应用涡度相关技术监测地表蒸发蒸腾量的研究进展

准确测定地表蒸发蒸腾量对于研究土壤-作物-大气系统内水循环及水资源优化管理等意义重大。测量蒸发蒸腾量的方法较多,但涡度相关法被公认为标准方法。本文简要回顾了涡度相关技术的发展历程与基本原理,概述了其优缺点,着重总结了耗水监测方面的重要成果,并从观测系统升级﹑方法改进及数据的空间拓展等方面探讨了今后的研究重点。

基于涡度相关技术估算植被/大气间净CO_2交换量中的不确定性

近年来,涡度相关技术的进步使陆地生态系统CO2通量的长期和连续观测成为可能。目前,涡度相关技术是全球通量观测网络(FLUXNET)测定植被/大气间CO2通量的主要技术手段,但绝大部分CO2通量观测站点都处于非典型的理想条件下,不能完全满足涡度相关技术的基本假设条件,从而导致基于涡度相关技术估算植被/大气间净生态系统CO2交换量的不确定性。系统介绍了涡度相关技术的基本假设,基本理论公式和误差的类型与特征等理论问题,重点阐述了通量测定中仪器本身的物理限制、二维和三维的气流运动、数据处理的方法和夜间通量的低估等不确定性的主要来源,并据此对通量观测研究中需要优先考虑的问题提出一些建议。研究认为数据质量控制与分析以及误差评价是不同通量站点间的结果比较和全球尺度综合分析的过程中需重点考虑的问题。

涡度相关技术实测农田的通量贡献区范围分析

基于涡度相关系统实测的北京地区2013—2014年冬小麦通量数据,采用FSAM和KL模型,分析了不同大气条件、不同风向、不同生育期通量源区范围的分布情况。结果表明,(1)整个小麦生育季,大气层结稳定和不稳定条件下,270°~360°方向风频所占比例最大,分别为42%和37%,为主风方向。(2)不同生育期、不同大气层结的主风向源区存在一定差异,大气层结稳定时,上风方向通量源区范围在16.07~167.05 m之间变化;大气层结不稳定时,上风方向通量源区范围在13.73~153.66 m之间变化。且大气层结稳定时的源区面积均比不稳定层结的大,源区面积随生育期呈先减小后增大的趋势;(3)从解析FSAM模型和拉格朗日KL模型的对比分析看,FSAM和KL模型估算距离观测点的最远距离分别为215.8和291.8 m,不同生育期2种模型估算结果也有差异。

基于涡度相关技术的徐州市城郊CO2通量特征研究

为探讨徐州市城郊特殊的土地利用、气象条件以及人类活动特征对CO2交换过程的影响,该文利用徐州市城郊涡度相关仪的观测数据,对2014年3月-2019年4月的CO2通量特征进行了研究。结果表明:该站点在2017-2018年的CO2年排放量约为1.35 kg m^-2 a^-1,是较弱的CO2源。由于不同季节的光合作用强度不同,CO2通量有“冬季>春(秋)季>夏季”的现象,夜间季均CO2通量值相近(3.5~4.2μmol m^-2 s^-1),白天季均CO2通量值差异较大(-3.7~1.8μmol m^-2 s^-1)。在交通量大的区域(观测站的北方),CO2通量受交通因素影响甚大,尤其在冬季较为明显;而在学校区域,CO2通量晚高峰推迟到21:00左右,受学生活动的影响明显。徐州市城郊CO2通量除受自然因素影响外,与土地利用、人类活动也密切相关。

涡度相关技术在农田生态系统通量研究中的应用

阐述了涡度相关技术的基本原理、观测特征及影响因素,综述了其在我国农田生态系统水热、碳通量的研究进展和模型模拟,分析了农田通量的变化特征,对应用涡度相关技术开展农田地表—大气间水、热通量交换观测所面临的问题进行分析,指出目前存在的主要问题是通量数据修正方法的选择、数据的质量保证、通量模拟模型的尺度转换,对其在农田生态系统的应用提出建议,认为观测数据处理分析、通量数据的校正与评价、模型开发、增加观测站点、尺度推演、长期观测是未来研究的重点。

