華北地區(qū)冬小麥田水熱、二氧化碳和甲烷湍流輸送特征的實(shí)驗(yàn)研究

葛紅星， 張宏升*， 羅帆， 蔡旭暉， 宋宇， 康凌， 霍慶

1 北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系，氣候與海氣實(shí)驗(yàn)室， 北京　100871 2 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)系， 北京　100871

華北地區(qū)冬小麥田水熱、二氧化碳和甲烷湍流輸送特征的實(shí)驗(yàn)研究

葛紅星1， 張宏升1*， 羅帆1， 蔡旭暉2， 宋宇2， 康凌2， 霍慶2

1 北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系，氣候與海氣實(shí)驗(yàn)室， 北京100871 2 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)系， 北京100871

摘要本文利用2012年4月30日至5月10日華北地區(qū)大氣湍流實(shí)驗(yàn)資料，分析了冬小麥田下墊面溫度、濕度、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的湍流統(tǒng)計(jì)和輸送特征，利用渦旋相關(guān)法計(jì)算的CH4通量值確定了松弛渦旋累積(REA)法計(jì)算CH4通量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù).結(jié)果表明，不穩(wěn)定層結(jié)下，溫度、濕度、CO2和CH4的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差隨穩(wěn)定度參數(shù)z/L的關(guān)系滿足-1/3冪次關(guān)系.熱量、水汽和CO2水平方向的湍流輸送和垂直方向的比值與穩(wěn)定度參數(shù)z/L存在一定的相關(guān)關(guān)系，但CH4沒(méi)有類似特征.實(shí)驗(yàn)期間，感熱通量數(shù)值較低，潛熱通量較高；CO2在夜間表現(xiàn)出微弱的向上輸送，其余時(shí)段為向下輸送，可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)站所在地區(qū)是碳匯；CH4的湍流輸送整體為向下輸送，無(wú)明顯的日變化規(guī)律，可以認(rèn)為是CH4匯.利用松弛渦旋累積法獲取CO2和CH4通量的參數(shù)取值分別為0.61和0.30.

關(guān)鍵詞湍流輸送； 二氧化碳； 甲烷； 松弛渦旋累積(REA)法； 華北地區(qū)

1引言

大氣中的二氧化碳(CO2)是最重要的溫室氣體，其濃度上升造成的全球氣候變化引起了世界各國(guó)政府和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注.在人類向大氣中排放的溫室氣體所造成的溫室效應(yīng)中，CO2濃度增加對(duì)地表溫度升高的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于其他溫室氣體，達(dá)到70%(曲建升等，2003).觀測(cè)表明，在工業(yè)革命前的40萬(wàn)年間，大氣中CO2濃度維持在354～589 mg·m-3之間(Petit et al., 1999)；工業(yè)革命以后的一百多年間增加25%以上，2008年達(dá)到757 mg·m-3(Tarasova et al., 2010).近一百年來(lái)，大氣中CO2濃度的快速升高與人類活動(dòng)密切相關(guān).大量化石燃料的燃燒使巖石圈中的碳進(jìn)入大氣圈，是大氣中CO2濃度增加的最主要方式(梅西，2008)；同時(shí)，土地利用方式的改變(如城市用地增加、森林砍伐等)也會(huì)造成CO2源的增加和匯的減少.陸地碳循環(huán)過(guò)程是全球碳循環(huán)的重要組成部分，了解陸地上碳源、碳匯、碳循環(huán)過(guò)程及CO2輸送特性，對(duì)研究大氣中CO2濃度變化和溫室效應(yīng)有重要意義.

甲烷(CH4)是除CO2以外最重要的溫室氣體之一，其對(duì)大氣的增溫作用僅次于CO2(王琛瑞等，2002).大氣中CH4濃度的增速明顯高于CO2.研究表明，在約18000年以前，大氣中的CH4濃度約為250 μg·m-3(Raynaud et al., 1988)，20世紀(jì)末達(dá)到1250 μg·m-3(Batjes and Bridges, 1992)，增速約為每年0.8%(王明星等，1998).相比于CO2，大氣中CH4的濃度較低，但CH4對(duì)大氣的氣候強(qiáng)迫作用是CO2的26倍(Lelieveld et al., 1993)，對(duì)溫室效應(yīng)的作用不容忽視.

