深圳氣象梯度觀測塔近地層通量數(shù)據(jù)初步分析

張春生 盧超 鐘曉勇 高瑞泉 劉愛明 古銳昌

（深圳市國家氣候觀象臺，深圳 518040）

0 引言

流體力學的研究表明，大氣邊界層內大氣的主要運動方式是湍流，湍流輸送是地球生態(tài)系統(tǒng)和大氣進行熱量、水汽、CO2等物質與能量交換的主要方式。進行湍流通量觀測能夠很好地掌握大氣邊界層各種物理量的分布和變化，進而對邊界層進行分析研究，掌握地氣間物質能量的運行形式。獲取湍流通量對大氣模式，特別是陸面模式的檢驗和發(fā)展、遙感產(chǎn)品的地面驗證等都具有非常重要的作用，可以有效提高數(shù)值模式天氣預報的精度。觀測湍流通量的方法一般有空氣動力學方法、熱量平衡方法和渦度相關法[1-4]。

19世紀末，英國物理學家Osborne Reynolds逐步建立了渦度相關的理論基礎，受觀測技術和儀器的性能限制，響應速度慢的傳統(tǒng)觀測儀器并不能滿足渦度相關的觀測的需要。隨著現(xiàn)代觀測技術的不斷發(fā)展，快速響應的觀測設備如三維超聲風速儀，痕量氣體分析儀等觀測設備的出現(xiàn)，加上計算機技術的發(fā)展，使渦度相關法得到發(fā)展。20世紀末，全球最大的通量觀測網(wǎng)FLUXNET開始建設，是一個由微氣象塔組成的、以渦動相關方法為主觀測地球生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的水汽、CO2和能量交換的通量觀測網(wǎng)絡[5-7]。

深圳市氣象局于2016年建成356 m氣象梯度塔，梯度塔位于石巖，塔下植被以樹木為主，依托梯度塔建成了渦度相關系統(tǒng)，進行通量和能量平衡觀測，獲得了大量連續(xù)的觀測資料。本文利用梯度塔上安裝的渦度相關系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，計算2017年秋季和冬季的近地面湍流輸送通量，對該地區(qū)地氣間能量和物質交換進行了初步分析。

1 資料和方法

本文采用資料來源于渦度相關系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在深圳地區(qū)石巖綜合氣象觀測基地的氣象梯度塔上，距離地面高度為10 m。該觀測場地形平坦，植被以熱帶常綠闊葉林為主，植被高度一般為3～5 m。渦度相關系統(tǒng)主要由Cambell公司的CSAT3超聲風速儀和LI-COR公司的水汽CO2分析儀構成，測量要素包括的三維風速、超聲虛溫，以及水汽、CO2濃度。測量要素的主要技術指標見表1。本文使用的觀測資料時間跨度為2017年9月—2018年2月，為便于分析，定義9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

表1 觀測要素主要技術指標 Table 1 Main technical indicators of observational elements

渦度相關系統(tǒng)是用于計算分析地氣交換通量最常用的觀測系統(tǒng)，按原理其觀測數(shù)據(jù)做簡單的協(xié)方差和雷諾平均后即可算得湍流輸送通量。但在實際操作中，為了得到更加準確的結果，需要對渦度相關系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)進行一系列的處理，包括異常數(shù)據(jù)剔除、坐標旋轉、空氣密度訂正、頻率響應修正等[8-14]。在國際上也有一些通用的軟件對渦度相關觀測資料進行質量控制和通量計算，如LI-COR公司的EddyPro，EddyPro軟件界面友好，功能全面，可選方案多樣，本文使用該軟件對渦度相關系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)進行了質量控制和通量計算。

