周梅，鄭偉，高全洲，2

（1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院∥廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點實驗室，廣東 廣州510275；2.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室，廣東廣州510275）

草地約占陸地總面積的1/3，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中分布最廣的植被類型之一[1]，也是最易受人類影響的區(qū)域之一，研究草地的水熱、碳通量對區(qū)域氣候變化響應(yīng)、水文過程及生態(tài)平衡等具有重要意義。1951年，Swinbank[2]首次提出運用渦度相關(guān)技術(shù)測定草地的顯熱和潛熱通量。渦度協(xié)方差技術(shù)是一種基于微氣象學(xué)理論對大氣邊界層湍流通量進(jìn)行直接、長期、連續(xù)和非破壞性的測定方法[3-4]，近年來由于觀測技術(shù)的發(fā)展，渦度相關(guān)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于稀樹大草原[5]、北美大草原[6]、歐亞大陸典型草原[7]、青藏高原高寒草甸草原[8]以及我國華南地區(qū)熱帶草地[9]等草地生態(tài)系統(tǒng)的植被-大氣間的研究。與此同時，中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)（http：//www.chinaflux.org/）也建立了15個草地生態(tài)系統(tǒng)觀測站，為不同草地生態(tài)系統(tǒng)通量的長期和連續(xù)觀測做了充分準(zhǔn)備，也為研究草地生態(tài)系統(tǒng)間的地氣交換對氣候變化的響應(yīng)提供可能，但這些草地觀測站點大多位于西北地區(qū)的天然草地，較少涉及華南城郊人工草地，同時也造成城郊人工草地研究的不充分。城郊人工草地改變了原有下墊面的性質(zhì)，影響區(qū)域的地氣交換特征，對緩解城市熱島效應(yīng)、減少沙塵暴、防止水土流失意義重大，也對調(diào)節(jié)局域小氣候、維系生態(tài)平衡起著重要作用[10]。因此研究城郊草地地氣交換是十分必要的。

渦度相關(guān)理論是基于地勢平坦、植被分布均勻的假設(shè)[11-12]，只有觀測塔周邊環(huán)境滿足此條件，儀器觀測的數(shù)據(jù)才可反映真實的地氣交換狀況。但在實際條件下，由于受到觀測塔高度、大氣穩(wěn)定狀況、風(fēng)速風(fēng)向、下墊面復(fù)雜程度等因素的影響[13]，儀器只能觀測到特定下墊面或某部分下墊面的物理過程[14]，這個范圍即是通量源區(qū)。通量源區(qū)的范圍可以定量評估通量數(shù)據(jù)的空間代表性[15]，其大小的確定關(guān)系到通量數(shù)據(jù)的可靠程度，準(zhǔn)確計算通量源區(qū)的范圍為后續(xù)數(shù)據(jù)的處理和地氣交換綜合分析 提 供 參 考[16-17]。1994年，Schmid[18]提 出 的FSAM模型（Flux Source Area Model）由于其物理機制明確、數(shù)學(xué)模型簡單、計算耗時少[19]，是我國現(xiàn)在應(yīng)用較為普遍的解析模型之一。

20世紀(jì)80年代以來珠江三角洲地區(qū)經(jīng)濟迅速發(fā)展，城市化水平遠(yuǎn)高于全國平均水平，土地利用性質(zhì)和區(qū)域氣候受到嚴(yán)重影響。珠海位于廣東省珠江口的西南部，是珠江三角洲中心城市之一，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤，雨熱同期，雨季受臺風(fēng)災(zāi)害影響嚴(yán)重。由于珠海地域及氣候的復(fù)雜性，本文運用FSAM模型，對珠海城郊人工草地不同穩(wěn)定度、不同時間尺度下的通量源區(qū)進(jìn)行分析，為通量觀測站點的選擇、通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制與評價、碳源/匯估算等提供數(shù)據(jù)支撐。