开路与闭路涡度相关系统对森林生态系统甲烷通量观测的比较

作为涡度相关技术观测的两种主要技术手段,开路(OPEC)和闭路(CPEC)两种涡度相关系统在观测森林生态系统CH4通量过程中存在较大的不确定性,本研究利用OPEC和CPEC两种涡度相关系统,对黄河小浪底人工混交林CH4通量进行连续观测,选取生长旺季2016年7月24日-8月5日连续14d数据,对比两种观测系统的功率谱和协谱,估算闭路涡度相关系统的延迟时间,并分析其在连续晴天和连续雨天的通量观测结果。结果表明:CPEC系统的功率谱和协谱在所有频率上与OPEC系统基本一致,在惯性副区功率谱符合-5/3相似规律,协谱符合-4/3相似规律;以OPEC系统为"准"标准,CPEC系统观测CH4通量的延迟时间合适流速范围内的5个不同流速(40、37.5、35.5、33.5、31.5L·min-1)分别为4.6、7.7、5.3、10.8和14.3s,平均延迟时间为8~9s;与OPEC观测系统测定的CH4通量相比,CPEC系统观测结果晴天偏低12%;雨天高出32%。OPEC观测系统适用于晴天CH4通量观测。经校正,消除延迟影响后的CPEC观测系统可用于测定雨天CH4通量,以弥补OPEC观测系统缺测的值。两种系统并行观测、相互弥补,可望获得更完整、更高质量的CH4通量数据。

缙云山针阔混交林水热通量特征及其影响因子

基于涡度相关技术,对重庆市缙云山观测站内的针阔混交林生态系统的净辐射(Rn)、显热通量(H)、潜热通量(LE)、土壤热通量(G)等进行处理,分析研究区水热通量及各环境因子的变化过程,明确水热通量变化的外在驱动因子,为森林经营及林业可持续发展提供科学依据。结果表明:1)该生态系统能量闭合缺失为0.26。2)各水热通量在日变化上呈现单峰变化趋势,在季节变化上呈现出夏季最大(日均值124.66 W/m^(2)),冬季最小(日均值31.68 W/m^(2));空气温度(Ta)、饱和水气压差(VPD)呈现多峰变化趋势;降水集中于一年的4、7、8,9和10月;叶面积指数(LAI)在生长季(4—10月)呈现单峰变化。3)非雾天情况下显热通量(H)显著大于雾天情况,冠层导度(Gs)表现出多维度的复杂特征。缙云山针阔混交林能量循环损失较小,数据可靠;太阳高度角变化引起的净辐射变化是水热通量变化的主导因素;降水量(Pr)的不规则分布及LAI的变化导致Ta和VPD多峰变化;雾气对土壤热量的导向会造成显热通量下降;较高的空气温度导致了大气与下垫面之间湍流形式的热流显著增加而使显热通量上涨。一般情况下,H主要受到Rn的影响,且分别受到VPD和土壤温度(Tsoil)的次要影响(雾天环境)以及VPD和风速WS的次要影响(非雾天环境)。Rn、Gs、Ta、VPD均对LE产生显著影响,未发现研究区Pr和Tsoil与LE存在显著关系。Gs受多种因素(Rn、VPD、Ta、VWC、P等)综合影响。

夏玉米农田表面温度影响因素分析

目的农田表面温度变化规律及其特征的研究,对于采用该指标进行农田墒情监测具有重要的实践指导意义。方法以华北平原夏玉米农田尺度为研究对象,采用涡度相关技术和热红外遥感技术,研究了夏玉米全生育期内不同环境条件下农田能量平衡各分量及气温环境因素与农田表面温度的关系。结果在不存在土壤水分胁迫情况下,夏玉米不同生育阶段日变化过程中,气温与农田表面温度的相关程度不同,叶面积指数(LAI)较低时二者高度相关,随着生长发育LAI的增加,二者相关程度降低且分散程度增大;净辐射和潜热通量的大小是确定农田表面温度高低的主要能量因子,二者相关程度随着生育期LAI的增减呈抛物线变化趋势,晴天日农田郁闭时,农田表面温度与能量平衡各分量之间的相关程度达到最高。季节变化过程中,日平均表面温度和瞬时表面温度与日平均气温和瞬时气温间呈高度相关。夏玉米生长大喇叭口期至乳熟期,0～100cm土层土壤相对含水量超过65%以上时,晴天或云天日表面温度与气温差值相差不大,基本稳定,平均为-5.3℃。结论农田表面温度的高低是由作物生长势和外界的辐射、土壤水分状况等因素共同作用确定。

