热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (4): 561-569  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.04.014
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引用本文  

陈辰, 韦志刚, 董文杰, 等. 珠海凤凰山陆气相互作用观测塔通量数据的质量控制与评价[J]. 热带气象学报, 2018, 34(4): 561-569. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.04.014.
CHEN Chen, WEI Zhi-gang, DONG Wen-jie, et al. Quality control and evaluation of flux data of observation platform about land-atmosphere interaction in zhuhai phoenix mountain[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(4): 561-569. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.04.014.

基金项目

国家重大科学研究计划项目(2014CB953903)资助

通讯作者

韦志刚,男,教授,理学博士,主要从事陆气相互作用和气候动力学的研究工作。E-mail:wzg@bnu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-05-05
修订日期:2018-03-24
珠海凤凰山陆气相互作用观测塔通量数据的质量控制与评价
陈辰 1, 韦志刚 1,3, 董文杰 2,3, 朱献 1,3, 陈广宇 1, 郑志远 2     
1. 北京师范大学地理科学学部/地表过程与资源生态国家重点实验室,北京 100871;
2. 中山大学大气科学学院,广东 珠海 519082;
3. 北京师范大学珠海分校未来地球研究院/珠海区域气候-环境-生态预测预警协同创新中心,广东 珠海 519087
摘要:针对广东省珠海凤凰山森林生态系统2015年的湍流原始数据,分析了各修正过程对通量的影响。结果表明:野点较多,需要考虑去除;频率响应修正对通量结果影响不大;倾斜修正的影响在3%左右;超声虚温修正对感热通量的影响变化幅度达30%;WPL修正对碳通量结果影响可达25%左右。经过对观测数据的质量评价,感热通量约有85%,潜热通量和碳通量约有80%的数据可用于通量分析。感热通量在1年中的变化幅度不大;潜热通量变化显著,尤其在季风后迅速增大;碳通量变化与森林下垫面密切相关,夏季变化幅度大,冬季变化较小。
关键词通量数据    质量控制    质量评价    陆气相互作用    
QUALITY CONTROL AND EVALUATION OF FLUX DATA OF OBSERVATION PLATFORM ABOUT LAND-ATMOSPHERE INTERACTION IN ZHUHAI PHOENIX MOUNTAIN
CHEN Chen 1, WEI Zhi-gang 1,3, DONG Wen-jie 2,3, ZHU Xian 1,3, CHEN Guang-yu 1, ZHENG Zhi-yuan 2     
1. State Key Laboratory of Earth Surface processes and Resource Ecology, Department of geography, Beijing normal university, Beijing 100871, China;
2. School of Atmosphere Sciences, Sun Yat-sen university, Zhuhai 518082, China;
3. Center for Zhuhai Climate-Environment-Ecology Prediction and Early Warming Co-innovation, Future Earth Research institute, Beijing Normal University, Zhuhai 518087, China
Abstract: Analyzed the turbulence data of Zhuhai's Phoenix Mountain Forest Ecosytem in 2015 and the the influence of the correction process. The result is that the spike more and need to consider to remove. The process of frequency reponse correction has little effect on the flux effects, the slope correction has a greater impact and the change about 3%. The sonic temperature correction has a great influence on the sensible heat flux, the various range about 30%. And the WPL correction has a great influence, especailly the carbon flux about 25% variation. After evaluating the quality, the sensible heat flux is about 85%, and the latent heat flux and the carbon flux are about 80% better. The change of latent heat flux is not significant, and the latent heat flux increase rapidly after the monsoon. The change of carbon flux is closely related to the underlying surface of the forest, great changes in summer and small changes in winter.
Key words: flux data    quality control    quality evalution    interaction between land and atmosphere    
1 引言