大氣中CH4的源可以分為天然源和人為源，其中人為源約占70%(王明星等，2000).水稻田是最主要的人為源，約占CH4總排放量的20%(朱玫等，1996).在通氣良好的表層土壤中，CH4氧化菌可以氧化消耗大氣中的CH4，這一過(guò)程是除了大氣化學(xué)反應(yīng)之外最重要的CH4匯(張秀君，2004).土地利用方式的改變對(duì)土壤吸收CH4的能力有很大的影響，草地、林地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田會(huì)降低土壤CH4吸收匯的強(qiáng)度.有研究表明，在不同的土地利用方式中，林地、草地和農(nóng)田對(duì)CH4的吸收能力有：林地>草地>農(nóng)田(Willison et al., 1995).自由放牧?xí)档筒莸匚誄H4的能力(江長(zhǎng)勝等，2006；王躍思等，2002)，農(nóng)田的不同的耕作措施(如灌溉、施肥等)也對(duì)土壤吸收CH4的能力有較大的影響(江長(zhǎng)勝等，2004；李玉娥和林而達(dá)，1999).施肥會(huì)降低CH4氧化菌的活性，從而降低土壤對(duì)CH4的吸收能力.齊玉春等(2002)1997年到1998年在華北平原冬小麥生長(zhǎng)季的觀測(cè)表明，施肥農(nóng)田的平均CH4通量為-21.6 μg·m-2·h-1，而同時(shí)期內(nèi)的未施肥農(nóng)田的數(shù)值為-88.2 μg·m-2·h-1，施肥農(nóng)田對(duì)CH4的吸收明顯小于未施肥農(nóng)田.也有研究表明，土壤的PH值對(duì)微生物氧化CH4有很大影響，有時(shí)可能是影響土壤氧化CH4能力的主要因素(Hütsch, 1996).土壤含水量對(duì)于土壤氧化CH4的能力也有影響，不同的土壤氧化CH4的最佳土壤含水量不同，例如：水稻土的最佳土壤含水量明顯高于旱地土壤(蔡祖聰和Mosier，1999).

CH4通量的獲取方法主要是靜態(tài)箱法(王躍思等，2000；鄭循華等，1997； Mosier et al., 1996；Yan et al., 2003)、使用閉路式CH4分析儀的渦動(dòng)相關(guān)法(Edwards et al.,1994；Eugster and Plüss, 2010；Kim et al., 1998)和使用開路式CH4分析儀的渦動(dòng)相關(guān)法(McDermitt et al., 2011；Alberto et al., 2014；Jha et al., 2014).靜態(tài)箱法操作簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，分析精度高，且能同時(shí)分析多種氣體成分，但連續(xù)觀測(cè)存在困難，觀測(cè)過(guò)程本身也會(huì)對(duì)地-氣間的物質(zhì)交換有一定影響(林茂，2012).采用閉路式CH4分析儀的渦動(dòng)相關(guān)法彌補(bǔ)了靜態(tài)箱法不能連續(xù)觀測(cè)的不足，但因閉路式CH4分析儀的能源消耗往往達(dá)到400～1500 W，野外實(shí)驗(yàn)環(huán)境中經(jīng)常難以滿足.另外，閉路式CH4分析儀運(yùn)輸和安裝也相對(duì)困難，使得采用閉路式CH4分析儀獲取CH4通量的觀測(cè)多局限于靠近電網(wǎng)的地區(qū)(McDermitt et al., 2011).相比之下，開路式CH4分析儀具有功耗小、重量輕等優(yōu)勢(shì)，并適合于野外長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，目前已經(jīng)被用于森林(Jha et al., 2014； Nicolini, 2012)、水稻田(Alberto et al., 2014)、草地(Dengel et al., 2011)、濕地(Chu et al., 2014；Morin et al., 2014)等CH4源地區(qū)的觀測(cè)研究.