一种高灵敏度快速CO_2/水汽分析仪设计

CO2和水汽通量是全球碳循环和水循环的重要特征参数,而碳水通量测量难点在于需要精度高、频率响应快的气体传感器。基于DSP与CPLD作为核心控制与处理模块,设计了一种非分光红外CO2/水汽分析仪。通过与标准气体对比,CO2相对偏差为1.638 mg/m3,精度可达到1×10-6;水汽相对偏差为5.39 mg/m3,精度可达10×10-6。同时,与商业仪器进行了对比测量实验,气体浓度值基本一致,结果表明:该仪器能够准确测定CO2,水汽浓度。

2016-2017年小浪底栓皮栎人工林碳水通量观测数据集

全球变化背景下,人工林在区域碳水循环中的重要作用受到越来越多的关注。栓皮栎(Quercus variabilis)是我国天然分布最广的树种之一,太行山南麓位于我国黄河重点生态区,属我国林业工程重点区域,在该区域开展栓皮栎人工林水碳通量观测研究对我国林业生态工程建设、人工林碳汇功能评估有重要意义。自2005年以来,河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站(简称小浪底站)采用涡度相关通量观测技术,长期开展了栓皮栎人工林碳水通量监测与研究。本数据集为参考中国陆地生态系统通量观测研究网络(China FLUX)质量控制和处理规范整理加工的2016–2017年小浪底站栓皮栎人工林通量和常规气象要素数据,包含生态系统总初级生产力、生态系统呼吸、净生态系统碳交换量、潜热和显热通量及空气温湿度、水汽压、风速、风向、辐射、大气压、降水量、土壤温湿度等气象要素,形成了半小时、日、月和年尺度数据产品。本数据集为人工林生态系统管理、区域碳收支评估提供数据支撑,有助于推动我国野外台站数据共享和数据规范化管理。

2015-2020年海北高寒草甸碳水热通量观测数据集

青藏高原寒高草甸面积约为5.04×10^(5) km^(2),是高原生态屏障功能发挥和区域可持续发展的重要基质。2014年5月,青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站(简称海北站)应用涡度相关技术进行高寒禾草-矮嵩草(Kobresia hulimis)草甸生态系统碳水循环和能量交换的连续观测,获取了宝贵的原始资料。经过异常值剔除、缺失通量数据的增强回归树模型插补等数据质控流程,海北站拟公开发布2015–2020年高寒草甸碳水热通量观测数据集。本数据集包含净生态系统CO_(2)交换、生态系统CO_(2)呼吸、总生态系统CO_(2)交换、潜热通量、显热通量等通量数据子集和空气温度、空气相对湿度、总辐射、净辐射、光合有效辐射、降水、土壤温度、土壤体积含水量等常规微气象数据子集,时间分辨率有30分钟、日、月和年等4种尺度。本数据集可以用于高寒草甸生态系统碳水循环过程模型的参数优化及碳素固持、水源涵养等生态功能的时空格局及演变趋势的科学认知。

2015-2020年句容农田生态系统碳水通量观测数据集

南京大学句容生态实验站(以下简称“句容站”)地处长江中下游平原(江苏省镇江市),主要种植方式为水稻——一年一熟制,是灌溉农田的典型代表。水稻是全球主要的粮食作物,种植面积大,范围广,是陆地生态系统的重要组成部分。它们通过光合作用和呼吸作用完成水、热和CO_(2)的交换,对于区域的水文、气侯和碳水循环有不可忽视的作用。句容站自2015年涡度相关系统架设完成至今,一直开展农田生态系统碳水热通量的观测,且处理流程严格遵循中国通量观测研究联盟(ChinaFLUX)标准质控体系。本数据集整理了句容站2015年1月至2020年12月标准化的生态系统碳水通量和关键气象要素数据,时间尺度包含半小时、日和月,可靠性高,可以为农田灌溉管理、碳水循环过程以及作物模型模拟等相关研究提供数据支撑和理论依据。