随着全球变暖问题逐渐成为国际社会广泛关注的焦点,作为温室气体的CO2变化的重要性不言而喻。陆地植被作为地球主要碳库,通过光合作用和植物群落的结构与功能直接影响陆地生态系统碳循环与收支,在全球碳平衡中扮演着重要角色[1-3]。在陆地生态系统中,与碳收支有关的生态过程最重要的就是能量收支平衡[4]。大气和地表之间动量、热量及水汽通量的交换在很大程度上决定了大气的稳定程度[5],同时对于区域及全球的气候变化和大气环流的影响也扮演着不可或缺的角色[6-8]。气候模拟对陆地表面感热和潜热能量的季节变化和日变化非常敏感[9-10]。陆气间能量交换的研究显得尤为重要[11-13]

目前,以研究生态系统与大气间能量交换为主的国际通量网(FLUXNET),到2014年4月为止已经在全球不同地区建立了683个观测站点。中国通量网(China Flux)针对全国农田、草地、森林和湿地等不同下垫面类型,在全国各地建立超过100个观测站点,对典型陆地生态系统与大气间CO2、水汽和能量通量的日、季节和年际变化进行长期观测研究。森林作为地球生态系统的重要组成部分,是面积最大、最重要的自然生态系统,对维持区域生态平衡起着重要的调节作用[14]。王安志等[15]采用两种方法对长白山的阔叶红松林的湍流通量进行测算,以定量分析森林下垫面物质与能量的垂直输送。于贵瑞等[16]对千烟洲的亚热带人工针叶林和长白山的温带阔叶红松林混交林生态系统的碳通量进行了长期观测,分析森林生态系统呼吸的季节变化及其环境响应特征。Ohta等[17]分析了西伯利亚松叶林森林东部从1996年9月—1997年8月的通量变化特征,并探究引起感热通量和潜热通量变化的主要影响因子。Baldocchi等[18]为了研究北方森林由于生长季节的太阳辐射、土壤和大气温度等因素导致的能量通量的变化,测量了位于加拿大中部的北方短叶松森林生产季节感热、潜热通量,以及土壤和冠层热储量等物理量。

湍流通量的计算方法主要包括空气动力学方法、波文比?蛳能量平衡方法、涡度相关法和通量梯度法等[19-20]。经长期验证,以湍流传输理论为基础的涡动相关法以其精度高、扰动小、可长期连续观测等优点,被广泛应用于草地、农田、森林等生态系统物质和能量的交换研究[21-22]。但由于涡动相关技术的复杂性和各通量站点环境因子的不确定性,该方法在实际应用中仍存在一些问题。涡动相关方法最初建立在平坦地形、植被粗糙度较低的下垫面的基础上,然而现实中大部分通量站建在下垫面较复杂的环境中,起伏的地形往往不能满足仪器测量的理论要求[23]。因此,针对不同下垫面情况,有必要对涡动相关仪观测数据的质量进行适当的校正及评价,以保证数据的准确性,以此获取典型下垫面的地表特征量及对陆面过程参数化方法提供一定的数据支持。本文选取位于广东省珠海凤凰山观测塔的观测资料,旨在探讨典型涡度通量修正法对该地区的适用性,同时检测该套数据的质量,作为保证今后研究工作准确性的基础。

2 研究区域与方法介绍 2.1 研究区域概况

珠海凤凰山地处北回归线以南,属沿海丘陵地区,是典型的南亚热带季风气候,阳光充足,热量丰富,气温高,雨量充沛。年平均气温22.3 ℃,最低气温2.5 ℃。年降水量为1 770~2 300 mm,4—9月盛行东南季风,为雨季,降水量占全年的85%;10月—次年3月盛行东北季风,为旱季。大气的年平均相对湿度为79%,每年初春时节空气湿度较大,有时可达到100%。凤凰山森林植被覆盖率达90%,植被类型为南亚热带常绿阔叶林群落。树木种类繁多,在天然乔木树种的基础上,又增添了人工培育的马尾松、湿地松和大叶相思树等乔木树种[24]