1.1 異常數(shù)據(jù)剔除

異常數(shù)據(jù)剔除的重要步驟是進行異常數(shù)據(jù)篩選，在此假設通量計算時間段（30 min）內的觀測值均服從正態(tài)分布，認為過度偏離平均值的觀測值即為異常數(shù)據(jù)。具體操作為：計算30 min內觀測值的平均值及標準差，對偏離平均值超過3.5倍標準差的觀測值標記為異常數(shù)據(jù)并賦為缺測值，如此重復3次，至數(shù)據(jù)符合要求[14]。本文數(shù)據(jù)處理過程中不進行數(shù)據(jù)插補，當30 min內缺測值數(shù)量大于20%時，則該30 min的通量值為缺測，不再計算該時間段內的交換通量。

1.2 坐標旋轉

常用的坐標旋轉方法有二次旋轉、三次旋轉和平面擬合[5]，研究表明三次旋轉方法會引入較大的誤差，基本不再使用[14-15]。平面擬合方法一度非常流行，但其旋轉角度需使用較長時間觀測序列計算確定（一般要數(shù)天甚至幾周），后來有研究顯示其旋轉角度隨風速風向變化較大，如采用單一的旋轉角度，會給通量計算帶來很大的不確定性，尤其是下墊面不平坦的情況[6]。本文也曾對利用平面擬合法計算了不同時間段的旋轉角度，發(fā)現(xiàn)各月旋轉角度差異較大，貿然使用固定的旋轉角度可能會給通量計算帶來較大誤差，因此決定不采用平面擬合方法作坐標旋轉。二次旋轉法每次僅用30 min計算旋轉角度，旋轉角度受風速風向變化的干擾小，因此本研究采用二次旋轉方法對渦度相關數(shù)據(jù)進行坐標旋轉處理，具體做法參考了宋濤等[6]和劉輝志等[7]的研究。

1.3 WPL 訂正

WPL訂正即空氣密度訂正。通常儀器在測量大氣中的水汽、CO2密度時，通過測量空氣中的分子數(shù)計算其密度，將分子密度轉換成絕對密度需要用到空氣密度。由于空氣密度會隨溫度和氣壓波動而發(fā)生變化，因此在計算中我們需要考慮空氣密度變化的影響，對水汽、CO2通量進行訂正，WPL訂正的具體做法參考Webb等的研究[16]。

此外，本文還對地氣交換通量進行了高頻和低頻響應修正，處理方案由EddyPro軟件根據(jù)儀器的位置等參數(shù)確定。

為分析秋季和冬季的湍流輸送通量特征，本文選用2017年9月—2018年2月的觀測數(shù)據(jù)計算湍流輸送通量。為更好地反映所選數(shù)據(jù)時段的湍流交換特征，計算了兩個季節(jié)平均的湍流輸送通量日變化并分析其特征。

2 結果分析

2.1 動量通量

圖1 秋季和冬季近地面動量通量日變化 Fig. 1 Diurnal variation of near surface momentum flux in autumn and winter

圖1為深圳氣象梯度觀測塔近地層秋季和冬季近地面動量通量日變化圖，從圖中可以看出，秋季和冬季近地面動量通量日變化非常一致。日出前（08時以前）動量通量數(shù)值較小且變化不大，約為6×10-2kg/（m·s2）。日出后，動量通量迅速上升，在正午達到最大值，約為1.7×10-1kg/（m·s2）。到傍晚時分，動量通量開始從高值回落，日落后（18時以后）下降至日出前的水平?？梢娫撚^測站點地氣交換與典型的邊界層日變化過程比較一致，在凌晨和夜間，邊界層穩(wěn)定，湍流強度小，地氣間交換弱，在白天，地面加熱低層大氣導致邊界層穩(wěn)定性被破壞，湍流發(fā)展強盛，地氣間交換強。

2.2 感熱通量

圖2為秋季和冬季近地面感熱通量日變化圖，可以看出，深圳氣象梯度觀測塔秋季和冬季近地面感熱通量存在明顯的日變化，白天強夜間弱，且凌晨和夜間為負值。但冬季感熱通量明顯大于秋季，秋季感熱通量平均值為13.2 W/m2，最大值為82.9 W/m2（出現(xiàn)在12時），而冬季平均值為21.6 W/m2，最大值可達118.0 W/m2（出現(xiàn)在13:30）。表面上看，感熱通量冬季大于秋季不符合常識，原因是一般認為秋季太陽輻射大于冬季，但這里面還有個能量分配的問題，下面的分析會說明冬季感熱通量大于秋季是可能且合理的。

