仪器表面加热效应对临泽站开路涡动相关系统CO_2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6.81W.m-2和2.68W.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0.24W.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313.21mg.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、0.33W.m-2、12.86μg.CO2.m-2.s-1和161.58mg.C.m-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25.85g.C.m-2和88.47g.C.m-2。

基于涡动相关系统的水稻需水规律研究——以云南省楚雄州蜻蛉河灌区为例

以水稻为研究对象,利用涡动观测设备采集数据,采用Eddypro软件计算云南省楚雄州蜻蛉河灌区水稻各阶段的需水量并拟定该灌区水稻灌溉制度。结果表明:用涡动观测系统计算的水稻需水量与灌溉试验站试验资料接近,拟定的水稻灌溉定额与云南省《用水定额》标准十分接近。

科尔沁沙地沙丘生态系统水热通量特征及影响驱动因子

以科尔沁沙地的典型沙丘区为研究对象,利用涡动相关系统(EC)持续监测沙丘生态系统2013~2022年的表面能量通量数据,采用普通最小二乘线性回归法(OLS)和表面能量平衡比率(EBR)两个指标评估能量平衡闭合度,对沙丘生态系统生长季(4~10月)能量通量的日变化、季节变化以及年际变化进行分析,并计算波文比(β)和能量平衡比,探讨了影响潜热通量(LE)、感热通量(H)和土壤热通量(G)变化的环境因素.结果表明:多年平均年净辐射(R_(g))为1592.77MJ/m^(2),其中H、LE和G分别为614.60,636.22和117.76MJ/m^(2),科尔沁沙地沙丘生态系统年能量的主要组成部分为潜热通量,占总能量的40%.β日动态曲线呈单峰变化,波动相对较平缓.各年年均表面能量平衡比率(EBR)介于0.75~0.90之间,多年年均EBR为0.87,说明能量平衡闭合度的残差为13%.研究表明饱和水汽压差(VPD)是影响能量通量的主要因素,其次是空气温度(T_a)和土壤温度(T_s),均与能量通量呈显著正相关;而植被对能量通量的影响表现在LE与叶面积指数(LAI)呈正相关,而H相反.

涡动相关系统和小孔径闪烁仪观测的森林显热通量的异同研究

涡动相关系统和闪烁通量仪都是评价局地到区域尺度的地表显热通量的有效途径。以ChinaFLUX千烟洲人工林生态系统2倍和3倍冠层高度的2套涡动相关(EC)系统和通量塔及其东偏南方向距离通量塔约70 m处1.2倍冠层高度安装的1套小孔径闪烁通量仪(SAS)为基础,重点对比分析了EC系统和SAS系统观测的显热通量的异同。研究表明,2倍和3倍冠层高度EC系统与SAS系统的显热通量的观测值有非常好的相关关系与一致性。在季节尺度和日尺度上,在降水正常的季节里SAS测定的显热通量值高于2倍和3倍冠层高度EC系统的测定值。但是在干旱胁迫条件下,SAS测定的显热通量低于2倍和3倍冠层高度EC系统的显热通量值。按16方位风向进行的相关分析表明,以南到南偏西和北偏东到东偏北2个与盛行风向垂直的方位相关性最高。在白天条件下,2倍和3倍冠层高度EC系统与SAS测定的显热通量值均显示出较高的相关性。但夜间无论是2倍还是3倍冠层高度EC系统与SAS测定的显热通量值之间相关性均很低。EC系统与SAS观测的显热通量的差异主要与通量覆盖区的差异以及各自的局限性有关。

船载涡动相关观测系统及其有效性研究

涡动相关法是海-气间热量、物质与能量交换通量观测的标准方法,但其在船基平台上的应用非常困难。通过由光纤罗经和高精度差分GPS组成的船体运动姿态监测系统与涡动相关系统相结合,本文建立了新型的船载涡动相关观测系统。利用船体运动姿态监测系统的观测数据,可由Edson提出的船体运动校正公式计算出真实的三维风速,因此可以准确获得三维风速脉动的观测。采用这种新型的观测系统,我们在渤海进行了试验观测,对实测湍流能谱与其它湍流特征参数的分析结果显示,该系统可以有效去除船体运动对海-气间交换通量观测的影响。不同海况下校正前后湍流强度和动量通量的比较结果显示,在4~5级海况下,校正前的湍流强度的平均值比校正后的大20%,而校正前的动量通量的平均值约为校正后的2倍。这表明,在较高的海况下,使用船体运动姿态监测系统对实测的三维风速进行校正非常必要。这种新型的观测系统使得海-气间交换通量的精确观测成为可能。

