基于通量源区模型的雷竹林生态系统碳通量信息提取

基于浙江省临安市太湖源雷竹Phyllostachys violascens林涡度相关通量观测塔2013年全年数据,应用通量源区模型(flux source area model,FSAM),分析不同大气稳定度条件、不同风向和不同时间段该观测点通量信息的贡献区的分布,并基于贡献区分析结果,从通量观测值中分解出来自雷竹林生态系统的碳通量信息。结果表明:90%贡献水平的通量贡献区在观测塔为中心的2.0 km×2.0 km范围内,大气稳定度相同时,4个不同方向的通量贡献区范围差别不大。通量贡献区长度在稳定的大气条件下要显著大于在不稳定大气条件下,前者为96.19~941.63 m,后者为28.62~313.54 m。通过雷竹林和非雷竹林在通量贡献区所占面积和各自的贡献率,从涡度相关所测通量数据中分解出雷竹林和非雷竹林的月平均碳通量。通量分解后的雷竹林生态系统年总净固碳量为4.25 t·hm^(-2)·a^(-1),当下垫面全部为非雷竹林时年总净固碳量为6.65 t·hm^(-2)·a^(-1)。如果不进行碳通量的分解,把涡度相关所测通量值作为雷竹林的通量值,则年总净固碳量为5.46 t·hm^(-2)·a^(-1)。该研究对于正确评价雷竹林生态系统的固碳能力可提供一定理论依据。

绿洲荒漠过渡带涡动相关仪和大孔径闪烁仪的通量源区特征

以甘肃民勤绿洲荒漠过渡带涡动相关仪(EC)和大孔径闪烁仪(LAS)的同步观测数据为基础,借助通量足迹模型,分析生长季和非生长季通量源区的分布与变化特征,比较了源区在不同风向下,足迹权重比的变化对二者观测值之间差异的影响。结果表明:(1)研究区在非生长季盛行西北风,在生长季则盛行东风,EC和LAS源区的空间分布与盛行风向一致,二者在非生长季源区的面积均大于生长季。(2)大气稳定条件下EC和LAS的源区面积普遍大于不稳定条件下。随着源区贡献率的增加(由50%增至90%),EC和LAS源区的重叠面积和足迹权重比也增加,并且非生长季的源区重叠程度优于生长季。在生长季和非生长季,EC和LAS源区都呈现不规则分布的特点。(3)相比于东西风向,生长季南北风向下的足迹权重比更高,二者所观测显热通量值更为接近,决定系数(R^(2))也更高。说明源区的足迹权重比在一定程度上可以解释EC和LAS在观测结果上的差异,这为地表通量的尺度扩展提供了方法学上的参考。

夏季金塔绿洲近地层通量足迹及源区分布特征分析

选取2005年5月24日-6月18日在金塔开展的“绿洲系统能量与水分循环过程的观测实验”中的3层CSAT3的实验数据，应用Schmid的FSAM（The Flux-Source Area Model）模型，分析了不同观测高度的通量贡献源区分布以及观测高度对通量贡献源区分布的影响，同时分析了不同大气层结条件下源区的分布以及稳定度对通量贡献源区分布的影响。结果表明,稳定条件下的通量贡献源区大于不稳定条件下的通量贡献源区，并且随着观测高度的增加通量贡献源区会显著增大。

黄土高原沟壑区通量数据空间代表性研究

利用FSAM（Flux Source Area Model）模型，对中国科学院长武黄土高原农业生态试验站2004-2005年冬小麦生育期内的通量数据空间代表性进行了研究。结果发现，在90％贡献率水平下，整个冬小麦各生育期内通量源区范围动态变化明显，通量贡献最大点在距离观测点7．7—36．2m范围内变化。在盛行风向上，通量源区离观测点最近点为3．3m，最远点可达172．8m；在侧风向上，通量源区在38．1～128．4m范围内变化。不同观测高度的对比研究表明，观测高度从1．86ITI增加到12．17m，盛行风向上源区距观测点最远距离从172．8m增加到1555．2m；在侧风向上则从123．2m增加到665．8m，通量源区范围随高度的增加而增大。大气稳定度对通量贡献源区影响很大，在大气稳定状态下，通量源区面积最大，距观测点最远距离达到135．3ITI；中性条件下次之，为101．7m；在不稳定条件下面积最小，为36．3m。同一日内，夜晚源区面积较白天大。在日和季尺度上，大气稳定度是影响通量源区范围的一个重要因素。