本文利用2012年4月30日至5月10日開展的大氣湍流和大氣環(huán)境觀測(cè)資料，分析了華北地區(qū)冬小麥田下墊面水熱、CO2和CH4的湍流輸送特征，并給出了松弛渦旋累積(REA)法獲取湍流通量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b取值，為使用REA法獲取熱量、水汽、CO2和CH4通量提供參考.

2理論基礎(chǔ)

不穩(wěn)定層結(jié)下，溫度、濕度和CO2等氣體濃度的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差與穩(wěn)定度參數(shù)z/L的關(guān)系滿足-1/3冪次函數(shù)關(guān)系，可表示為：

(1)

不穩(wěn)定層結(jié)下，熱量的水平輸送與垂直輸送之間的比值滿足(Wyngaard et al., 1971)：

(2)

本文采用渦動(dòng)相關(guān)(EC)法計(jì)算感熱通量(H)、潛熱通量(LE)和氣體通量(FC)，有(王介民，2008)：

(3)

其中，ρa(bǔ)為空氣密度，Cp為定壓比熱，λ為蒸發(fā)潛熱，ρv為水汽密度，ρC為CO2或CH4濃度，A為系數(shù).

REA法(Relaxed Eddy Accumulation Method)是一種基于條件采樣的通量獲取方法，是渦旋累積法(Eddy Accumulation Method)的簡(jiǎn)化，其中“relaxed”有不嚴(yán)格之意，中文多譯為“松弛渦旋累積法”.日文通常譯為“簡(jiǎn)易渦集積法”，這在物理意義上相對(duì)明確和易于理解.REA法不需要快速響應(yīng)的氣體濃度測(cè)量?jī)x器，在無(wú)法使用EC法獲取湍流通量或使用EC法難度較大時(shí)，REA法是一種有效的替代方法.目前，REA法被普遍地用于大氣中氣態(tài)物質(zhì)通量的測(cè)量，如CO2(Baker et al.,1992；Pattey et al., 1993)、氣溶膠(Schery et al., 1998)、CH4(Beverland et al., 1996)、氧化亞氮(Denmead, 2008)、氨(Zhu et al., 2000)和揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)(高祥等，2011；Guenther et al., 1996)等.

(4)

其中，σw為垂直風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差，b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù).表1為不同作者給出的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b的取值.

表1　不同作者的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b的取值

由表1可以看到，不同作者對(duì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b的取值比較接近，溫度在0.53～0.62之間；水汽的變化范圍稍大，在0.45～0.60之間；CO2在0.56～0.6之間.

3資料獲取和處理

本文選用2012年春末夏初季節(jié)的大氣湍流和大氣環(huán)境加強(qiáng)觀測(cè)資料.實(shí)驗(yàn)站位于河北景縣薛村(37°32′04″ N，115°54′51″ E，海拔16 m)的冬小麥—夏玉米輪作區(qū)，觀測(cè)農(nóng)田面積大于80 ha，地形平坦，無(wú)明顯起伏(見(jiàn)圖1).氣候?qū)俚湫偷拇箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均溫度13 ℃，年平均降水550 mm.

圖1　薛村觀測(cè)場(chǎng)情況示意圖(箭頭位置為氣象鐵塔，引自Huo et al. (2014))Fig.1　Satellite map of the observation site (The arrow shows the location of the meteorological tower, after Huo et al. (2014))

觀測(cè)平臺(tái)為高度8 m的氣象鐵塔，氣象鐵塔周邊500 m距離內(nèi)無(wú)建筑物等干擾.加強(qiáng)觀測(cè)期間，大部分農(nóng)田種植冬小麥，偶有小部分農(nóng)田閑置，農(nóng)作物植被高度約為70 cm.