珠海凤凰山的陆气相互作用观测塔位于珠海凤凰山北麓的北京师范大学珠海分校校园西部森林区,下垫面为典型的南亚热带再生常绿阔叶林,森林冠层平均高度18 m,观测塔高60 m,包含气象、通量和辐射三套观测系统[22]。通量观测系统主要由CR3000数据采集器、CSAT3A超声风速仪和EC150开路气体分析仪组成。探头安装于55 m高度,面朝155°SSE方向处,通过观测水汽、CO2、超声虚温及三维风等原始湍流数据,从而得到植被冠层和大气间感热通量、潜热通量、CO2通量。观测频率为10 Hz,采样时间间隔为100 ms[24]

2.2 研究方法

珠海凤凰山站建站至今,在保证数据连续性及一定准确性的条件下,已收集2014年11月—2016年5月共19个月的涡动观测数据。本文从这些原始湍流数据出发,分析各处理过程对通量结果的影响程度,评价整套通量数据的质量,以此为森林生态系统涡动相关数据的处理提供参考依据。

选用功能更强、可选性更丰富的Eddy Pro作为处理涡动相关数据的主要软件[25-27],采用王介民[28]介绍的涡动相关通量计算方法及质量保证和控制的要求进行研究。在计算前剔除了降水及降水前后1 h的数据;同时当半小时内数据缺测率达到3%时,将该时段数据全部剔除。另外,对超出阈值的湍流原始值进行剔除,CO2浓度范围为100~1 000 mg/m3,水汽浓度范围为0~50 g/m3。超声虚温范围为273~323 K。

2.2.1 原始通量数据预处理

原始湍流数据的检查和预处理是处理过程的首要环节,主要包括检查传感器异常标志(flag)、去除野点和计算水汽与CO2信号相对于垂直风速的时间滞后并去除。其中野点主要是由雨雪、尘粒和飞虫等外部污染物造成的干扰出现瞬间断电以及由于电源不稳、感应原件不稳定等电子电路现象造成的异常。本文采用方差检验法,将相邻2点之差大于总体标准差的n倍定义为野点后去除,一般取n=4~6(本文取n=4)。野点去除后,该点的值用其前后相邻值的线性内插值取代[28]

2.2.2 通量计算及其必要修正

对通量数据修正主要包括坐标旋转(倾斜修正)、频率响应修正、超声虚温修正及WPL修正。

2.2.2.1 坐标旋转(倾斜修正)

当涡动相关仪观测湍流通量时,一个重要的前提假设是:在一段时间内平均垂直风速为零[29],需要地表相对均匀平坦或者水平倾斜度小于0.1,否则水平风(或平行于斜坡的风)分量会在垂直(于地面)的方向产生分量,影响垂直风速w的观测精度。因此需要通过修正保证z轴垂直于地面,使垂直风正交于平均气流方向[30]。目前倾斜修正的方法有:二次坐标旋转(DR)、三次坐标旋转(TR)和平面拟合修正法(PF)。由于本次研究地区下垫面为森林,且有小的地形起伏,因此选择Wilczak等[31]提出的平面拟合法,以保证修正的准确性[28]

2.2.2.2 频率响应修正

又称为频率损失修正,是由于涡动相关仪系统本身的物理局限性,导致对高低频信号响应不足的频率损失,包括低频损失(较大的涡旋的贡献估计不充分)以及高频损失(较小的涡旋的贡献估计不充分)两部分。前者主要是由时段平均即取平均时间不够长及处理中有去线性、去趋势等引起,后者主要由传感器声程或光程引起的“路径平均”及安装时不同传感器之间的大的间距等造成的[28]。本文在使用Eddy Pro软件进行频率响应修正时,选择Moncrieff等[32-33]提出的算法对高频和低频损失分别进行修正[25]