基于涡度相关技术测算地表碳通量研究进展

准确测定地表碳通量对评价陆地生态系统碳源、碳汇的区域分布、寻找未知碳汇及预报未来的气候变化趋势意义重大,涡度相关法以其独特的优势成为研究碳通量的标准方法。文中简要回顾了涡度相关技术的发展历程和基本原理,概述了其优缺点,着重总结了碳通量变化规律、环境响应机理及碳收支和测量尺度提升在陆地生态系统碳通量方面的研究成果,并从避免误差、数据处理、模型的应用及数据的空间拓展等方面探讨了今后的研究重点。

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

通量观测是定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程的基础。涡度相关技术作为直接测量植被冠层与大气间能量与物质交换通量的技术手段,已经逐步发展成为国际通用的通量观测标准方法。随着涡度相关技术在全球碳水循环研究中的广泛应用,长期连续的通量观测正在为准确评价生态系统碳固持能力、水分和能量平衡状况、生态系统对全球气候变化的反馈作用、区域和全球尺度模型的优化与验证、极端事件对生态系统结构与功能影响等方面的研究提供重要数据支撑和机制理解途径。通过站点尺度通量长期动态观测,明确了不同气候区和植被类型生态系统碳水通量强度基线及其季节与年际变异特征。通过多站点联网观测,在区域和全球尺度研究生态系统碳通量空间变异特征,揭示了区域尺度上温度和降水对生态系统碳通量空间格局的生物地理学控制机制。该文概括地介绍了涡度相关技术的基本原理、假设与系统构成,总结了涡度通量长期联网观测在陆地生态系统碳水通量研究中的主要应用,并对通量研究发展前景进行了展望。

基于涡度相关技术的城市碳通量研究进展

城市化所带来的土地利用变化和化石燃料燃烧对全球碳循环和气候变化产生了深远影响.准确认识城市系统碳收支状况及其变化特征,是开展城市碳循环过程及其影响机制研究的前提.本文从涡度相关技术理论基础及城市大气边界层与碳循环特征出发,系统总结了利用涡度相关技术开展城市地表-大气间碳通量监测所面临的问题、后期数据处理和评价的主要方法,以及目前涡度相关技术在城市碳通量监测中的应用现状及主要研究进展.现有研究成果表明,城市系统总体表现为碳源,受城市交通流量、生活供暖及植被生长的影响,城市地表-大气间CO2交换存在明显的日、周及季节变化特征.然而,由于城市下垫面的高度异质性及复杂碳源汇分布,涡度相关技术获取的城市碳通量特征及其解释还存在较大的不确定性.今后需加强复杂城市环境下涡度相关通量观测技术与评价方法研究,从系统整体性出发构建城市系统碳循环模拟模型,结合空间化技术手段,深入开展城市区域尺度碳循环影响机制及其变异特征的客观评价.

2011-2020年海北高寒灌丛碳水热通量观测数据集

高寒灌丛是青藏高原的重要植被类型之一,多分布在山地阴坡、半阴坡或高海拔山前滩地,具有十分重要的碳素固持和水源涵养及气候调节功能。青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站(简称海北站)自2002年应用涡度相关技术进行高寒金露梅(Potentilla fruticosa)灌丛生态系统碳水热交换,已有近20年的数据积累。在前期公开2003–2010年相关数据的基础上,进一步发布2011–2020年海北高寒灌丛碳水热通量观测数据集。本数据集包含空气温度、空气相对湿度、水汽压、风速、风向、大气压强、总辐射、净辐射、光合有效辐射、降水、土壤温度、土壤水分的常规气象数据子集和净生态系统CO_(2)交换、生态系统CO_(2)呼吸、总生态系统CO_(2)交换、潜热通量、显热通量的碳水热通量数据子集,均由半小时、日、月和年等4种时间尺度组成。本系列数据集不仅可以用于科学评估高寒灌丛生态系统碳水热等生态功能的环境驱动和演变趋势,还能对遥感-生态过程模型的参数验证及优化提供地面观测支撑。