2012-2015年河西走廊中部绿洲农田生态系统水热碳通量观测数据集

陆地生态系统与大气间水分、热量和二氧化碳交换过程是陆地表层物质与能量交换的核心内容。涡动相关系统已成为当前测算陆地生态系统水热碳交换过程的首选方法之一。本数据集是中国通量观测研究联盟(ChinaFLUX)临泽内陆河流域研究站点河西走廊中部绿洲农田生态系统2012–2015年的水分、热量和二氧化碳通量,以及辅助微气象观测数据集。本数据集为深刻理解干旱区绿洲农田生态系统水分传输、能量交换、碳循环过程及其植物与环境调控机理提供了关键基础数据,对深入认识干旱区绿洲水文循环、生态–水文相互作用和气候变化中的碳水热耦合机制等具有重要科学价值。本数据集也可为干旱区绿洲水土资源管理、绿洲稳定与可持续发展、绿洲生态保护等干旱区所亟待解决的水资源短缺和生态环境脆弱等现实问题提供科学数据支撑。

科其喀尔冰川表碛区空气动力学粗糙度分析

基于冰川表碛上的空气动力学粗糙度z0是表征表碛上空气动力学性质和估算其上能量平衡中的重要参数,利用科其喀尔冰川3号观测站涡动相关系统的2009年观测数据,采用无因次化风速法,对其表碛上冰川消融前期和消融期的z0进行了分析。结果表明,在冰川消融前期z0为0.101 m,消融期z0值在0.093~0.098 m之间,表明积雪对z0的影响显著;大气处于不稳定层结时,z0值较大,处于稳定层结时,z0值较小;风速不变时,z0随摩擦速度的增大而增大;摩擦速度不变时,z0随风速的增大而减小。

植被对亚热带城市生态系统CO_2通量的影响

城市是陆地生态系统的主要碳源,而城市植被是城市区域缓解人类活动所释放的二氧化碳的主要碳汇,但对城市植被对城市大气二氧化碳的影响方面的研究比较缺乏,尤其是发展中国家。发展中国家多数处于亚热带气候区,且发展中国家城市化进程较快,为推进不同生态系统类型碳循环的研究,该研究以位于中国东南部的上海市奉贤大学城为案例,研究该区域植被对亚热带城市生态系统CO_2通量的影响。使用上海市奉贤大学城的涡动相关通量观测站点所观测和记录的2016年10月1日至2017年9月30日共计12个月的通量,气象数据结合遥感数据分析了该研究区的CO_2通量动态特征及其影响因子,主要结论是:(1)整个生态系统全年CO_2通量总交换量为9664.06μmol m^(-2)a^(-1)即表现为碳源。CO_2通量增长率在2017年5月6日达到最低为-4.48μmol m^(-2)d^(-1)在2017年7月30日的CO_2通量增长率为0,在2017年8月30日达到最高为2.24μmol m^(-2)d^(-1),生长季CO_2通量交换量为2169.58μmol m^(-2)月^(-1)低于非生长季的CO_2通量交换量(7494.48μmol m^(-2)月^(-1));(2)不同风区的CO_2通量特征不同,主要表现为随着植被面积的上升CO_2通量有下降的趋势,生长季CO_2通量均值的最低值出现在西北风区为0.09μmol m^(-2)s^(-1);(3) CO_2通量与叶面积指数呈现负相关关系,即随着叶面积指数的上升CO_2通量有下降的趋势。植物的生长状况和其生理活动影响亚热带城市生态系统的碳循环过程,该研究可以为量化城市植被对大气二氧化碳的影响提供参考,同时为亚热带地区建设绿色低碳城市提供服务。