冬小麦蒸散源区代表性分析

【目的】利用涡度相关技术观测冬小麦生育期内湍流通量,结合通量模型分析试验区农田生态系统通量贡献区的时空分布。【方法】使用闭路涡度系统对2019年10月—2020年6月新乡综合试验基地冬小麦进行通量观测,采用足迹解析模型中的FFP模型和基于土地利用信息的KM模型对通量源区分布和规律进行了分析。【结果】①整个生育期主风向为西南风,次风向为东北风,白天(大气非稳定状态)的主风向为西南风,夜间(大气稳定状态)的主风向为西南风。②不同生育期、不同大气状态下的源区面积存在一定的差异,大气稳定状态下源区面积均大于非稳定状态,源区方向与长度受风向风速的影响。③FFP模型和KM模型计算的源区面积间存在线性关系(S_(KM)=0.93S_(FFP)-1962.5,R^(2)=0.96),其中KM模型计算通量足迹值整体大于FFP模型。【结论】不同模型得到的源区不同,风向和风速是源区分布的主要影响因素,田块是试验区内湍流通量重要贡献的主要来源。

辽河三角洲芦苇湿地碳通量特征及空间代表性

基于2019—2020年辽河三角洲碳通量观测数据,分析了辽河三角洲芦苇湿地碳通量的时间变化特征,采用Kljun模型进一步分析了碳通量的空间代表性。结果表明:受短波辐射和气温的周期变化影响,2019年芦苇湿地对碳的净吸收周期为156 d,NEE峰值出现在7月中上旬,为-40.59μmol·m^(-2)s^(-1),固碳量显著高于2020年,达到0.561 kgC·m^(-2)。2020年的净吸收周期为131 d,NEE峰值出现在6月中旬,为-41.39μmol·m^(-2)·s^(-1),比2019年提前,生长季夜间呼吸作用较强,导致固碳量较低;碳通量在春季和夏季呈明显的U型日变化,秋冬季碳通量变化较平稳。2019年和2020年夏季的日平均最大值分别为-16.86μmol·m^(-2)·s^(-1)和-13.61μmol·m^(-2)·s^(-1),2020年最大值出现在11:00,比2019年提前;主导风向和不稳定层结状态90%最远距离贡献点的分布区域均在0°~90°和180°~270°方向。通量源区80%的上风平均距离最远为120 m,通量贡献峰值在距离通量塔10 m的位置。源区范围随着大气稳定度的增加也逐渐扩大,主风向70%的通量贡献范围内是芦苇植被;在源区范围内,芦苇提供了76.20%的碳通量信息,水体提供了17.82%的通量信息,通量观测数据在夏季白天属于代表性级别,全年属于可接受级别。研究有助于了解辽河三角洲湿地生态系统在碳循环和减排中的能力和作用。

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。

夏季风影响过渡区的动力学粗糙度的特征分析

利用北方协同观测试验中夏季风影响过渡区榆中站、定西站和兴隆山站观测资料,分别代表草地、农田、混合型下垫面,采用通量廓线方法计算了各下垫面的粗糙度,分析了下垫面动力学粗糙度随风向、风速、摩擦速度和热力稳定度的变化特征及其与风速、热力稳定度的参数化关系.结果表明,动力学粗糙度随风向有明显的变化,因风向区间通量的不同而不同;动力学粗糙度与风速整体呈负相关,且在不同站点存在显著差异,在草地和混合型下垫面的相关性较好,而在农田下垫面相关性较差.动力学粗糙度与摩擦速度的关系相对较为复杂,在小摩擦速度区间随摩擦速度递增而递增,在大摩擦速度区间随摩擦速度的递增而递减.大气稳定时,粗糙度随热力稳定度呈显著负相关,大气活跃时,粗糙度随热力稳定度呈正相关.