1 觀測站點與方法

1.1 區(qū)域簡介

珠海渦度觀測塔于2014年5月建成并開始記錄數(shù)據(jù)，觀測塔位于中山大學(xué)珠海校區(qū)綜合氣象觀測場內(nèi)（22.35°N，113.57°E），整個觀測區(qū)域地勢較平坦、植被分布較為均一，下墊面為長勢茂盛的草地，研究區(qū)北面分布少量建筑用地以及道路，西南側(cè)為森林邊界，整個研究區(qū)內(nèi)草地面積約有1.3 hm2，觀測塔總高度為4.8 m，其中渦度觀測系統(tǒng)安裝在離地面3 m處，觀測儀器是由CSTA3A三維超聲風(fēng)速儀和EC150紅外氣體分析儀及EC150外部溫度探頭組成的開路觀測系統(tǒng)（Open Eddy Covariance System，OPEC），采樣頻率為10 Hz，記錄30 min平均值，數(shù)據(jù)記錄以北京時間為準(zhǔn)。本文選取了2016年1月13日至2017年1月13日通量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行通量源區(qū)分析。

1.2 FSAM模型簡介

在FSAM模型中，通量貢獻(xiàn)函數(shù)（Footprint函數(shù)）是下墊面源/匯空間分布與探頭真實高度zm的關(guān)系函數(shù)。假設(shè)觀測塔的坐標(biāo)為原點（0，0，0），則探頭的坐標(biāo)為（0，0，zm），迎風(fēng)方向為x軸負(fù)方向，通量觀測站點的通量η可表示為：

Q（x，y）為表面源強/匯分布函數(shù)；f（x，y，zm）為下墊面某一點（x，y）對（0，0，zm）處通量觀測值的貢獻(xiàn)大小。一般情況下，F(xiàn)ootprint函數(shù)首先隨著距觀測塔的距離增大而增大，然后在某一點達(dá)到最大，這個點則為最大源強，最后隨著距離增大而逐漸減小至0。

根據(jù)K理論，垂直方向的通量F可表達(dá)為：

圖1 珠海城郊草地通量觀測站點Fig.1 Suburban lawn flux observation site in Zhuhai City

KC（z）為湍流擴散速率，C為濃度分布函數(shù)為y方向積分通量，Dy（x，y）為y方向濃度分布函數(shù)。利用二維平流擴散方程，將y方向的積分通量、y方向的積分濃度和平均風(fēng)速廓線聯(lián)立，得到如下方程：

把（3）式積分后，粗糙度為zo，觀測高度為zm的垂直通量可表達(dá)為：

應(yīng)用邊界層條件，當(dāng)x＞0時，F(xiàn)ootprint函數(shù)f（x，y，zm-zo）為：

聯(lián)立（1）、（2）、（4）、（5）式可知：

在上式中，F(xiàn)u為某一表面源/匯強度。

P水平源區(qū)（ΩP）指由f（x，y，zm-zo）＝FP的等值線所包含的區(qū)域，表示能達(dá)到P水平最小區(qū)域的Footprint函數(shù)的積分。P表示通量貢獻(xiàn)水平，用于衡量某一區(qū)域?qū)傮w通量觀測值的貢獻(xiàn)強度，可用ΩP貢獻(xiàn)源區(qū)的Footprint函數(shù)積分φP與所有Footprint函數(shù)積分φtot的比值來表示。

因此，將（4）、（6）帶入（7）中可得：

利用FSAM模型可得出，在不同穩(wěn)定度、不同時間尺度10%～90%（間距為10%）的通量貢獻(xiàn)水平下通量源區(qū)的大小。

1.3 關(guān)鍵參數(shù)的輸入

FSAM模型是關(guān)于zm/zo、zm/L、σv/u*這 3個復(fù)合參數(shù)的函數(shù)，其中L為Monin-Obukhov長度，σv為橫向風(fēng)速脈動強度，u*為摩擦風(fēng)速。

Schmid[18]認(rèn)為模型的參數(shù)輸入是有一定范圍的（表1），符合此范圍得出的通量源區(qū)才具有可靠性。

表1 FSAM模型輸入?yún)?shù)的范圍Table 1 The range of input parameters in FSAM model

1）zm/zo

zm＝z-d，zm為有效觀測高度（m），z為探頭的觀測高度（m），本文為3 m，d為零平面位移（m），取經(jīng)驗值d＝2/3h[20]，h為灌叢平均高度（m）。zo為空氣動力學(xué)粗糙度，依據(jù) Campell[21]提出的經(jīng)驗公式：