本文涉及的探測(cè)儀器包括：三維超聲風(fēng)溫儀(CSAT3，Campbell Scientific, Inc., USA)，開路式CO2/H2O紅外分析儀(LI-7500，LI-COR Biosciences, Inc., USA)和開路式CH4分析儀(LI7700，LI-COR Biosciences, Inc., USA).儀器架設(shè)高度5.3 m，超聲風(fēng)溫儀傳感器方向?yàn)?31°，CO2/H2O紅外分析儀和CH4分析儀分別位于超聲風(fēng)溫儀兩側(cè)，分別距超聲風(fēng)溫儀約10 cm.采樣頻率均為10 Hz.三層溫度濕度傳感器(HMP45C, Vaisala, Inc., Finland)的架設(shè)高度分別為2.5、4.5和8.0 m.觀測(cè)儀器和技術(shù)指標(biāo)參見(jiàn)表2.

表2　主要儀器及技術(shù)指標(biāo)

加強(qiáng)觀測(cè)期為2012年4月30日至2012年5月10日，其中由于觀測(cè)條件和CH4測(cè)量?jī)x器調(diào)試的限制，CH4的觀測(cè)時(shí)間段為2012年5月8日至5月10日.加強(qiáng)觀測(cè)期前(2012年4月24日至25日)有一次降水過(guò)程，其后天氣以晴天為主，無(wú)降雨發(fā)生.5月1日和5月7日為多云天氣.灌溉于2012年4月20日結(jié)束，整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)無(wú)灌溉.

湍流統(tǒng)計(jì)量和湍流通量的計(jì)算采用EddyPro軟件(Advanced 4.2.1, LI-COR Biosciences, Inc., USA).數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要包括：野點(diǎn)剔除、二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、去傾以及對(duì)湍流通量的必要修正，如WPL(空氣密度脈動(dòng))修正、高頻損失修正等.數(shù)據(jù)平均時(shí)長(zhǎng)均為30 min.同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除滿足以下任意一個(gè)條件的數(shù)據(jù)組：(1)風(fēng)向與超聲風(fēng)溫儀指向夾角大于±120°；(2)風(fēng)向與水平面夾角大于±3°；(3)風(fēng)速小于1.5 m·s-1；(4)摩擦速度小于0.05 m·s-1；(5)感熱通量小于5 W·m-2；(6)明顯存在錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)組.

圖2給出了溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度、水汽密度、CO2濃度和CH4濃度的日變化曲線.其中溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度、水汽密度和CO2濃度的平均時(shí)間段為4月30日到5月10日，CH4濃度的平均時(shí)間段為5月8日到5月10日.可見(jiàn)，溫度、風(fēng)速、CO2濃度和CH4濃度存在比較明顯的日變化特征.風(fēng)速在0時(shí)前后達(dá)到最小值，12時(shí)前后達(dá)到最大值.相對(duì)濕度從0時(shí)開始至8時(shí)保持高濕度狀態(tài)，數(shù)值約90%，12時(shí)以后降至最低，約50%.水汽密度的日變化中有兩個(gè)低值，分別出現(xiàn)在5時(shí)和13時(shí)；最高值出現(xiàn)在9時(shí).CO2濃度在5時(shí)左右達(dá)到最大值，16時(shí)左右達(dá)到最小值，這與農(nóng)作物的光合作用和呼吸作用有關(guān)：白天光合作用強(qiáng)烈，農(nóng)作物吸收CO2，夜間無(wú)光合作用，呼吸作用排放出少量CO2.觀測(cè)期間，CO2濃度的最小值為12.6 mmol·m-3，出現(xiàn)在5月6日16時(shí)；最大值為19.5 mmol·m-3，出現(xiàn)在5月9日5時(shí)30分.CH4濃度在6時(shí)左右達(dá)到最大值，16時(shí)左右達(dá)到最小值.觀測(cè)期間，CH4濃度的最大值為99.6 μmol·m-3，出現(xiàn)在5月10日7時(shí)30分；最小值為79.1 μmol·m-3，出現(xiàn)在5月8日17時(shí).

