深圳气象梯度观测塔近地层通量数据初步分析

张春生 卢超 钟晓勇 高瑞泉 刘爱明 古锐昌

（深圳市国家气候观象台，深圳 518040）

0 引言

流体力学的研究表明，大气边界层内大气的主要运动方式是湍流，湍流输送是地球生态系统和大气进行热量、水汽、CO2等物质与能量交换的主要方式。进行湍流通量观测能够很好地掌握大气边界层各种物理量的分布和变化，进而对边界层进行分析研究，掌握地气间物质能量的运行形式。获取湍流通量对大气模式，特别是陆面模式的检验和发展、遥感产品的地面验证等都具有非常重要的作用，可以有效提高数值模式天气预报的精度。观测湍流通量的方法一般有空气动力学方法、热量平衡方法和涡度相关法[1-4]。

19世纪末，英国物理学家Osborne Reynolds逐步建立了涡度相关的理论基础，受观测技术和仪器的性能限制，响应速度慢的传统观测仪器并不能满足涡度相关的观测的需要。随着现代观测技术的不断发展，快速响应的观测设备如三维超声风速仪，痕量气体分析仪等观测设备的出现，加上计算机技术的发展，使涡度相关法得到发展。20世纪末，全球最大的通量观测网FLUXNET开始建设，是一个由微气象塔组成的、以涡动相关方法为主观测地球生态系统与大气之间的水汽、CO2和能量交换的通量观测网络[5-7]。

深圳市气象局于2016年建成356 m气象梯度塔，梯度塔位于石岩，塔下植被以树木为主，依托梯度塔建成了涡度相关系统，进行通量和能量平衡观测，获得了大量连续的观测资料。本文利用梯度塔上安装的涡度相关系统观测数据，计算2017年秋季和冬季的近地面湍流输送通量，对该地区地气间能量和物质交换进行了初步分析。

1 资料和方法

本文采用资料来源于涡度相关系统，该系统安装在深圳地区石岩综合气象观测基地的气象梯度塔上，距离地面高度为10 m。该观测场地形平坦，植被以热带常绿阔叶林为主，植被高度一般为3～5 m。涡度相关系统主要由Cambell公司的CSAT3超声风速仪和LI-COR公司的水汽CO2分析仪构成，测量要素包括的三维风速、超声虚温，以及水汽、CO2浓度。测量要素的主要技术指标见表1。本文使用的观测资料时间跨度为2017年9月—2018年2月，为便于分析，定义9—11月为秋季，12月—次年2月为冬季。

表1 观测要素主要技术指标 Table 1 Main technical indicators of observational elements

涡度相关系统是用于计算分析地气交换通量最常用的观测系统，按原理其观测数据做简单的协方差和雷诺平均后即可算得湍流输送通量。但在实际操作中，为了得到更加准确的结果，需要对涡度相关系统观测数据进行一系列的处理，包括异常数据剔除、坐标旋转、空气密度订正、频率响应修正等[8-14]。在国际上也有一些通用的软件对涡度相关观测资料进行质量控制和通量计算，如LI-COR公司的EddyPro，EddyPro软件界面友好，功能全面，可选方案多样，本文使用该软件对涡度相关系统观测数据进行了质量控制和通量计算。

1.1 异常数据剔除

异常数据剔除的重要步骤是进行异常数据筛选，在此假设通量计算时间段（30 min）内的观测值均服从正态分布，认为过度偏离平均值的观测值即为异常数据。具体操作为：计算30 min内观测值的平均值及标准差，对偏离平均值超过3.5倍标准差的观测值标记为异常数据并赋为缺测值，如此重复3次，至数据符合要求[14]。本文数据处理过程中不进行数据插补，当30 min内缺测值数量大于20%时，则该30 min的通量值为缺测，不再计算该时间段内的交换通量。

1.2 坐标旋转

常用的坐标旋转方法有二次旋转、三次旋转和平面拟合[5]，研究表明三次旋转方法会引入较大的误差，基本不再使用[14-15]。平面拟合方法一度非常流行，但其旋转角度需使用较长时间观测序列计算确定（一般要数天甚至几周），后来有研究显示其旋转角度随风速风向变化较大，如采用单一的旋转角度，会给通量计算带来很大的不确定性，尤其是下垫面不平坦的情况[6]。本文也曾对利用平面拟合法计算了不同时间段的旋转角度，发现各月旋转角度差异较大，贸然使用固定的旋转角度可能会给通量计算带来较大误差，因此决定不采用平面拟合方法作坐标旋转。二次旋转法每次仅用30 min计算旋转角度，旋转角度受风速风向变化的干扰小，因此本研究采用二次旋转方法对涡度相关数据进行坐标旋转处理，具体做法参考了宋涛等[6]和刘辉志等[7]的研究。

1.3 WPL 订正

WPL订正即空气密度订正。通常仪器在测量大气中的水汽、CO2密度时，通过测量空气中的分子数计算其密度，将分子密度转换成绝对密度需要用到空气密度。由于空气密度会随温度和气压波动而发生变化，因此在计算中我们需要考虑空气密度变化的影响，对水汽、CO2通量进行订正，WPL订正的具体做法参考Webb等的研究[16]。

