基于涡动相关技术的森林生态系统二氧化碳通量研究进展

森林生态系统是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,森林对大气二氧化碳(CO2)浓度具有重要的调节作用,开展森林生态系统碳循环研究对更好地了解生物地球化学过程和应对全球气候变化具有重要的科学意义和应用价值。涡动协方差/涡动相关技术是目前应用最广泛的森林生态系统CO2通量观测技术。讨论了基于该技术的森林生态系统CO2通量研究的部分代表性成果,总结了当前森林生态系统CO2通量的主要研究成果并对未来研究提出展望。目前,森林生态系统CO2通量的研究主要集中于:①森林生态系统的碳源/汇估算;②CO2通量观测源区/足迹的计算;③CO2通量动态特征的提取及其环境影响因子;④基于统计模型的森林生态系统物候特征参数的提取;⑤基于机理模型的气候系统对森林生态系统碳循环的影响。主要结论为:森林生态系统是陆地生态系统的重要碳汇,在对森林生态系统进行CO2通量观测时需对其通量源区的空间代表性进行检验,森林生态系统碳源/汇状态受到树龄、降水和土壤含水量等因素的影响,空气温度是森林生态系统碳循环的重要影响因子。未来森林生态系统CO2通量研究应该集中于提高通量足迹模型计算精度,讨论不同林分对大气CO2的贡献强度。结合气候系统模型和生态生理模型建立植物生理过程参数化模型、预测气候变化对森林碳交换的影响。区域-全球尺度森林生态系统CO2通量研究未来将关注多站点通量,气象数据长时间序列的整合分析,讨论CO2通量气候态特征与碳源/汇的空间格局,更好地了解全球陆地生态系统碳循环机制。

西北太平洋船载海面风速脉动资料校正及湍流特征分析

对西北太平洋海域2005年9—11月"东方红Ⅱ"船载风速脉动资料的功率谱分析发现,在频率区间0.06—0.26Hz普遍存在一个由于船体晃动而产生的异常峰值,本文提出了一种消除船体晃动干扰的滤波校正改进方法。校正方法数据处理步骤如下:在双对数坐标系下,利用受干扰频率区间前后的功率谱密度值,线性拟合得到该区间内的功率谱趋势线;然后利用原始功率谱和趋势线反演得到受干扰频率区间的校正功率谱;最后通过傅里叶逆变换得到校正后的海面风速脉动资料序列。通过对校正后风速脉动资料湍流特征量的分析表明了该方法用于校正船体晃动对船载海面风速脉动观测影响的可行性。观测期间西北太平洋海区大气多处于热力作用较强的弱不稳定及不稳定条件,无量纲风速标准差与稳定度参数z/L之间能很好地符合1/3次方定律;各方向湍流强度分别为0.091、0.076、0.043;拖曳系数约为(1.30±0.26)×10 3,与他人在该海域的观测结果类似。

几种通量资料修正方法的比较

涡动相关法是利用脉动观测直接计算湍流通量的方法,被认为是目前最好的测定地表通量的技术方法,但如果使用不当或没有进行必要的校正,通量计算所产生的误差和不确定性就会很大。以中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黄河源区气候与环境综合观测研究站的观测资料为例,对涡动相关法观测通量资料使用中质量控制的几个关键过程进行对比分析。结果表明,经过二次坐标旋转与三次坐标旋转之后的感热通量差异不是很大;经过三次坐标旋转之后的潜热通量较为离散,而二次坐标旋转之后的潜热通量更为合理;经过Schotanus虚温修正与未修正的感热通量最大差值达到10 W·m-2以上,差值最大约占未修正感热通量的10%;潜热通量的WPL修正与LIU修正差异不是很大,二者的修正结果非常相似;计算得到的潜热通量修正项最大可以占未修正潜热通量的6%左右。