2014-2016年洞庭湖湿地南荻生态系统二氧化碳通量观测数据集

湖泊是陆地碳循环的活跃通道,具有可观的固碳潜力。洞庭湖作为我国第二大淡水湖泊,每年的水位波动变幅巨大(12–14 m),独特的水文情势对于洞庭湖碳水循环过程、控制机理及其环境变化影响的研究具有重大挑战和意义。南荻(Miscanthus sacchariflorus)在洞庭湖分布广泛,属多年生高大竹状草本植物,根状茎发达,固碳潜力大。本研究以洞庭湖南荻生态系统为研究对象,采用涡动相关(EC)系统,开展南荻生态系统碳通量长期定位观测。湖南洞庭湖湖泊湿地生态系统国家野外科学观测研究站(简称洞庭湖国家站)作为我国重要的通江湖泊湿地生态系统研究站,基于中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)数据处理体系,整理了2014年6月到2016年12月洞庭湖南荻生态系统通量和常规气象数据,包括生态系统净碳交换量、生态系统呼吸、生态系统碳交换总量、潜热通量、显热通量、空气温度、空气相对湿度、水汽压、净辐射和土壤温度等指标,分为半小时、日、月和年4种时间尺度的数据文件。可为开展南荻生态系统碳水热时空动态的科学认知、物质和能量循环、全球固碳潜力的估算以及全球气候变化的响应与适应提供有力的数据基础。

2006-2015年内蒙古锡林浩特刈割草原碳水通量观测数据集

草原生态系统是世界上分布最广泛的植被类型之一,具有重要的生态服务功能,对全球碳水循环发挥着重要作用。刈割作为内蒙古草地常见的利用方式,其会对草原生态系统结构与功能均产生深刻的影响。但目前关于刈割对草原生态系统碳水循环过程影响机制尚不清晰。缺乏长期、连续的通量观测数据是重要原因之一。按照ChinaFLUX标准数据处理方法,我们收集整理了2006–2015年内蒙古锡林浩特温性典型草原生态系统碳水通量和常规气象数据。本数据集提供的长期涡度通量观测数据,不仅为研究刈割利用下草原生态系统碳水通量的时间动态过程及调控机理提供了坚实的数据基础,同时也对优化该区域草地利用管理及评估刈割对我国北方草原碳汇功能的影响具有重要价值。

2011-2015年西双版纳热带季节雨林碳水通量观测数据集

中国“双碳”目标的提出立足于应对气候变化的科学基础之上,增加碳汇、减少碳源成为实施气候治理的必需。陆地生态系统是重要的大气碳汇,而热带季节雨林生态系统作为中国陆地生态系统的组成部分,具有生物量丰富、生产力旺盛等特征,发挥着不可或缺的固碳功能。西双版纳热带季节雨林生态站是中国通量研究网络(ChinaFLUX)的首批成员站之一,自2002年建成至今已积累20年碳水通量观测数据。本数据集遵循ChinaFLUX数据处理体系,处理并汇整了西双版纳热带季节雨林2011年1月至2015年12月的标准化通量和常规气象数据,形成的数据产品包含4种时间尺度(30分钟、日、月和年)。本数据集可应用于全球变化背景下的生态系统碳水循环响应机制分析和固碳效益评估等研究领域,也可为生态系统模型参数优化和结果验证提供参考。通过多平台架构、多尺度融合、多方法耦合,以期进一步为解析区域乃至全球生态系统碳水热循环机制、时空动态和预估未来碳汇潜力提供基础支撑,从而为达成中国碳中和目标提供科学依据。

2020-2021年北京燕山山地丘陵区典型生态系统碳水通量观测数据集

自涡度相关技术被广泛应用以来,对于生态系统碳源汇功能的估算研究日趋完善。燕山区域作为北京最为重要的生态屏障与碳汇功能区,对其碳水通量的研究目前相对较少,特别是聚焦区域代表性生态系统类型如山地灌丛。本数据集为2020至2021年北京市怀柔区燕山山地灌丛、乔灌混交林和人工针叶林三类生态系统碳水通量观测数据。数据采集和处理过程严格遵循中国通量观测研究联盟(China FLUX)生态系统碳水通量和气象数据质量控制和规范。本数据集预期可以为分析我国华北典型山地丘陵区对全球变化的响应及其机制提供支撑。