圖2　(a) 溫度T, (b) 風(fēng)速U, (c) 相對(duì)濕度RH, (d) 水汽密度, (e) CO2濃度, (f) CH4濃度的日變化曲線Fig.2　Diurnal variation of (a) temperature T, (b) wind speed U, (c) relative humidity RH, (d) water vapor concentration, (e) CO2 concentration, and (f) CH4 concentration

4湍流宏觀統(tǒng)計(jì)特征

4.1風(fēng)速的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差隨穩(wěn)定度參數(shù)的變化關(guān)系

圖3給出了三方向風(fēng)速u，v，w的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差σu/u*、σv/u*、σw/u*隨穩(wěn)定度參數(shù)z/L的變化關(guān)系.可見(jiàn)，不穩(wěn)定層結(jié)下，三方向風(fēng)速u，v，w的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差與穩(wěn)定度參數(shù)z/L的變化近似滿足1/3冪次關(guān)系；其中水平方向結(jié)果的離散程度相對(duì)垂直方向較大，表明下墊面物理屬性對(duì)垂直方向影響較小，與馬耀明等(2002)和張宏升等(2004)的研究結(jié)果一致.穩(wěn)定層結(jié)下，水平方向風(fēng)速歸一化標(biāo)準(zhǔn)差與穩(wěn)定度參數(shù)z/L之間也顯示出1/3冪次關(guān)系，垂直方向近似為常數(shù).

根據(jù)相似性理論，在近中性層結(jié)下(-0.01

(5)

表3　不同下墊面近中性層結(jié)下風(fēng)速歸一化標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值

4.2溫度、濕度和氣體濃度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差隨穩(wěn)定度參數(shù)的變化關(guān)系

(6)

圖3　三方向風(fēng)速u,v,w歸一化標(biāo)準(zhǔn)差隨穩(wěn)定度參數(shù)z/L的變化關(guān)系Fig.3　Changes of normalized standard deviations of wind speeds u, v, w with z/L

圖4　溫度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差隨穩(wěn)定度參數(shù)z/L的變化關(guān)系(圖中曲線為方程(6))Fig.4　Change of normalized standard deviation of temperature with z/L

(7)

可以看出，不穩(wěn)定層結(jié)下，比濕歸一化標(biāo)準(zhǔn)差與穩(wěn)定度參數(shù)z/L較好地滿足-1/3冪次關(guān)系，擬合系數(shù)Dq=0.80，小于H?gstr?m和Smedman-H?gstr?m(1974)給出的Dq=1.04.穩(wěn)定層結(jié)下，數(shù)據(jù)離散嚴(yán)重，沒(méi)有明顯的分布規(guī)律.

(8)

可以看出，擬合系數(shù)DCO2=0.85也小于Guo等(2009)給出的DCO2=1.10.穩(wěn)定層結(jié)下，數(shù)據(jù)離散較為嚴(yán)重，沒(méi)有明顯的分布規(guī)律.

(9)

可以看出，雖然數(shù)據(jù)組較少，但不穩(wěn)定層結(jié)下CH4濃度的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差與穩(wěn)定度參數(shù)z/L之間仍舊滿足-1/3冪次關(guān)系，擬合系數(shù)DCH4=2.13.由于觀測(cè)CH4的快速響應(yīng)儀器的限制，目前還沒(méi)有類似的研究可以作為對(duì)比.

圖8給出了不穩(wěn)定層結(jié)下熱量、水汽、CO2和CH4的水平輸送和垂直輸送的比值隨穩(wěn)定度參數(shù)z/L之間的變化關(guān)系.可見(jiàn)，不穩(wěn)定層結(jié)下，當(dāng)穩(wěn)定度參數(shù)的絕對(duì)值增大到一定程度時(shí)，熱量的水平輸送相比垂直輸送幾乎可以忽略不計(jì).而當(dāng)大氣層結(jié)趨于近中性時(shí)，熱量的水平輸送相對(duì)于垂直輸送增大，水平輸送明顯大于垂直輸送.作為類比，可以認(rèn)為水汽、CO2和CH4濃度的水平和垂直輸送與穩(wěn)定度參數(shù)z/L的關(guān)系滿足與熱量輸送相同的擬合曲線.CO2的曲線整體向上偏移.CH4沒(méi)有顯示與熱量、水汽和CO2相似的變化規(guī)律.

