湖泊蒸发观测与计算方法研究进展

湖泊蒸发是连接湖泊水分循环与能量平衡的关键纽带之一,认识湖泊蒸发过程对于理解湖-气间相互作用机制十分重要。然而,由于湖泊的形态结构、地理位置和气候背景不同,各湖泊在不同时间尺度上的蒸发特征不同。湖泊蒸发存在复杂的物理驱动过程、时间尺度相关的反馈以及空间异质性。准确地捕捉并量化湖泊蒸发过程,仍是湖沼学、水文学和气象学等学科的重要研究内容。本文首先介绍了湖泊蒸发的主要观测手段,然后概述了湖泊蒸发在日内、季节、年际、年代际四种不同时间尺度的变化特征;梳理了不同时间尺度各要素对湖泊蒸发的影响,以及湖泊蒸发与湖泊面积和深度等形态结构特性及纬度和海拔等地理因素之间的关系;对自涡度相关技术等高精度仪器应用以来的湖泊蒸发研究进展做出了总结。     

北京城区二氧化碳浓度和通量的梯度变化特征——I浓度与虚温

根据北京塔7层涡动系统2012年5月至2013年12月的湍流观测数据,分析了北京城区二氧化碳浓度在不同高度层次的日变化和月变化特征,并初步给出不同季节和日变化时间段内二氧化碳的浓度垂直廓线.结果表明:二氧化碳浓度整体随高度而下降;各观测层均有浓度的明显日变化,夏季最为明显,冬季相对平缓;近地层浓度直接受城市供暖、地表植被、交通运输等碳源影响,更高观测层浓度则受对流输送和天气过程影响较大;垂直方向上,冬季浓度变化范围最大,夏季层间浓度变化最明显;在一天中的任何时刻,近地面层二氧化碳浓度的日变化最低值一般出现在夏季,50m以上则出现在春季,浓度最高值总是出现在冬季;根据对二氧化碳浓度四季垂直廓线变化的分析可以看出,边界层二氧化碳浓度强烈受到碳源、下垫面植被、大气稳定度、环境温度和天气过程等因素的影响.     

西北内陆河流域典型生态系统通量数据空间代表性研究

涡度通量数据的空间代表性问题是影响其数据质量不确定性的重要原因。选取了我国西北地区具有代表性的四个通量观测站生长季数据,采用FSAM模型对各站点通量贡献源区范围以及通量贡献最大值点进行了计算,给出了在不稳定与稳定两种大气层结条件下各站点源区的主要分布范围(P=80%):盈科站源区范围相对最小(90~200 m);阿柔站源区范围约为(120~140 m);关滩站源区范围约为(500~600 m);敦煌站源区范围约为(140~280 m)。同时结合各站点仪器架设高度以及不同的下垫面生态环境等因素,对通量源区的变化进行了初步分析,仪器的架设高度直接影响涡度源区范围;不同的下垫面生态环境形成不同的近地面湍流状态进而对通量源区的分布产生间接影响。结果表明各站点观测的通量信息基本均来源于所感兴趣的研究区域。     

Effects of different gap filling methods and land surface energy balance closure on annual net ecosystem exchange in a semiarid area of China

Based on eddy covariance measurements over two kinds of land surfaces(a degraded grassland and a maize cropland)in a semiarid area of China in 2005 and 2008,the effects of different gap filling methods,energy balance closure and friction velocity threshold(u*)on annual net ecosystem exchange(NEE)were analyzed.Six gap filling methods,including mean diurnal variation(MDV),marginal distribution sampling(MDS),and nonlinear regressions method,were investigated by generating secondary datasets with four different artificial gap lengths(ranging in length from single half-hours to 12 consecutive days).The MDS generally showed a good overall performance especially for long gaps,with an annual sum bias error less than 5 g C m-2 yr-1.There was a large positive annual sum bias error for nonlinear regressions,indicating an overestimate on net ecosystem respiration.The offset in the annual sum NEE for four nonlinear regressions was from 8.0 to 30.8 g C m-2 yr-1.As soil water content was a limiting factor in the semiarid area,the nonlinear regressions considering both soil temperature and soil water content as controlling variables had a better performance than others.The performance of MDV was better in daytime than in nighttime,with an annual sum bias error falling between-2.6 and-13.4 g C m-2 yr-1.Overall,the accuracy of the gap filling method was dependent on the type of the land surface,gap length,and the time of day when the data gap occurred.The energy balance ratio for the two ecosystems was nearly 80%.Turbulent intensity had a large impact on energy balance ratio.Low energy balance ratio was observed under low friction velocity during the night.When there was a large fetch distance in a wind direction,a low energy balance ratio was caused by mismatch of the footprints between the available energy and turbulent fluxes.The effect of energy balance correction on CO2 flux was evaluated by assuming the imbalance caused by the underestimation of sensible heat flux and latent heat flux.The results showed an average increase of 10 g C m-2 yr-1 for annual NEE in both ecosystems with an energy balance correction.On the other hand,the u*threshold also have a large impact on annual sum NEE.Net carbon emission increased 37.5 g C m-2 yr-1 as u*threshold increased from 0.1 to 0.2 m s-1,indicating a large impact of imposing u*threshold on net ecosystem carbon exchange.     