在上式中，θ為位溫（K），θv為虛位溫（K），T為大氣溫度（K），P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（100 kPa），P為氣壓（kPa），r為未飽和空氣混合比（kg/kg），u*為摩擦風(fēng)速（m/s），w′θ′v為垂直風(fēng)速w與超聲虛溫Ts的協(xié)方差，即垂直溫度熱通量（（m·K）/s），k為卡門常數(shù)0.4，g為重力加速度9.8（kg·m）/s2，將（10）、（11）式帶入（12）式可得在30 min內(nèi)的L值。依據(jù)不同方向、不同穩(wěn)定度和不同時間尺度對L進(jìn)行分類，求得不同條件下的L的平均值，即可求出zm/L。

3）σv/u*

σv/u*為水平風(fēng)速脈動v的標(biāo)準(zhǔn)差（m/s）與摩擦風(fēng)速（m/s）的比值（σv、u*可由超聲風(fēng)速儀得出）。

1.4 模型參數(shù)的輸出

FSAM模型可輸出10%～90%通量貢獻(xiàn)水平的源區(qū)范圍，其大小可用a、e、d、Xd、Xm等5個參數(shù)表示。a表示等值線上距離源區(qū)最近點的距離；e表示等值線上距離源區(qū)最遠(yuǎn)點的距離；d表示等值線上最大寬度的1/2；Xd表示等值線上橫向?qū)挾茸畲簏c的橫坐標(biāo)；Xm表示Footprint函數(shù)取最大值點的橫坐標(biāo)（圖2）。

1.5 FSAM模型適用性分析

在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn/）下載30 m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，計算以觀測塔為中心兩百米范圍內(nèi)的投影密度。當(dāng)區(qū)域投影密度較高時則表示地面較平坦，而投影密度較低時則反之。投影密度（λf）計算公式為[22]

圖2 通量源區(qū)輸出參數(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of output parameters of flux source

其中A2d表示區(qū)域內(nèi)的投影面積，A3d表示區(qū)域內(nèi)表面積，利用Acrgis 10.0中的3D分析工具計算出A2d和A3d值，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)λf大于0.9，可視區(qū)域內(nèi)地表較為平坦，適用于FSAM模型。

1.6 實驗預(yù)處理

1）將原始通量數(shù)據(jù)運用LoggerNet3.3軟件轉(zhuǎn)換成TOA5的格式，再運用eddypro6.2.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行野點去除、傾斜修正、超聲虛溫修正、頻率損失修正、數(shù)據(jù)插補等處理。

2）剔除降雨時段的通量數(shù)據(jù)，因為降雨會影響儀器響應(yīng)，導(dǎo)致儀器的測量值不準(zhǔn)確或不合理。

3）剔除夜間（18：30-6：00）摩擦風(fēng)速（u*） ＜0.15 m/s的數(shù)據(jù)[23]。摩擦風(fēng)速可以反映夜間湍流發(fā)展強弱，由于夜間大氣較穩(wěn)定使湍流發(fā)展不充分，導(dǎo)致渦度相關(guān)儀器測量的通量數(shù)據(jù)不能反映下墊面真實的地氣交換。

4）剔除大氣穩(wěn)定度L＞5 000或L＜-2 000的通量數(shù)據(jù)。剔除強穩(wěn)定以及強不穩(wěn)定條件下的通量數(shù)據(jù)以適應(yīng)模型輸入范圍。

2 結(jié) 果

2.1 觀測點主風(fēng)向分析

2016年1月13日至2017年1月13日的風(fēng)向、風(fēng)速和頻率分布特征如圖3所示。研究區(qū)全年平均風(fēng)速為0.74 m/s，180°～270°方向平均風(fēng)速最小，為0.53 m/s。觀測塔附近最大風(fēng)速變化范圍（0.93～3.763 m/s）較大，最大風(fēng)速在 90°～112.5°方向（即 90°～180°方向）。在 0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°方向的數(shù)據(jù)占全部數(shù)據(jù)的百分比分別為13.97%、48.36%、16.06%、21.60%，因此本研究的主風(fēng)向為90°～180°（東南方向）。

圖3 珠海城郊草地風(fēng)向、風(fēng)速和風(fēng)頻分布圖Fig.3 Distribution of wind direction，speed and frequency in suburban lawn of Zhuhai City