圖5　濕度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差隨穩(wěn)定度參數(shù)的變化關(guān)系(圖中曲線為方程(7))Fig.5　Change of normalized standard deviation of specific humidity with z/L

圖6　CO2濃度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差隨穩(wěn)定度參數(shù)的變化關(guān)系(圖中曲線為方程(8))Fig.6　Change of normalized standard deviation of CO2 concentration with z/L

圖7　CH4濃度的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差隨穩(wěn)定度參數(shù)的變化關(guān)系(圖中曲線為方程(9))Fig.7　Change of normalized standard deviation of CH4 concentration with z/L

圖8　(a)熱量, (b)水汽, (c)CO2, (d)CH4的水平輸送和垂直輸送的比值隨穩(wěn)定度參數(shù)z/L的變化關(guān)系(圖中曲線為方程(2))Fig.8　Change of the ratio between horizontal transport and vertical transport of (a) heat, (b) water vapor, (c) CO2, and (d) CH4 with z/L

5感熱、潛熱、CO2和CH4通量變化特征

5.1感熱通量和潛熱通量的變化特征

圖9　感熱通量H和潛熱通量LE的日變化Fig.9　Diurnal variation of sensible heat and latent heat

圖9給出了感熱通量和潛熱通量的平均日變化，平均時(shí)間段為4月30日到5月10日.由圖可知，潛熱通量一般在中午達(dá)到極大值，在夜間幾乎為零.感熱通量日變化規(guī)律較為異常，上午感熱通量為正(即熱量向上輸送)，下午為負(fù)(即熱量向下輸送)，夜間的感熱通量略小于零，熱量微弱地向下輸送.潛熱通量在數(shù)值上明顯大于感熱通量，在地表的能量分配中占主導(dǎo)地位.觀測(cè)期間，潛熱通量峰值一般出現(xiàn)在每天12時(shí)左右，峰值在300到730 W·m-2之間，最大值出現(xiàn)在5月6日13時(shí)，為730 W·m-2.感熱通量與潛熱通量相比明顯偏小，數(shù)值在±100 W·m-2之間.

圖10給出了三層高度(2.5 m，4.5 m，8 m)的溫度差(分別為4.5 m與2.5 m和8 m與4.5 m的溫度差).由圖可知，在觀測(cè)期內(nèi)，4.5 m高度處的氣溫一直高于2.5 m高度，8 m高度處的氣溫僅在白天的一段時(shí)間內(nèi)低于4.5 m高度，多數(shù)時(shí)間也是高于4.5 m高度.因此，近地面有明顯的逆溫存在，與圖9中給出的感熱通量在中午開始出現(xiàn)小于零的情況相一致.可能原因是農(nóng)作物有較強(qiáng)的蒸騰作用，帶走了較多的熱量，從而造成靠近地面的部分氣溫較低.這同樣也是潛熱通量明顯大于感熱通量的原因.王維真等(2009)在黑河流域盈科綠洲站的農(nóng)田下墊面上觀測(cè)到了類似的現(xiàn)象，黑河實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)驗(yàn)站也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象(王介民，1999).王維真等認(rèn)為造成的原因是綠洲地區(qū)蒸散量大，同時(shí)受周圍的干熱沙漠影響，近地層出現(xiàn)逆溫，即“綠洲效應(yīng)”.本文涉及冬小麥田下墊面的周圍村莊面積較小，下墊面的熱力性質(zhì)差異不如黑河實(shí)驗(yàn)中沙漠-綠洲下墊面明顯，但農(nóng)作物較強(qiáng)的蒸騰作用也造成了類似“綠洲效應(yīng)”的現(xiàn)象.

5.2 CO2通量和CH4通量的日變化特征

圖11給出了CO2通量的平均日變化特征，平均時(shí)間段為4月30日到5月10日.夜間，CO2通量在零值附近波動(dòng)，整體表現(xiàn)為較小的正值，即夜間CO2有微弱的自下向上傳輸，這與農(nóng)作物的呼吸作用有關(guān).白天，CO2為比較明顯的自上向下傳輸，強(qiáng)度明顯大于夜間，這應(yīng)與白天農(nóng)作物強(qiáng)烈的光合作用有關(guān).CO2通量的最大值出現(xiàn)在12時(shí)，數(shù)值為0.034 mmol·m-2·s-1，即1.50 mg·m-2·s-1，與前人在華北地區(qū)冬小麥田下墊面獲得的結(jié)果一致，如：張永強(qiáng)等(2002)給出白天CO2通量峰值為1.65 mg·m-2·s-1；莫興國(guó)等(2003)給出CO2通量峰值為1.20 mg·m-2·s-1.整體上，觀測(cè)地區(qū)的CO2自上向下傳輸，是CO2匯.