圖2 秋季和冬季近地面感熱通量日變化 Fig. 2 Diurnal variation of near surface sensible heat flux in autumn and winter

2.3 潛熱通量

圖3 秋季和冬季近地面潛熱通量日變化 Fig. 3 Diurnal variation of near-surface latent heat flux in autumn and winter

圖3為秋冬季節(jié)潛熱通量日變化圖，圖中顯示秋季和冬季潛熱通量同樣存在明顯的日變化，白天大夜間小。與感熱通量不同，潛熱通量全天均為正值，在凌晨和夜間約為10 W/m2，在白天可達50 W/m2以上。秋季潛熱通量日平均值61.5 W/m2，最大值高達173.4 W/m2（出現(xiàn)在14時）。冬季潛熱通量明顯小于秋季，日平均值為26.9 W/m2，最大值為74.9 W/m2（出現(xiàn)在11:30）。

地面受太陽輻射加熱后，主要以感熱和潛熱的方式加熱大氣，這兩者之和為總熱通量，與近地面凈輻射成正比。圖4顯示，深圳氣象梯度觀測塔秋季近地面總熱通量明顯高于冬季，符合秋季凈輻射高的特點。可見該區(qū)域冬季感熱通量高于秋季是完全可能的，主要是秋季地面將更多的能量以潛熱的形式輸入大氣，導致輸入大氣的感熱能量減小。感熱通量和潛熱通量的比值稱為波文比，一般不同下墊面的波文比差別很大，還有研究顯示同一地區(qū)干濕季或季風爆發(fā)前后波文比差別也很大[17-18]。深圳氣象梯度觀測塔秋季日平均波文比為0.21，冬季波文比為0.80，可見該地區(qū)波文比季節(jié)差異極大。許多研究表明[19-20]，近地面感熱和潛熱通量的比例分配最主要受土壤濕度的影響，目前我們還缺乏該區(qū)域土壤濕度的數(shù)據(jù)，在將來的研究中可對此作進一步分析。

圖4 秋季和冬季近地面總熱通量日變化 Fig. 4 Diurnal variation of total near surface heat flux in autumn and winter

2.4 CO2通量

從圖5秋季和冬季近地面CO2通量日變化圖可以看出，深圳氣象梯度觀測塔近地層秋季和冬季的CO2通量呈現(xiàn)相似的日變化特征，凌晨和夜間為較小的正值，白天為較大的負值。秋季CO2通量日平均值為-1.89 μmol/(m2·s)，夜間約為2.00 μmol/(m2·s)，白天負值可達-10 μmol/(m2s)以上。冬季CO2通量絕對值比較秋季小，日平均值為-1.33 μmol/(m2·s)，白天負值可達-8 μmol/(m2·s)。上述結果表明該區(qū)域為碳匯，CO2通量的季節(jié)變化可能是受下墊面植被影響，秋季植被多，光合作用強，故向下的CO2通量更大，固碳能力更強。

圖5 秋季和冬季近地面CO2通量日變化 Fig. 5 Diurnal variation of near surface CO2 flux in autumn and winter

3 結論

利用深圳市氣象梯度塔渦度相關資料計算了秋冬季近地面動量、感熱、潛熱和CO2通量，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地氣交換存在明顯的日變化特征，而且秋季和冬季存在明顯差異。主要結論有：1）秋季和冬季近地層動量通量日變化一致，最大值出現(xiàn)在正午，約為1.7×10-1Kg/(m·s2)；2）秋季總熱通量日平均值為61.5 W/m2，大于冬季日平均值，主要原因是秋季潛熱通量遠大于冬季，但秋季感熱通量小于冬季；3）秋冬季CO2通量日平均為負值，表明該地區(qū)為碳匯，其中秋季碳匯作用更強。