2.2.2.3 超声虚温修正

超声风速温度计在实际观测温时,输出的温度实际上是与风和空气湿度有关的声虚温,因此需要修正湿度的影响。由超声温度确定的感热与由温度确定的感热(如热电偶测量的快速气温,或者先由虚温和比湿计算出气温等)的关系为,

(1)

TS = T(1+0.51q)则得到,

(2)

其中,qq′表示比湿的平均值和脉动值,w′和Ts′表示原始湍流的垂直风速和超声虚温的脉动值,B表示波文比,等于感热与潜热的比值。当|B| < 1,即感热的绝对值小于潜热的绝对值时,该步订正至关重要。结合研究地区潮湿多雨的气候类型,感热的超声虚温订正是重要的一步订正过程。

2.2.2.4 WPL修正

当CO2和水汽作为大气湍流通量的次要成分,通过湍流协方差或者平均梯度方法进行测量计算时,其密度数值可能会由于受到热量或水汽通量的影响产生变化[34],因此需要对CO2和水汽的密度进行修正。本文采用的WPL修正是Webb等[34]提出的在假设干空气质量守恒前提下,通过平均垂直风速得到潜热和碳通量的修正方法[29, 35-36]。潜热通量修正公式为,

(3)

考虑到波文比,式(3)进一步推导简化为,

(4)

其中表示由水汽密度的波动量计算协方差所求得的潜热,σ为水汽混合比,μ为干空气摩尔质量与水汽摩尔质量的比值,等于1.61(即1/0.622),q为比湿,一般q < 50 g/kg=0.05 kg/kg。因此当|B|>1,即|H|>|LE|时,WPL变换是必须的。结合该地区水汽充沛,大部分时间潜热通量大于感热通量的现象,该步修正对感热通量的结果影响不大。

碳通量的修正公式为,

(5)

式中,FρC表示根据观测到的CO2摩尔密度ρC计算的碳通量,后两项分别表示碳通量的水汽WPL订正项和感热WPL订正项。该变换订正了当潜热或感热不为0时,由于水汽含量的扰动和气温扰动引起的CO2扰动的涡动通量。该地区由于水汽含量高,使得碳通量的变化较大,因此该步订正至关重要。

2.2.3 湍流观测数据及通量计算结果的质量评价 2.2.3.1 湍流平稳性分析

湍流平稳性:在一个观测时次内,主要统计量应该保持稳定,没有明显的变化趋势或出现结构性变化,通常采用非平稳指数IST来进行定量化的表示。具体公式为,

(6)
(7)

其中,CVn为某观测时段内总体协方差,将这个时段平均分成m个子段,计算这m个子段的协方差,求其均值得到CV。一般情况下,设n=30 min,平均分成6段,每段为5 min。根据Foken等[37]分类方法,具体分类标准见表 1

表 1 IST分类表[37]
2.2.3.2 湍流发展的充分性分析

湍流发展的充分性检验是对湍流总体发展情况的检验。在湍流充分发展的情况下,Monin-Obukhov相似理论成立,近地层大气的方差、能谱协方差等归一化无量纲参数,只是稳定度ζ=z/Lz为仪器架设高度与零平面位移之差,L为Monin-Obukhov长度)的函数[38]

采用文献[39-40]提出的函数形式,对垂直风速的无量纲方差进行对比检验,具体公式为:

(8)
(9)
(10)
2.2.3.3 通量数据整体质量评价

经过上述的湍流充分性分析(根据ITC数值范围)和湍流平稳性检验(根据IST数值范围),综合考虑后根据表 2所示Foken等[37]提出的分类标准,对珠海凤凰山1年多通量观测资料进行检验。其中质量标志1~3表示高质量数据,可用于基础研究;质量标志4~6表示中等质量数据,可用于长期观测资料处理;质量标志7~8表示低质量数据;9表示需要剔除的数据。本文选择质量标志为1~6的数据用于一般通量数据分析。