圖12給出了CH4通量隨時(shí)間的變化.觀測(cè)期間，CH4通量在-0.015到0.01 μmol·m-2·s-1之間波動(dòng)，但并未呈現(xiàn)明顯的日變化規(guī)律，與張中杰等(2005)在川中丘陵地區(qū)和孫善彬(2007)在華北平原用靜態(tài)箱/氣相色譜法觀測(cè)得到的結(jié)果一致.觀測(cè)期間，CH4的平均通量為-44.8 μmol·m-2·h-1，與齊玉春等(2002)和張雪松等(2006)在華北平原冬小麥田的結(jié)果相符.

圖11　 CO2通量的日變化Fig.11　Diurnal variation of CO2 flux

圖12　CH4通量隨時(shí)間的變化Fig.12　Change of CH4 flux with time

6松弛渦旋累積法經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的確定

利用松弛渦旋累積(REA)法獲取湍流通量，首先需要確定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b的取值.這里，首先以三維超聲風(fēng)溫儀的溫度測(cè)量結(jié)果為例，說(shuō)明計(jì)算和確定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b的方法.按照REA法的理論，熱量的垂直輸送應(yīng)滿足：

(10)

同樣的，水汽密度資料模擬計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b為(如圖13b)：

(12)

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)bH2O=0.73，相比前人結(jié)果偏大，相關(guān)系數(shù)R2=0.99.

CO2濃度的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b為(如圖13c)：

(13)

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)bCO2=0.61，與前人結(jié)果相符，也與溫度的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)接近，符合關(guān)于REA法中各標(biāo)量之間的相似性的結(jié)論，相關(guān)系數(shù)R2=0.98.可以認(rèn)為，用溫度作為代理標(biāo)量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b，并以此為基礎(chǔ)用REA法觀測(cè)CO2通量具有可行性.

圖13d給出CH4濃度的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b為

(14)

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)bCH4=0.30，明顯小于其他標(biāo)量，相關(guān)系數(shù)R2=0.77.與其他標(biāo)量結(jié)果相比，CH4結(jié)果的離散程度較大，其可能的原因與小麥田沒(méi)有很強(qiáng)的CH4源或匯，CH4通量數(shù)值相對(duì)較小，相對(duì)誤差較大有關(guān).

馮浦捷(2012)在臺(tái)灣地區(qū)水稻田使用LI-7700開路式CH4分析儀和條件采樣儀器，分別用EC法和REA法對(duì)水稻田的CH4通量進(jìn)行了觀測(cè).REA法的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取b=0.4，由溫度數(shù)據(jù)擬合得到.兩種方法得到的CH4通量對(duì)比的結(jié)果為：

FCH4,EC=0.77×FCH4,REA+0.13

(R2=0.81),

(15)

因此，取b=0.4時(shí)，使用REA法獲得的CH4通量偏高.若要使EC法和REA法得到的CH4通量相符，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b的取值應(yīng)為0.77×0.4=0.308，約為0.31，這一結(jié)果與本文得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)bCH4=0.30基本吻合.

7結(jié)論

本文利用2012年4月30日到5月10日在河北景縣開展的大氣湍流和大氣環(huán)境觀測(cè)資料，分析了華北平原冬小麥下墊面的大氣湍流統(tǒng)計(jì)特征以及水熱和物質(zhì)交換特征，并給出了REA法獲取湍流通量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b.得到：

圖13　(a) 溫度, (b) 水汽濃度, (c) CO2濃度, (d) CH4濃度模擬并確定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)bFig.13　Empirical coefficient b simulated from (a) temperature, (b) water vapor concentration, (c) carbon dioxide concentration, and (d) methane concentration

(1) 不穩(wěn)定層結(jié)下，溫度、濕度、CO2和CH4濃度的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差與穩(wěn)定度參數(shù)z/L的變化滿足-1/3冪次關(guān)系；熱量、水汽和CO2的水平輸送和垂直輸送的比值與穩(wěn)定度參數(shù)z/L存在相關(guān)，而CH4則沒(méi)有出現(xiàn)類似的關(guān)系.