2.2 各風(fēng)向在不同穩(wěn)定度的通量源區(qū)分析

大氣的穩(wěn)定度影響大氣湍流狀態(tài)，也間接影響通量值，因此需要劃分其穩(wěn)定度計算通量源區(qū)的大小。Monion-Obukhov相似理論是依據(jù)大氣穩(wěn)定度參數(shù)zm/L來劃分大氣層結(jié)是否穩(wěn)定，當(dāng)zm/L＞0時為穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)zm/L＜0時為不穩(wěn)定狀態(tài)。從圖4中可看出在90°～180°方向的通量數(shù)據(jù)不僅是所有方向上通量數(shù)據(jù)最多的，而且其處于穩(wěn)定條件下通量數(shù)據(jù)也是最多的（占所有通量數(shù)據(jù)30.88%）。

不同方向和不同穩(wěn)定度下的通量源區(qū)范圍各不相同，因此需分別進(jìn)行分析。不同方向和不同穩(wěn)定度的輸入?yún)?shù)zm/zo、zm/L、σv/u*范圍（表2）皆與Schmid[18]的輸入范圍相符，因此可運用FSAM模型計算的通量源區(qū)范圍。

圖4 各個方向大氣穩(wěn)定度頻率Fig.4 The frequency of atmospheric stability in different direction

運用FSAM模型，將不同風(fēng)向上的參數(shù)輸入模型中，可以得出不同P水平下的輸出參數(shù)，從而繪制相應(yīng)的等值線圖（圖5），本文取P＝90%。在穩(wěn)定條件下，研究區(qū)通量源區(qū)在迎風(fēng)方向變化范圍為14～155 m，在垂直于迎風(fēng)方向的變化范圍為28～43 m。a、e、Xd、Xm值在180°～270°方向最大，分別為17、155、89和39 m；d值在270°～360°方向取最大，在180°～270°方向最小，分別為43 m、28 m。當(dāng)大氣不穩(wěn)定時，a、e、Xd、Xm值在0°～90°方向最大，分別為15、127、72和33 m，這與其他方向a、e、Xd、Xm值相差不大。d值在270°～360°方向取最大，為42 m。通量源區(qū)迎風(fēng)方向變化和垂直于迎風(fēng)方向范圍分別為14～127和29～42 m。

總的來說，穩(wěn)定條件下的通量源區(qū)范圍均大于不穩(wěn)定條件下的貢獻(xiàn)區(qū)范圍，但是在各個方向上穩(wěn)定條件和不穩(wěn)定條件下的a、e、Xd、Xm的值相差不大，這可能是因為草地生態(tài)系統(tǒng)下墊面較為平坦、植被分布較為均勻[24]。

在大氣穩(wěn)定狀態(tài)下，通量源區(qū)的范圍與盛行風(fēng)方向無顯著差異[25]，而本研究48.36%通量數(shù)據(jù)均來源于盛行風(fēng)方向（90°～180°），因此研究盛行風(fēng)方向不同穩(wěn)定度的通量源區(qū)范圍尤為重要。在FSAM模型中輸入盛行風(fēng)向的參數(shù)，依據(jù)輸出參數(shù)繪制不同P水平（P＝10%～90%，間距為10%）的等值線分布圖（圖5）。

表2 各風(fēng)向在不同穩(wěn)定度條件下模型輸入?yún)?shù)Table 2 Input parameters of different direction in different atmospheric stability

圖5 各風(fēng)向在不同大氣穩(wěn)定度下通量源區(qū)的范圍（P＝90%）Fig.5 The area of flux source in different direction in different atmospheric stability

圖6 當(dāng)P取不同值時的盛行風(fēng)向通量源區(qū)范圍Fig.6 The flux source area of prevailing wind direction for different P values

在穩(wěn)定條件下，當(dāng)P＝10%～90%時，通量源區(qū)最大值分別出現(xiàn)在 39、41、43、45、48、52、58、67和83 m。P值從10%增加90%時，e、d、Xd的增幅分別為201%、520%、113%。在不穩(wěn)定條件下，當(dāng)P＝10%～90%時，通量源區(qū)的最大值分別出現(xiàn)在34、35、37、39、42、44、50、57和70 m處。P值從10%增加90%時，e、d、Xd的增幅分別為198%、507%、108%。在穩(wěn)定條件和不穩(wěn)定條件下，隨著P值增大，通量源區(qū)范圍逐漸增大，并且穩(wěn)定條件下通量源區(qū)增加幅度更大。這可能是因為在大氣穩(wěn)定條件下，湍流發(fā)展不充分，氣體在垂直方向運輸較為緩慢，探頭可以觀測到遠(yuǎn)處的通量，因而通量源區(qū)范圍較大；但是在大氣不穩(wěn)定的狀況下，湍流充分發(fā)展，氣體在垂直方向上的運動十分劇烈，探頭觀測到的通量值來源于近處，因此通量源區(qū)范圍較小?？傊?，隨著穩(wěn)定度的增加通量源區(qū)的范圍也逐漸增大。