北京城市地区CO_2通量特征

城市CO2排放是全球大气CO2的重要来源.为探讨不同气象背景条件、土地利用方式和覆盖类型以及能源消耗方式对城市CO2排放的影响,利用北京325 m气象塔(39°58'N、116°22'E)上140 m高涡动相关仪监测的湍流数据,对2009年6月26日—2011年12月31日气象塔周边区域共919 d CO2通量的时间变化及方向分布特征进行了研究,并计算了CO2的年排放量.结果表明:CO2通量受交通因素影响明显,各季节CO2通量日间早、晚峰值出现时间与车流量高峰时间一致,该特征在冬季表现尤为突出.冬季取暖会显著增加CO2排放量;受供暖排放和植物休眠的影响,冬季CO2通量全天均高于其他季节,日均值为30.1μmol/(m2·s),显著高于春、夏、秋三季的15.2、17.9和15.8μmol/(m2·s)(t-test,P<0.001).CO2通量在不同方向的分布特征表明,其值与源区内人工建筑面积所占比例成正比;而在植被覆盖比例较高的方位,其CO2通量相应较小.气象塔周边区域CO2年均排放量达到30.0 kg/(m2·a),但仍小于伦敦的35.5 kg/(m2·a).

北京城郊地区二氧化碳通量特征

利用位于北京市顺义气象局45 m气象塔上36 m高度的湍流观测资料,对该区域2008年11月1日至2009年10月31日共365d的二氧化碳通量(CO2)的时间变化和各方位的分布特征进行了分析研究,并计算了CO2年排放量。结果表明,CO2受交通因素和居民日常生活排放的影响较小,冬季耗能取暖会显著增加CO2的排放量;受供暖排放和植物生长季节光合作用的影响,冬季的CO2通量值在全天绝大多数时刻均高于其他季节,其日平均值为15.6μmol m-2s-1,显著高于春、夏、秋季的日平均值5.6、5.7和8.8μmol m-2s-1(t-test,P<0.001)。各方向CO2通量值的大小与其源区内土地利用/覆盖方式以及建筑物的使用功能和使用性质密切相关,住宅楼、饭店、工厂、旅馆等人工建筑面积占比例越大,CO2排放量越大;而植被覆盖比例较高的方向CO2值较小。观测点周边区域是CO2的排放源,且年平均排放量达到13.6 kg m-2a-1,但低于同一时期北京市内高密度住宅区域的CO2年排放量。

降雨和非降雨日兴安落叶松天然林蒸腾及蒸散发特征

综合利用树干液流法和涡动相关技术,对大兴安岭北部寒温带兴安落叶松(Larix gmelinii)天然林的林木蒸腾(T)和生态系统蒸散发(ET)进行连续监测;采用边材面积对单木蒸腾耗水进行尺度扩展,分析降雨和非降雨日林木总蒸腾(T_(tot))及其蒸腾组分(优势木蒸腾T_d、中等木蒸腾T_i和劣势木蒸腾T_s)与生态系统ET的变化特征,探讨T_(tot)与ET对水汽压亏缺(VPD)和净辐射(R_n)变化的响应。结果表明:降雨和非降雨日各分化等级林木液流速率的日变化均呈典型单峰格局,且降雨日的T_(tot)(9.7mm)低于非降雨日(31.4 mm),同时T_d在降雨和非降雨日均明显高于T_i和T_s。降雨日的ET(24.7 mm)同样低于非降雨日(50.6mm),而潜热通量与同期R_n之比(31%)则高于非降雨日(25.1%),表明非降雨日的环境条件较有利于植物-大气界面的水汽通量交换。降雨日T_(tot)/ET、T_d/ET、T_i/ET和T_s/ET(分别为38.1%、27.2%、8.5%和2.4%)均低于非降雨日(分别为65.0%、45.5%、15.3%和4.2%),说明降雨日的ET以自由水蒸发为主,而非降雨日时则以T_d占优;同时,仅以优势木蒸腾耗水作为平均水平进行尺度上推易高估林分的蒸腾能力。总体上,T_(tot)与VPD、R_n的相关性均较ET的高,即T_(tot)对环境因子的响应略敏感;同时R_n与T_(tot)、ET的相关性均较VPD高,说明R_n是驱动生态系统水汽通量的首要条件。