气温变化对温带混交林生态系统CO2通量的影响

森林是陆地生态系统的主要碳汇。由于植物自身独有的生长特性,其生长状况和生理活动对气候变化的响应会影响森林生态系统碳循环过程。该研究以国际通量网(FLUXNET)注册站点,哈佛森林通量观测塔记录的2000—2012年局域尺度CO2通量和气温观测数据为基础,结合物候模型,分析气温变化对温带森林生态系统CO2通量的影响。结果表明:(1)2000—2012年NEE的最大值为298.13 g·m^-2·a^-1,出现在2010年,除2010和2011年之外,其它年份的年NEE均为负值。(2)NEE、GPP和气温与物候模型的拟合效果较好(R 2>0.8),显示温带混交林森林生态系统光合作用稳定期主要集中在夏季,植被生长状况是温带混交林森林生态系统碳循环的主导因素。(3)气温的变化量时间点(最大点、最小点和0点日期)与NEE、GPP的变化量时间点(最大点、最小点和0点日期)的线性拟合结果显示,气温与CO2通量存在显著的正相关关系(P<0.01),气温的变化影响温带混交林生态系统碳循环过程。

广州番禺地区草地陆气相互作用观测研究

介绍了2004年在广州番禺进行的陆气相互作用观测试验。观测研究表明：新型的超声风温仪虽然带有雨滴鲁防护沙网，但雨滴对超声观测的误差影响显著，尤其是对u，w方向。雨天情况下（δa/U＊）^3与z／L相关系数很低，湍流强度与稳定度不存在1／3次方关系。涡动相关法和能量平衡法计算的感热通量及潜热通量比较接近，感热、潜热通量相关系数分别达到0．8699和0．8633，两种方法带来的误差主要发生在近地层稳定度发生明显变化的时刻，即在午间热通量的峰值或傍晚或晚间热通量的低值，其中能量平衡法计算的感热、潜热普遍具有较大的正负峰值。涡动相关法计算的Qh＋Qe普遍偏小，与可用能量Rn-Qg多数情况下存在能量不平衡，说明了忽略热存储项的地表能量平衡方程的局限性。番禺夏、秋季近地层各能量具有与太阳辐射相似的日变化特征，但夏季的潜热大于感热，而秋季则相反。近地面二氧化碳从5—8月是一个减低过程，尔后上升到12月份浓度最高，总体浓度值在350×10^-6～400×10^-6之间变化。

黄土高原影响LAS观测感热通量的物理因素分析

利用2010年1月和6月黄土高原定西和庆阳两站大孔径闪烁仪(LAS)的观测数据,结合涡动相关系统(EC)、辐射观测、梯度塔等观测系统的同步观测资料,分析了不同下垫面LAS和EC观测感热通量的时空差异及其与下垫面净辐射、风向、风速和稳定度等物理量的关系。结果表明,LAS和EC观测感热通量值之间的差异(HLAS-HEC)大小与下垫面的不均匀性有关,相对复杂的下垫面HLAS-HEC较大。净辐射Rn是感热通量的主要驱动因子,HLAS-HEC在生长季大于非生长季,并与Rn成正相关。风向对LAS和EC观测感热通量值有显著影响。对流边界层低频涡旋的存在导致EC通量统计值偏低,HLAS/HEC随着风速的增大而减小,随着稳定度z/L的增大而增大。

黄土高原大孔径闪烁仪观测特征量T_＊的研究

基于黄土高原定西站2009年9月大孔径闪烁仪(LAS)的观测数据,结合涡动相关系统(EC)和梯度塔的同步观测资料,分析了LAS和EC在测量感热通量过程中的温度特征尺度T*及其差异与近地层气象要素风向、位温梯度和稳定度等的关系。结果表明,黄土高原下垫面LAS测量的T*LAS和EC测量的T*EC有很好的相关性,相关系数达到0.955,拟合的线性趋势系数是1.482。对9月进行风向统计,主风向为NNE和SE,NNE风向上T*LAS和T*EC的相关系数是0.960,拟合的线性趋势系数是1.349,SE风向上T*LAS和T*EC的相关系数是0.968,拟合的线性趋势系数是1.619,风向对T*有显著影响。位温梯度与T*呈很好的线性相关关系,T*LAS相较于T*EC与位温梯度有更好的相关性。当稳定度z/L<1.5时,T*LAS/T*EC随着z/L的增大而减小;当z/L>1.5时,T*LAS/T*EC随着z/L的增大而增大。T*LAS/T*EC的变化范围随着z/L的增大逐渐变小,当z/L增大到4后,T*LAS/T*EC开始保持较小的变化范围。