2.3 通量源區(qū)季節(jié)變化

為了研究珠海城郊草地通量源區(qū)范圍在各個季節(jié)變化的特點，將數(shù)據(jù)分為春、夏、秋、冬四個季節(jié)。春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12-2月。依據(jù)表3的數(shù)據(jù)輸入FSAM模型得到的輸出數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 不同季節(jié)通量源區(qū)不同穩(wěn)定狀態(tài)的變化范圍（P＝90%）Fig.7 The area of flux source in different seasons in different atmospheric stability（P＝90%）

表3 不同季節(jié)通量模型輸入?yún)?shù)Table 3 Input parameters in different seasons

秋季迎風(fēng)方向90%的通量數(shù)據(jù)來源于14～147 m，在4個季節(jié)中范圍最大。其次是夏、冬季，分別來源于15～145 m和14～145 m。春季迎風(fēng)方向90%的信息來源于14～144 m，在四個季節(jié)中最小。雖然各個季節(jié)在迎風(fēng)方向通量源區(qū)范圍各有差異，但是總的來說，各個季節(jié)迎風(fēng)方向通量源區(qū)的大小差異較小。冬季垂直于迎風(fēng)方向90%的通量數(shù)據(jù)來源于-46～46 m，在四個季節(jié)中最大；而夏季垂直于迎風(fēng)方向90%的通量數(shù)據(jù)來源在四個季節(jié)中最小，為-35～35 m。

當(dāng)大氣穩(wěn)定時，通量源區(qū)的大小關(guān)系為：冬＞秋＞春＞夏；當(dāng)大氣不穩(wěn)定時，冬季的通量源區(qū)略微大于春、秋兩季，夏季通量源區(qū)遠(yuǎn)小于其他3個季節(jié)?？偟膩碚f，在大氣穩(wěn)定條件和不穩(wěn)定條件下，研究區(qū)冬季的通量源區(qū)范圍最大，而夏季的通量源區(qū)范圍最小。這可能是因為研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季受到單一冷氣團(tuán)控制，大氣較穩(wěn)定，因此其通量源區(qū)范圍大，而夏季由于西南暖濕氣流活躍，盛行西南風(fēng)和東南風(fēng)，大氣層結(jié)由于受到季風(fēng)的影響較為不穩(wěn)定，通量源區(qū)范圍較其他3個季節(jié)小。

2.4 通量源區(qū)的日變化

將研究區(qū)處理后的通量數(shù)據(jù)分為白天（06：00～18：30）與夜間，其輸入?yún)?shù)及輸出參數(shù)如表4所示。從表中可看出夜間大氣層結(jié)屬于以穩(wěn)定狀態(tài)為主，而白天大氣層結(jié)則以不穩(wěn)定狀態(tài)為主。此外夜間通量源區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于白天。白天，90%通量數(shù)據(jù)來源于迎風(fēng)方向3～25 m；夜間，90%通量數(shù)據(jù)來源于迎風(fēng)方向17～151 m之間。白天垂直于迎風(fēng)方向的通量數(shù)據(jù)來源（-14～14 m）遠(yuǎn)小于夜間（-86～86 m）。不僅如此，白天與夜間對觀測點通量貢獻(xiàn)最大的點也相差甚遠(yuǎn)，分別為7 m、39 m。晝夜大氣穩(wěn)定度不同是引起白天與夜間通量源區(qū)相差較大的原因。將全年各個時段（以1 h為步長）的渦度觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理輸入FSAM模型中，得到90%水平下的e平均日變化圖（圖8）。從圖中可看出7：00-9：00觀測塔可觀測到的最遠(yuǎn)距離急劇下降，在19：00至次日7：00的通量數(shù)據(jù)來源較遠(yuǎn)，穩(wěn)定在175 m左右，而9：00-16：00的通量數(shù)據(jù)最遠(yuǎn)來自距觀測塔45 m左右的位置，在12：00時探頭能觀測到通量源區(qū)的最遠(yuǎn)距離最小，為32 m。16：00-19：00是由白天向夜間轉(zhuǎn)變的時間，大氣逐漸由不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定狀態(tài)，因此通量源區(qū)越來越大。