西北干旱区荒漠生态系统通量贡献区模型研究

涡度相关仪通量值所代表的通量贡献区范围,对于通量观测塔的选址、仪器安装高度的确定以及通量观测数据的质量控制等具有重要的指导意义。利用通量贡献区模型对位于古尔班通古特沙漠试验场通量观测资料的空间代表性进行初步分析。结果表明：该荒漠区在大气稳定条件下90%的通量贡献区最远可以达到686.40 m,通量贡献函数最大点的位置在162.50 m;大气稳定时各风向的通量贡献区范围在生长末期均达到最大,生长初期和中期的源区变化因受到各风向风速和植被下垫面的影响而有差异;大气不稳定时不同生长时期各风向通量贡献区没有固定变化规律;通量源区大约有58.71%的信息来自于荒漠区通量观测塔西南至西北方,整个生长季生长末期通量贡献最多,所占比例为40.16%。由FSAM模型测得的通量贡献区范围可以较准确地反映荒漠生态系统下垫面的通量信息。     

论相对点位精度的合理评定

按现行方法求得的相对点位精度由于未顾及起始数据误差的影响 ,且非实际所需评定的相对点位精度 ,因此并不客观、可靠。本文所提出的协方差基准的概念 ,用来定义相对点位精度和绝对点位精度有其客观性和实用性 ,协方差基准作为控制网点精度的参考基准 ,并不重合于网点坐标的参考基准—坐标基准 ,而可按应用的需要 ,方便地进行协方差基准转换。本文提出了合理评定相对点位精度的新方法 ,并用高精度工程控制网的实测数据进行了分析验证     

GPS网平差观测量选取的理论分析

由多台GPS接收机在不同时段进行静态观测而组成的观测网形,当采用高精度的科研软件与常用商用软件解算基线时,其基线向量的方差阵不同,前者的方差阵结构是完全的、严密的。同时,在进行GPS网平差时,选取GPS基线的方式及数量的不同,构造的网形也就不同,采用不同的数学模型其得到的平差结果和精度指标也不相同。文章先从理论上进行分析,后用示例进行比较论证。     

Air-sea carbon-dioxide flux estimated by eddy covariance method from a buoy observation

Precise measurements of the CO2 gas transfer across the air-sea interface provide a better understanding of the global carbon cycle.The air-sea CO2 fluxes are obtained by the eddy covariance method and the bulk method from a buoy observation in the northern Huanghai sea.The effects of buoy motion on flux calculated by the eddy covariance method are demonstrated.The research shows that a motion correction can improve the correlation coefficient between the CO2 fluxes estimated from two different levels.Without the CO2-H2 O cross-correlation correction which is termed as PKT correction,the air-sea CO2 fluxes estimated by eddy covariance method using the motion corrected data are nearly an order of magnitude larger than those estimated by the bulk method.After the CO2-H2 O cross-correlation correction,some eddy covariance CO2 fluxes indeed become closer to the bulk CO2 flux,whereas some are overcorrected which are in response to small water vapor flux.     

荒漠河岸林涡度相关通量测定中平均时间的确定及其对通量计算的影响

极端干旱区在全球生态系统中具有重要的地位而越来越被人们所重视。涡度相关技术是研究极端干旱区生态系统水热和CO2交换的有力工具之一。而涡度相关数据在实际应用中需要根据研究区的实际情况选择适宜于该地区的采样和计算参数（如采样频率和平均时间等）。根据2011年9月22日～10月8日（17个白天）原始数据（采样频率为10 Hz）,采用不同平均时间（1～120 min）对塔河下游柽柳河岸林生态系统的潜热通量[（LE）]、感热通量[（H）]和CO2通量[（Fc）]进行了重新计算,比较分析各通量不同平均时间的计算值与30 min通量值,以揭示平均时间对该地区通量计算结果的影响。结果发现：（1）平均时间在120 min以内,17个白天湍流通量及能量平衡比率[（EBR）]均值随平均时间的延长而增大,当平均时间>120 min后,湍流通量（及[EBR]）均值随平均时间的延长大幅减小,其中15～60 min的[EBR]增幅较小,仅在2%左右。（2）平均时间>60 min后,[LE]、[H]和[FC]各通量计算值发生了不同程度的变异。通过进一步对上午[EBR]较为接近的5个样本日进行对比分析,发现当平均时间取15～60 min之间时,样本日的上午[EBR]值变化趋势一致,样本日间[EBR]差异较小;而当平均时间取>60 min或<15 min时,样本日间[EBR]差异明显增大。结合Ogive函数计算分析,我们的结论是,对于通量的长期观测研究而言,该地区适宜平均时间为60 min;而对通量的日变化研究而言,该地区适宜平均时间为15 min。通过分析15、30和60 min平均时间对小时通量的影响,发现当通量为增加趋势时,平均时间延长能够进一步增大通量绝对值,而当通量为减小趋势时,平均时间延长能够进一步减小通量绝对值。