重新计算的结果与30min平均周期的通量值进行了比较,分析选取不同平均周期参数得到的通量值之间的差异.其中重点分析了在禹城小麦地获取的15d连续观测数据.结果表明:(ⅰ)在禹城,当平均周期取值范围在10~60min变化时,相对30min平均周期的通量值改变小于2%;当平均周期作短于10min变化时,通量的计算结果随平均周期的缩短而明显地降低(最大相对误差为?12%);当平均周期作大于120min变化时,通量的计算结果变得不稳定(最大相对误差为±10%以上).(ⅱ)禹城小麦地通量的计算表明,10min平均周期对研究通量日变化比较好,30min平均周期比较适合于通量的长期观测研究.(ⅲ)提出了一种可以确定涡度相关测定中平均周期参数范围的归一化比值方法.通过对农田和森林不同类型下垫面观测数据的对比分析表明:高大的森林下垫面比相对矮小的作物下垫面在一定范围内增加平均周期长度时有增     

鼎湖山森林地表CO_2通量及其影响因子的研究

利用静态箱-气相色谱法对鼎湖山3种主要森林类型地表CO2通量及其主要影响因子进行了为期一年的观测,比较和分析了不同林型间地表CO2通量的季节变化,凋落物对地表CO2通量的贡献以及地表CO2通量与土壤温度和土壤含水量的关系.3种林型地表CO2通量都有相似的季节变化模式,即雨季较高而旱季较低,年均CO2通量按从大到小排序为:季风林>混交林>松林;3种林型由凋落物分解释放的CO2对地表CO2通量的贡献均相当显著,就全年平均而言来源于凋落物分解的CO2通量占总的地表CO2通量的比例按季风林、混交林和松林的顺序分别为:24.43%,41.75%和29.23%;3种林型不同处理地表CO2通量均与地下5cm土壤温度呈显著指数相关,Q10值变化范围在1.86~3.24之间;当土壤含水量全年变异系数较大时,地表CO2通量与土壤含水量的相关性较好.     

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.     

长白山红松针阔叶混交林生态系统生产力的估算

利用LI-6400CO2分析系统测定了长白山红松针阔叶混交林生态系统土壤呼吸、乔木和灌木树干和枝条的呼吸、植物叶片光合与呼吸.同步监测森林小气候气象因子,建立土壤、树干、叶片与气象因子间的模型.根据红松针阔叶混交林植被群落特性,估算红松针阔叶混交林森林生态系统不同组分CO2通量.利用涡度相关技术监测红松针阔叶混交林净生态系统交换量.探讨温度、光合有效辐射对森林生态系统CO2通量的影响.通过分析发现,在当年的气候条件下,该森林净生态系统交换量主要受土壤呼吸和叶片光合的影响.红松针阔叶混交林净生态系统交换量全年变化范围在-4.67～13.80 μmol·m-2·s-1.该森林生态系统CO2通量在冬季和夏季里平均分别为-2.0和3.9 μmol·m-2·s-1 (24 h平均值).乔木、灌木和草本的初级生产力分别占阔叶红松林总初级生产力的89.7%,3.5%,6.8%.土壤呼吸是森林生态系统中最主要的CO2排放源,约占红松针阔叶混交林生态系统CO2排放的69.7%,植物叶片和枝干分别占15.2%和15.1%.在生长季和非生长季中红松针阔叶混交林净生态系统交换量分别占全年CO2通量的56.8%和43.2%.自养呼吸占总初级生产力的比值(RaGPP)为0.52(NPPGPP=0.48).森林生态系统地下当年碳积累量占总初级生产力的52%.土壤呼吸占总初级生产力的60%.红松针阔叶混交林NPP为769.3 gC·m-2·a-1.该森林净生态系统交换量(NEE)为229.51 gC·m-2·a-1.涡度相关技术获得的该森林生态系统NEE低于箱式法获得的19.8%.     