稳态与湍流特征测试对通量数据质量的评价

应用CO_2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。

橡胶林湍流数据质量评价研究

利用国际上通用的湍流稳态测试及垂直风速湍流整体性检验相结合的湍流数据质量综合评价方法,对农业部儋州热带作物科学观测实验站2010年全年橡胶林生态系统利用涡度相关法观测的感热通量、潜热通量和CO2通量3类数据进行质量评价.结果表明：橡胶林生态系统湍流通量数据质量相对较高,对全年数据进行综合评价中,3类通量数据中高质量数据占比在52％ ～63％,仅有10％～16％之间数据质量较差;感热通量数据最优,CO2通量次之,潜热通量更次之;3类数据中,除潜热通量数据是雨季略好于旱季外,另2类数据均是旱季好于雨季;湍流数据质量白天优于夜间.通过数据质量评价可知,利用涡度相关法对橡胶林生态系统湍流通量观测可行,数据可靠,所得数据可用于研究.

三江源地区冻土/非冻土期近地层能量平衡特征及其影响因子分析

利用三江源地区2018年1-12月涡动相关系统的观测数据,分析该地区冻土/非冻土期内各能量分项支出分配特征和能量平衡闭合率及其影响因子,以揭示其能量平衡特征。结果表明:显热通量、潜热通量、土壤热通量变化趋势与净辐射相似,且在年尺度、日尺度上具有典型的单峰型变化,但潜热通量、土壤热通量的峰值出现时间具有滞后性。非冻土期内,显热、潜热支出以及土壤吸收的热量占总能量的比例分别为0.38、0.37、0.10;而在冻土期内,上述各能量的支出比分别为0.54、0.19、-0.01。全年能量平衡闭合率为0.69,能量平衡闭合率在冻土期和非冻土期内分别为0.63、0.74。三江源地区冻土期内显热支出为主要能量消耗方式,且在该时段内影响能量平衡闭合率的因素主要是湍流动力因子;非冻土期的能量消耗方式为潜热和显热,热力和动力因子均对能量平衡闭合率产生影响。

考虑植被盖度的城市蒸散发模拟研究

基于城市涡动相关系统每30分钟蒸散发数据,结合足迹源区分析及研究区域遥感数据,获取源区植被盖度,构建基于随机森林的蒸散发模拟方法。将此模拟方法应用于涡动系统空缺值插值,并探究深圳干湿季蒸散发的主要控制因子,得到如下结论。1)与不考虑植被盖度的随机森林模型及边际分布抽样算法(MDS)相比,考虑植被盖度的随机森林模型可以更高精度地模拟城市蒸散发。与实测数据相比,模型的R2=0.73,RMSE=20.5 W/m^(2),MAE=13.3 W/m^(2),pbias=0.8%。2)对湿季日间较高蒸散发时期的空缺值进行插值,考虑植被盖度的随机森林模型显著优于MDS模型。与实测数据相比,MDS插值模型低估12.4%,而随机森林模型低估4.7%。3)深圳湿季期间,植被盖度是蒸散发的主要控制因素。在干季,温度、净辐射以及饱和蒸气压差是蒸散发的主要控制因子。