(2) 觀測(cè)期間，潛熱通量的數(shù)值明顯大于感熱通量，顯示出冬小麥田下墊面的熱量分配特征.感熱通量在±100 W·m-2間變化；潛熱通量?jī)H在夜晚出現(xiàn)微弱的負(fù)值，一般在中午達(dá)到峰值，峰值最大可達(dá)到730 W·m-2；CO2通量?jī)H在夜間表現(xiàn)為微弱的正值，白天為明顯的負(fù)值，整體表現(xiàn)為碳匯；CH4通量未出現(xiàn)明顯的日變化特征，觀測(cè)期內(nèi)平均CH4通量為負(fù)值，整體表現(xiàn)為CH4匯.

(3) 利用溫度、水汽、CO2和CH4濃度的湍流脈動(dòng)資料模擬和確定了REA法獲取湍流通量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b，分別為bT=0.60，bH2O=0.73，bCO2=0.61，bCH4=0.30.其中溫度、CO2濃度的結(jié)果與前人接近，水汽濃度高于前人結(jié)果.

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(本文編輯何燕)

Turbulent characteristics of water, heat, carbon dioxide and methane transport over winter wheat fields of North China

GE Hong-Xing1， ZHANG Hong-Sheng1*， LUO Fan1， CAI Xu-Hui2，SONG Yu2， KANG Ling2， HUO Qing2

1DepartmentofAtmosphericandOceanicSciences,SchoolofPhysics,PekingUniversity,Beijing100871,China2DepartmentofEnvironmentalScience,CollegeofEnvironmentalSciencesandEngineering,PekingUniversity,Beijing100871,China

AbstractBased on the turbulent observations during April 30 and May 10 2012, this work investigated statistical characteristics of atmospheric turbulent and water, heat, carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) transport in North China. The empirical coefficient used to calculate the flux of CH4 in the Relaxed Eddy Accumulation (REA) method was simulated. The results show that in unstable conditions, the normalized standard deviations of temperature, humidity, CO2 and CH4 are related to z/L following the “-1/3 power law”. The ratios between horizontal transport and vertical transport of heat, water vapor and CO2 are related to z/L, but CH4 has no similar relationship. Sensible heat flux is quite low while latent heat flux is relatively high. CO2 flux is slightly above zero during nighttime and below zero during daytime, indicating that the observed area is a carbon sink. CH4 flux is mainly below zero, indicating that the observed area is a methane sink. The values of the empirical coefficients used to calculate the flux of CO2 and CH4 in REA method are 0.61 and 0.30, respectively.

KeywordsTurbulent transport； CO2； CH4； REA； North China

基金項(xiàng)目環(huán)保部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201409001)，國(guó)家自然科學(xué)基金(91544216，41475007)資助.

作者簡(jiǎn)介葛紅星，男，1991年生，博士生，研究方向?yàn)榇髿膺吔鐚优c大氣環(huán)境.E-mail：ge_star@163.com *通訊作者張宏升，男，教授.E-mail：hsdq@pku.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160406 中圖分類號(hào)P401

收稿日期2015-01-28，2016-02-23收修定稿

葛紅星， 張宏升， 羅帆等. 2016. 華北地區(qū)冬小麥田水熱、二氧化碳和甲烷湍流輸送特征的實(shí)驗(yàn)研究.地球物理學(xué)報(bào)，59(4):1235-1248,doi:10.6038/cjg20160406.

Ge H X, Zhang H S, Luo F, et al. 2016. Turbulent characteristics of water, heat, carbon dioxide and methane transport over winter wheat fields of North China.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(4):1235-1248,doi:10.6038/cjg20160406.