华北地区冬小麦田水热、二氧化碳和甲烷湍流输送特征的实验研究

本文利用2012年4月30日至5月10日华北地区大气湍流实验资料,分析了冬小麦田下垫面温度、湿度、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的湍流统计和输送特征,利用涡旋相关法计算的CH4通量值确定了松弛涡旋累积(REA)法计算CH4通量的经验系数.结果表明,不稳定层结下,温度、湿度、CO2和CH4的归一化标准差随稳定度参数z/L的关系满足-1/3幂次关系.热量、水汽和CO2水平方向的湍流输送和垂直方向的比值与稳定度参数z/L存在一定的相关关系,但CH4没有类似特征.实验期间,感热通量数值较低,潜热通量较高;CO2在夜间表现出微弱的向上输送,其余时段为向下输送,可以认为实验站所在地区是碳汇;CH4的湍流输送整体为向下输送,无明显的日变化规律,可以认为是CH4汇.利用松弛涡旋累积法获取CO2和CH4通量的参数取值分别为0.61和0.30.     

三峡水库澎溪河CO2、CH4气泡释放通量初探

气泡释放是天然水体中水-气交换的重要途径之一.采用改进的倒置漏斗型气泡通量监测装置于2012年3-8月期间对三峡支流澎溪河高阳平湖库湾水域进行气泡释放通量的监测研究.研究期间,研究水域CH4气泡释放通量变化范围为0.01 ～ 23288.64 μmol/(m2·d);CO2气泡释放通量变化范围为0～799.89 μmol/(m2·d).不同常规采样点CH4、CO2气泡释放通量均呈现出高度的时空异质性特征.但CH4气泡释放通量显著高于CO2气泡释放通量,且二者释放过程具有同步性.同国外已有水库监测结果相比,澎溪河回水区高阳平湖库湾水域CH4、CO2气泡释放通量位于中等水平.CH4气泡释放通量约为同期CH4扩散通量的0～ 1893.90％,超量释放下CH4气泡释放通量可达同水域CH4扩散通量的6270.5％±390.0％.CO2气泡释放通量仅占同期扩散通量绝对值的0～ 21.74‰,超量释放下,CO2气泡释放通量亦仅为同期扩散通量绝对值的40.33‰ ±0.93‰.CH4气泡释放通量在支流库湾水域对总通量的贡献不可忽视.     

民勤沙漠-绿洲低空沙尘暴结构特征研究

通过从沙漠到沙漠绿洲过渡带再到绿洲8.3 km水平梯度和近地层50 m垂直梯度的低空沙尘观测系统所收集的19次沙尘暴的沙尘水平通量、垂直通量及风速等相关气象数据,结合下垫面环境状况,定量研究了中小尺度条件下,民勤沙漠、沙漠绿洲过渡带和绿洲3种典型下垫面环境沙尘暴诸要素的水平分布和垂直变化规律及其与下垫面的关系,评估了绿...     

青藏高原金露梅灌丛草甸净生态系统CO_2交换量的季节变异及其环境控制机制

利用涡度相关技术,对2003年和2004年青藏高原金露梅灌丛草甸生态系统CO2通量观测表明,金露梅灌丛草甸生态系统CO2通量日变化、年变化明显,且日变化暖季大于冷季．CO2净交换量在年内的4,9月为两个释放高峰期,以7和8月的吸收量最大．2年的CO2吸收分别为231．4和274．8 gCO2·m-2,平均为253．1 gCO2·m2,在区域起着重要的碳汇功能．CO2日交换量与温度、辐射等气象因素具有显著的负相关关系．受年际间气候差异影响,两年CO2释放和吸收高峰出现及维持时间具有微小的差异．比较发现,各年白天CO2通量受光合辐射的控制作用基本相同,温度条件似乎成为影响CO2通量的重要环境因子．在植物生长季温度过高明显时,会降低碳的吸收能力．其原因可能是由于高温度条件下土壤呼吸增强有关引起的．生物量测定表明。2003和2004年的地上和地下生物年净固碳量分别为544．0和559．4 gC·m-2,与CO2年净交换吸收碳量(分别为63．1和74．9 gC·m-2)基本趋势一致．     