此外，本文还对地气交换通量进行了高频和低频响应修正，处理方案由EddyPro软件根据仪器的位置等参数确定。

为分析秋季和冬季的湍流输送通量特征，本文选用2017年9月—2018年2月的观测数据计算湍流输送通量。为更好地反映所选数据时段的湍流交换特征，计算了两个季节平均的湍流输送通量日变化并分析其特征。

2 结果分析

2.1 动量通量

图1 秋季和冬季近地面动量通量日变化 Fig. 1 Diurnal variation of near surface momentum flux in autumn and winter

图1为深圳气象梯度观测塔近地层秋季和冬季近地面动量通量日变化图，从图中可以看出，秋季和冬季近地面动量通量日变化非常一致。日出前（08时以前）动量通量数值较小且变化不大，约为6×10-2kg/（m·s2）。日出后，动量通量迅速上升，在正午达到最大值，约为1.7×10-1kg/（m·s2）。到傍晚时分，动量通量开始从高值回落，日落后（18时以后）下降至日出前的水平。可见该观测站点地气交换与典型的边界层日变化过程比较一致，在凌晨和夜间，边界层稳定，湍流强度小，地气间交换弱，在白天，地面加热低层大气导致边界层稳定性被破坏，湍流发展强盛，地气间交换强。

2.2 感热通量

图2为秋季和冬季近地面感热通量日变化图，可以看出，深圳气象梯度观测塔秋季和冬季近地面感热通量存在明显的日变化，白天强夜间弱，且凌晨和夜间为负值。但冬季感热通量明显大于秋季，秋季感热通量平均值为13.2 W/m2，最大值为82.9 W/m2（出现在12时），而冬季平均值为21.6 W/m2，最大值可达118.0 W/m2（出现在13:30）。表面上看，感热通量冬季大于秋季不符合常识，原因是一般认为秋季太阳辐射大于冬季，但这里面还有个能量分配的问题，下面的分析会说明冬季感热通量大于秋季是可能且合理的。

图2 秋季和冬季近地面感热通量日变化 Fig. 2 Diurnal variation of near surface sensible heat flux in autumn and winter

2.3 潜热通量

图3 秋季和冬季近地面潜热通量日变化 Fig. 3 Diurnal variation of near-surface latent heat flux in autumn and winter

图3为秋冬季节潜热通量日变化图，图中显示秋季和冬季潜热通量同样存在明显的日变化，白天大夜间小。与感热通量不同，潜热通量全天均为正值，在凌晨和夜间约为10 W/m2，在白天可达50 W/m2以上。秋季潜热通量日平均值61.5 W/m2，最大值高达173.4 W/m2（出现在14时）。冬季潜热通量明显小于秋季，日平均值为26.9 W/m2，最大值为74.9 W/m2（出现在11:30）。

地面受太阳辐射加热后，主要以感热和潜热的方式加热大气，这两者之和为总热通量，与近地面净辐射成正比。图4显示，深圳气象梯度观测塔秋季近地面总热通量明显高于冬季，符合秋季净辐射高的特点。可见该区域冬季感热通量高于秋季是完全可能的，主要是秋季地面将更多的能量以潜热的形式输入大气，导致输入大气的感热能量减小。感热通量和潜热通量的比值称为波文比，一般不同下垫面的波文比差别很大，还有研究显示同一地区干湿季或季风爆发前后波文比差别也很大[17-18]。深圳气象梯度观测塔秋季日平均波文比为0.21，冬季波文比为0.80，可见该地区波文比季节差异极大。许多研究表明[19-20]，近地面感热和潜热通量的比例分配最主要受土壤湿度的影响，目前我们还缺乏该区域土壤湿度的数据，在将来的研究中可对此作进一步分析。

图4 秋季和冬季近地面总热通量日变化 Fig. 4 Diurnal variation of total near surface heat flux in autumn and winter

2.4 CO2通量

从图5秋季和冬季近地面CO2通量日变化图可以看出，深圳气象梯度观测塔近地层秋季和冬季的CO2通量呈现相似的日变化特征，凌晨和夜间为较小的正值，白天为较大的负值。秋季CO2通量日平均值为-1.89 μmol/(m2·s)，夜间约为2.00 μmol/(m2·s)，白天负值可达-10 μmol/(m2s)以上。冬季CO2通量绝对值比较秋季小，日平均值为-1.33 μmol/(m2·s)，白天负值可达-8 μmol/(m2·s)。上述结果表明该区域为碳汇，CO2通量的季节变化可能是受下垫面植被影响，秋季植被多，光合作用强，故向下的CO2通量更大，固碳能力更强。

图5 秋季和冬季近地面CO2通量日变化 Fig. 5 Diurnal variation of near surface CO2 flux in autumn and winter

3 结论

利用深圳市气象梯度塔涡度相关资料计算了秋冬季近地面动量、感热、潜热和CO2通量，发现该地区地气交换存在明显的日变化特征，而且秋季和冬季存在明显差异。主要结论有：1）秋季和冬季近地层动量通量日变化一致，最大值出现在正午，约为1.7×10-1Kg/(m·s2)；2）秋季总热通量日平均值为61.5 W/m2，大于冬季日平均值，主要原因是秋季潜热通量远大于冬季，但秋季感热通量小于冬季；3）秋冬季CO2通量日平均为负值，表明该地区为碳汇，其中秋季碳汇作用更强。