表 2 湍流数据质量分级指标[37]
3 结果分析 3.1 野点的影响

图 1为2014年11月—2016年5月感热通量(H)、潜热通量(LE)和碳通量(Fc)未经过去除野点修正的观测值,红点表示野点。可见,通量的野点较多,各时间段均有分布,表现较离散。相对来说,碳通量的野点数较少,感热通量和潜热通量较多,且分布较密集。去除野点对通量值的准确性必不可少。

图 1 2014年11月—2016年5月各通量观测值分布 红点表示野点。a.感热通量;b.潜热通量;c.碳通量。
3.2 倾斜修正(坐标旋转)

图 2表示倾斜修正前后的感热、潜热通量及碳通量值的比较。可见离散点较多,对通量的影响较大,但整体特征与处理前较一致,相关系数均大于0.9,其中感热通量处理前后数据的拟合结果稍偏离y=x的对角线,潜热通量和碳通量的拟合结果与对角线几乎一致。并且倾斜修正后,大部分感热和热通量数据有所增加,增加幅度约为3%。

图 2 2014年11月—2016年5月倾斜修正前后的通量值比较 a.感热通量;b.潜热通量;c.碳通量。
3.3 频率响应修正

图 3表示频率响应修正前后通量值的比较。可见,频率响应修正前后感热通量和碳通量变化不大,数据点围绕拟合线小幅度波动,且拟合线与y=x对角线几乎重合,未发生偏离。对于潜热通量的修正影响较大,离散点较多,且拟合线偏离对角线程度稍大,数据点变化幅度为2%~3%。

图 3 2014年11月—2016年5月频率响应修正前后的通量值比较 a.感热通量;b.潜热通量;c.碳通量。
3.4 感热的超声虚位温修正

图 4是对感热进行超声虚温修正前后的通量值比较。可见,感热通量受到超声虚温影响较大,离散点多,变化幅度约为30%。尤其当感热通量为负值时离散程度最剧烈,结合感热通量白天为正值、夜间为负值的基本变化特点,可知超声虚温订正主要对夜间数据产生影响。

图 4 2014年11月—2016年5月感热的超声虚温修正前后的通量值比较 a.潜热通量;b.碳通量。
3.5 WPL修正

图 5是WPL校正前后潜热通量和碳通量的日变化情况(以2015年7月1—5日为例),可见修正后潜热通量值增加,但变化不大;碳通量值也大体呈增加趋势,导致变化幅度减小,通量值更趋于集中,且变化幅度远大于潜热通量,增幅约27%。另外,WPL过程主要修正了白天的潜热和碳通量,对于夜间的数据基本没有变化。

图 5 2015年7月1—5日WPL修正前(黑线)、后(红线)各通量的日变化
3.6 湍流平稳性分析

图 6是各通量值在进行湍流平稳性检验后的分布情况。各通量的湍流平稳性较好,大部分数据分布在标准范围的前4类,其中除感热通量有少部分数据分布在6~9类范围内,潜热通量和碳通量均属于标准分布的前6类数据。属于湍流的平稳性很好的前2类数据分布较少,只有20%左右,因此可能会对最后的通量结果带来一定误差。

图 6 感热通量、潜热通量和碳通量湍流平稳性检验

图 7是湍流平稳性较好的属于1~3类的数据在不同月份各风向上的频次分布情况。1月平稳性较好的湍流通量主要为东北风,3月主要分布为东南风,5月为西南风,7月主要的风向集中在南风,这与该地区在不同季节的主风向一致[38],因此各通量在主风向上较能满足湍流平稳性要求。