青藏高原低气压条件下高寒草甸群落光量子效率对温度的响应

以2003年生长季在西藏当雄草原站用涡度相关法连续观测的CO2通量数据为基础,利用低光强下净生态系统碳通量(NEE)与光合有效辐射(PAR)的线性响应关系反算了高寒草甸群落光量子效率(α),并分析了低气压条件下群落α值对温度的响应规律.结果表明群落α值随温度的上升总体上线性降低,与C3植物叶片水平的研究结果相似,但随温度下降的梯度随生长季有逐渐增大的趋势.生长季初期冠层温度每升高1℃,群落α值的平均下降量约为0.0005 μmolCO2·μmol-1 PAR,生长季末期α值随温度的下降量增为0.0008 μmolCO2·μmol-1 PAR.相对于直角双曲线法,采用本文中的计算方法得到的群落α值在数值上偏小.但这种方法在深入分析群落α值与温度等环境因子的关系方面有其自身的优势.     

北太平洋对人为二氧化碳吸收的数值模拟

采用一个开边界海盆尺度环流模式研究人为CO2在北太平洋的吸收和分布,并与闭边界模式的模拟结果进行了比较.模拟结果表明,西北太平洋和赤道东太平洋是两个重要的人为CO2汇.使用较大的等密度面扩散系数使得西北太平洋人为CO2通量增大,而赤道海区通量减小（RUN2）.与闭边界模式相比,开边界模式中该两个区域的人为CO2通量都增加了.1800～1997年间,北太平洋共吸收人为CO2 2375GtC(1Gt=1×1015 g, RUN1).副极地海区是人为CO2的一个重要输出区,能输出人为CO2吸收量的38％～54％,而20°N～30°N海区是人为CO2的一个重要贮存区,占整个北太平洋的24％.开边界对于10°N以南太平洋吸收和贮存人为CO2有很大影响.与基于观测资料的估计相比,虽然模式低估了西北太平洋的人为CO2的穿透,高估了东北太平洋的人为CO2的穿透,但总的说来,模式比较好地估计了人为CO2在北太平洋的贮存.     

二氧化碳柱浓度的卫星反演试验及地基验证

基于最优估计理论,采用LBLRTM和VLIDORT辐射传输模式以及包含Line Mixing效应的aer_v_3.2数据库,构建了一套短波红外高光谱卫星反演XCO2的算法.利用该算法试验了Line Mixing效应对卫星反演结果的影响,对GOSAT卫星观测光谱数据进行了系统性试验反演,并利用选取的TCCON站点一年中的匹配观测资料进行了地面验证,同时与GOSAT卫星官方L2B产品进行了比对.试验表明,忽略Line Mixing将系统性低估约0.25%的CO2柱浓度.在气溶胶光学厚度小于0.3的大气条件下,本文反演算法反演结果与GOSAT官方数据产品精度接近,与地基观测值相差小于1%,而高浓度气溶胶背景下卫星反演CO2浓度的有效方法仍有待于突破.     

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.     

复杂地形条件下森林植被湍流通量测定分析

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红壤丘陵区亚热带人工针叶林2倍和3倍冠层高度CO2等湍流通量进行了长期观测.采用谱分析、方差相似性关系和能量平衡闭合分析3种测试手段对2003年千烟洲人工林两个高度的湍流通量测定数据质量进行了分析.研究结果表明:(ⅰ)两个测定高度的三维风速,CO2,H2O和温度的功率谱在惯性子区内基本符合-2/3定律,而CO2,H2O和温度与垂直风速的协谱在惯性子区内也基本符合-4/3定律.谱分析表明大尺度运动对物质和能量传输的贡献随测定高度的增加而增加,也表明不同高度的涡度相关系统对高频信号的响应能力是满足观测要求的.(ⅱ)根据莫宁-奥布霍夫相似理论的分析表明,两个高度的垂直风速和温度归一化的方差都是大气稳定度的普适函数.夜间垂直风速的归一化方差与莫宁-奥布霍夫相似函数预测值的偏离和低估量是摩擦风速的函数.千烟洲人工林夜间湍流通量测定适宜的摩擦风速界限值应该为0.2~0.3ms?1,保证涡度相关测定处于较强湍流条件下,排除或降低非湍流通量成分的影响.(ⅲ)当摩擦风速大于界限值时,千烟洲人工林能量平衡闭合程度可以达到大约72%~81%左右,与文献报道的10%~30%不闭合度是相一致的.影响能量平衡的因素多,包括对通量测定有影响的