复杂下垫面下不透水层的CO_2通量足迹分析——以上海市奉贤大学城为例

城市是重要的二氧化碳排放源,研究城市区域CO_2通量与复杂城市下垫面之间的关系有助于深入了解城市碳循环特征.本文基于城市涡动相关系统的通量数据和气象数据,结合研究区CO_2通量信息和土地覆被信息,依据ART(Agroscope Reckenholz Tanikon)Footprint Tool模型(基于Kormann Meixner(KM)模型计算足迹),探讨了城市复杂下垫面尤其是不透水层对于CO_2通量足迹的影响.结果发现,研究区CO_2通量变化范围在2015年5—8月为-6.44~4.62μmol·m-2·s-1,其中,5月和6月均出现CO_2通量最大值(4.62μmol·m-2·s-1),8月出现CO_2通量最小值,为-6.44μmol·m-2·s-1.风向是影响CO_2通量足迹的主要要素,5—8月CO_2通量足迹的范围主要在距离观测塔600 m以内,集中于东南方向,这与此期间盛行东南风有关.研究表明,不透水层的类型会影响CO_2通量的贡献率,距离观测站600 m以内的不透水层的CO_2通量贡献率最大为46.9%,最小为1.5%;其中,建筑的CO_2通量贡献率最大为70%,最小为0.08%,道路的CO_2通量贡献率最大为23.7%,最小为2.92%;不透水层的面积也会影响CO_2通量贡献率,道路的CO_2通量贡献率会随着不透水层面积的增加而增加,呈正相关关系.

遥感GPP模型在高寒草甸的应用比较

随着遥感数据时空分辨率的提高,大范围实时监测总初级生产力GPP(Gross Primary Productivity)的变化成为可能。本研究收集了黑河流域阿柔冻融观测站的气象观测资料和MODIS数据,驱动VPM、TG、VI和EC-LUE4个模型估算了该站点的GPP,并应用涡动相关观测的GPP验证了模拟结果,并比较了这4个模型的模拟精度。结果表明:阿柔站2009年的涡动相关观测的GPP、NEE(Net Ecosystem Exchange)和ER(Ecosystem Respiration)分别为:804.2gC/m2/yr、129.6gC/m2/yr和673.6gC/m2/yr。该站点光合作用固定的碳有83.8%通过生态系统的呼吸作用释放到大气中。基于遥感的GPP模型能够很好地模拟高寒草甸的GPP,全年的判定系数在0.94以上,生长季的判定系数大于0.84。

天山科其喀尔冰川区复杂下垫面CO2通量贡献区分析

大气湍流交换过程中CO2有效源（汇）区域即CO2通量贡献区,在冰川作用区不仅受到水化学侵蚀强度的影响,还受区域微气候的影响,另外,动态的下垫面和复杂地形也增加了实际监测的不确定性。为了评估冰川区CO2通量监测结果的空间代表性,在西天山南坡科其喀尔冰川表碛区利用涡度协方差观测系统进行观测,同时,结合基于KM足迹模型基础上开发的ART Footprint Tool足迹软件对通量贡献区进行分析,结果表明：（1）积雪积累期主风向以NW为主,风向频率占53.31%;积雪消融期和冰川消融初期NW向主风减少,偏北的NNW风逐渐增多,但冰川消融峰期后又逐渐过渡为NW风向。（2）积雪积累期雪冰融水几乎消失,但大气CO2通量平均为-0.07 g·m^-2·d^-1,尤其是白天为-0.88 g·m^-2·d^-1,仍呈没收现象,是由于白天较强辐射下,少量积雪融水引起可溶性物质淋溶过程中水化学反应没收大气CO2所致;而夜间冰川消融峰期CO2通量值平均为0.33 g·m^-2·d^-1,呈释放CO2现象,这可能与夜间区域降温及降水过程中溶解的CO2因地表蒸发返回大气所致。（3）通量贡献率80%以上的各期0.5 h数据占比依次为：积雪积累期（95.80%）〉积雪消融期（93.28%）〉冰川消融峰期（86.13%）〉冰川消融初期（81.88%）,而足迹最远点分布距离顺序与前者几乎相反,但均分布在主风向下的冰川中流线上,说明对CO2通量监测值有显著影响的贡献区比较集中,也意味着冰川末端及两侧山脊草地CO2通量变化的影响可以忽略。（4）白天在大气稳态条件下,贡献区解释的CO2通量为（78.55±2.08）%,略高于夜间的（77.72±1.41）%,但显著低于非稳定条件下白天（89.86±0.22）%和夜间（89.45±0.57）%的解释结果,进一步验证了CO2通量贡献区比较集中。