基于涡度相关的半干旱区沙丘-草甸水热通量对比分析

为了解科尔沁地区不同下垫面地-气界面的能量收支、水汽交换过程及其与气象要素的响应关系,利用涡度相关法开路系统、常规微气象观测系统等进行长期定位观测,选取流动半流动沙丘和草甸2种下垫面下的观测资料进行对比分析。结果表明:草甸与沙地潜热通量日变化差异明显,且春秋两季典型晴天更为显著,沙地约为草甸的26.2%和30.5%;夏季沙丘与草甸潜热极值大体持平,冬季2个站点差距缩小,互为上下波动;在冬、春、夏季3个典型晴天中,草甸与沙地感热通量差异显著的起始与终止时间不断提前,累积大于时长分别为19.5 h、16 h、6 h,秋季二者差异的时间不断推后,累积时长缩短;观测通量源区随风向改变而发生变化,风频比例越大,通量源区的贡献距离越长;草甸、沙地蒸散量与降雨呈负相关,雨后日蒸散值分别较晴天偏低14%和40%,晴天,沙地日蒸散量随风速波动呈规律性变化,而较大风速对草甸蒸散发不利。

南京地区大口径闪烁仪与涡动相关仪感热通量观测对比

湍流是地表与大气间物质与能量交换的主要形式,因而准确观测湍流通量历来是城市边界层研究的重要问题。本研究基于架设在南京信息工程大学内的大口径闪烁仪(large aperture scintillometer,LAS)和涡动相关仪(eddy covariance,EC)的同步观测,对比了LAS测得的感热通量和EC测得的感热通量的差异,结合归一化植被指数(NDVI)和归一化建筑指数(NDBI),分析了下垫面不均匀性对于两种仪器测得感热通量的影响。结果表明:城市地区LAS与EC具有较好的相关性(R2=0.76),拟合线斜率为0.95;白天,LAS的感热通量大于EC的感热通量,二者差值为18.8~39.4 W·m^-2;夜间,二者均在零值附近波动,差值为4.8~28.7 W·m^-2;月尺度上两种仪器的差值8月最大,其次为7月、4月,6月最小;差异产生的主要原因是风向造成的通量源区不同;通量源区内的NDVI值越大,感热通量与净辐射之比越小,二者呈显著负相关(k=-0.34,P<0.05);NDBI值越大,感热通量与净辐射之比越大,二者呈显著正相关(k=1.15,P<0.05)。

大孔径闪烁仪法测算低丘山地人工混交林显热通量的可行性分析

利用位于河南省济源市的华北低丘山地30年生栓皮栎—侧柏—刺槐人工混交林2009年主要生长季节(5～9月)湍流通量及空气结构参数等观测数据,确定迭代法为该下垫面条件下大孔径闪烁仪(LAS)测算显热通量的计算法,测算白天大气非稳定层结状况下的显热通量(HLAS)。并采用通量印痕模型,对LAS法通量源区内由2台涡度相关系统观测得到的显热通量进行订正,得到源区内总显热通量值(HfEC)。分析LAS法与涡度相关法的显热通量测算或测定值的相关性,结果表明:HLAS与HfEC的线性相关系数可达0.93。说明在分析通量印痕和通量源区的基础上,采用LAS法测算低丘山地人工混交林显热通量具有较好的可行性。

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.

黑河流域中上游水热通量足迹模型的对比分析

遥感技术是获取区域地表水热通量的重要手段,利用地面观测值对遥感估算水热通量进行验证时,存在空间尺度不匹配的问题,结合足迹分析可以较好地解决这一问题,为遥感蒸散发模型提供空间尺度匹配的验证数据。利用黑河流域上游阿柔超级站和中游大满超级站的涡动相关仪观测数据,对常用的3种水热通量足迹模型Kormann&Meixner(KM)模型、Kljun模型和Hsieh模型的输入参数进行了敏感性分析,并比较和分析了3个模型单时次和日尺度的足迹结果差异,为足迹模型的合理选用提供参考依据,以服务于数据质量判别和遥感模型的验证。结果表明:①奥布霍夫长度(L)是KM模型和Hsieh模型的敏感因子,L值变化时,Hsieh的足迹结果变化大于KM,而Kljun模型对L的敏感程度不高;观测高度(z_(m))和侧向风速标准差(σ_(v))也是3个模型的敏感因子。②单时次30 min尺度上,KM和Hsieh的通量贡献源区大小和形状吻合较好,但与Kljun足迹结果存在显著差异;Kljun的源区范围明显较小,上风向通量贡献峰值明显大于KM和Hsieh,且上风向通量贡献峰值的位置明显小于另外两个模型。③日尺度上,3种足迹模型的水热通量源区形状相似,Kljun模型的源区范围最小。实验结果为足迹模型的合理选用提供参考依据,以服务于碳、水热通量数据质量判别和遥感模型的验证。