图 7 湍流平稳性检验等级为1~3的通量值在不同月份各风向上的频次分布
3.7 湍流发展的充分性分析

图 8是水平、垂直风速及温度标准差分别与摩擦速度和摩擦温度的比值(风速与温度的无量纲方差)随稳定度的变化,其中左侧表示不稳定层结,右侧表示稳定层结(剔除摩擦速度小于0.1 m/s的数值)。另外不稳定层结条件下的三条拟合线,分别代表水平、垂直风速及温度的无量纲方差在该条件下模拟值表示的结果。由左侧前两张图可知,在不稳定层结下,无量纲垂直风速方差比水平风速方差的离散性小,说明相似性较好,下垫面类型及地形对其影响不大。反之,该地区复杂的森林下垫面对水平风速的影响较大,使其满足湍流充分发展条件的数据较少。右侧前两张图的稳定条件下,垂直风速和水平风速的无量纲方差随稳定度变化较为集中,主要围绕某一固定值上下浮动,这与经验公式的表达相一致,说明该种情况下满足条件的数据较多。无量纲温度方差随稳定度变化趋势较一致,但稳定条件下热力湍流活动受到抑制,导致空气间热交换速度缓慢,使温度方差增大(温度脉动增大),最终点分布较为离散,满足湍流充分发展的数据较少[3, 41]

图 8 水平(上)、垂直风速(中)及温度(下)的无量纲方差在不稳定层结(左)和稳定层结(右)的变化
3.8 总体质量评价

表 3~5分别表示2015年不同月份的通量数据的等级比较结果。其中感热通量的数据质量最好,有47.5%的数据质量很好,37.8%的数据较好,只有2.0%的数据需要剔除。潜热通量和碳通量整体质量稍差,平均有40.0%的数据质量很好,39.2%的数据较好,5.9%的数据必须剔除。

表 3 2015年不同月份感热通量数据的等级比较    单位:%。
表 4 2015年不同月份潜热通量数据的等级比较    单位:%。
表 5 2015年不同月份碳通量数据的等级比较    单位:%。
3.9 湍流通量年变化及季节变化特征

图 9是经过修正后的逐月湍流通量的日变化特征,湍流通量具有明显的日变化特征。其中感热通量白天为正、晚上为负,即白天由于地表吸收太阳辐射增温,热量以感热形式从地面传递给大气,晚上地表缺少太阳辐射的加热而逐渐降温,大气在白天储存的热量将传递给地面。潜热通量基本为正值,说明潜热通量的传递主要由地表向大气[42]。碳通量基本上表现为白天为负、晚上为正的特征,与森林植被在白天以光合作用为主而表现为碳汇,夜间的呼吸作用而表现为碳源有关。由于该地区是典型的南亚热带季风气候,水汽含量高,因此整年的潜热通量除干燥的冬季外均高于感热通量,尤其在4月爆发季风后潜热通量值迅速增加,最高时可达到感热通量的3倍左右。碳通量受到森林下垫面的影响,在夏季生长最茂盛时,生理活动最强,导致碳通量变化幅度最剧烈。

图 9 逐月感热、潜热(a)及碳通量(b)平均日变化曲线
4 结论与讨论

本文利用珠海凤凰山陆气相互作用观测塔站的通量数据,较全面地分析了涡动相关数据处理的几个重要步骤对湍流通量值的影响情况,并对通量数据进行了详细的质量评价。

(1)野点数量较多,对数据进行检验修正很必要;频率响应修正对湍流通量的结果影响不大,而对感热通量的影响稍大,对潜热和碳通量的影响很小;倾斜修正对通量结果影响较大,变化约为3%;超声虚温修正对感热通量影响较大,变化幅度达到30%,且主要针对夜间的通量值。

(2)WPL修正对潜热通量影响不大,对碳通量修正很必要,增幅约25%;WPL修正主要在白天,夜间的数据基本没有变化。

(3)对通量结果进行整体的质量评价表明,感热通量可用于基础研究的数据达85%,潜热通量和碳通量可达79.2%。

(4)感热通量在2015年的变化幅度不大,最高值维持在150 W/m2左右;潜热通量变化显著,在季风后迅速增大,最高值可达350 W/m2以上;碳通量变化与森林下垫面密切相关,夏季变化幅度大,冬季变化较小,数值更趋于集中。

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