圖8 e的平均日變化（P＝90%）Fig.8 Average daily change of e（P＝90%）

3 討 論

盡管表5的通量源區(qū)均是由FSAM模型求得的，但是在不同的生態(tài)系統(tǒng)中，其通量源區(qū)大小各不相同，即使在相同的生態(tài)系統(tǒng)也由于其下墊面、P水平等不同而導(dǎo)致其通量源區(qū)范圍也不盡相同。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，當(dāng)坐標(biāo)、氣候、下墊面植被等地理屬性相似時，P＝90%農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)通量源區(qū)最遠(yuǎn)的位置（173 m）大于P＝80%的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)（135 m）。在相同的P水平下，不同的下墊面其通量源區(qū)大小也有略微差異，下墊面為玉米的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的通量源區(qū)最遠(yuǎn)的位置（155 m）小于小麥（135 m），但是其通量源區(qū)范圍最大時的位置大于小麥。在相同觀測高度下，森林生態(tài)系統(tǒng)在不同P水平下，通量源區(qū)也各不相同，P水平越高，通量源區(qū)范圍越大?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)的通量源區(qū)小于森林生態(tài)系統(tǒng)。高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的觀測高度與本研究的生態(tài)系統(tǒng)相近，下墊面均較為均一、平坦，因此其通量源區(qū)范圍相差較小，但是由于其下墊面草地種類、氣候條件、風(fēng)速等條件不同其Xm表現(xiàn)出不一致性。觀察與本研究同屬亞熱帶季風(fēng)氣候的城市生態(tài)系統(tǒng)相比較，發(fā)現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)的通量源區(qū)較本研究大，這可能與城市生態(tài)系統(tǒng)觀測探頭較高有關(guān)。

總之，即使在同一研究區(qū)，運用同一批數(shù)據(jù)由于其數(shù)據(jù)處理軟件[26]、空氣動力學(xué)粗糙度[27]、大氣穩(wěn)定度[28]的選取不同，其通量源區(qū)的大小也會略微有差異?，F(xiàn)有的研究表明通量源區(qū)的范圍主要受到觀測探頭的高度、空氣動力學(xué)粗糙度以及大氣穩(wěn)定度的影響。通量源區(qū)隨著大氣穩(wěn)定度和觀測高度的增大而增大，而隨著空氣動力學(xué)粗糙度的增大而減小[29]。因此在不同氣候條件、下墊面、不同觀測高度下其通量源區(qū)范圍不盡相同。

表5 不同生態(tài)系統(tǒng)在大氣穩(wěn)定狀態(tài)下的通量源區(qū)范圍Table 5 The area of flux source under the stable atmosphere condition in different ecosystem

4 結(jié) 論

本文基于2016年1月13日至2017年1月13的珠海中山大學(xué)綜合氣象觀測場內(nèi)的渦度觀測數(shù)據(jù)對不同穩(wěn)定度、不同時間尺度的通量源區(qū)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1）在穩(wěn)定條件下，研究區(qū)90% 通量源區(qū)在迎風(fēng)方向最遠(yuǎn)距離為155 m，在垂直于迎風(fēng)方向最大距離為43 m，通量貢獻(xiàn)最大的點最遠(yuǎn)可達(dá)39 m。在不穩(wěn)定條件下，研究區(qū)90%通量源區(qū)在迎風(fēng)方向最遠(yuǎn)距離為127 m，在垂直于迎風(fēng)方向最大距離為42 m，通量貢獻(xiàn)最大的點最遠(yuǎn)可達(dá)33 m?？偟膩碚f，穩(wěn)定條件下通量源區(qū)大于不穩(wěn)定條件下的通量源區(qū)，但是在各個方向上穩(wěn)定條件和不穩(wěn)定條件下的a、e、d、Xd、Xm的值相差不大，這可能是因為草地生態(tài)系統(tǒng)下墊面較為平坦、植被分布較為均一。

2）在大氣穩(wěn)定條件下和不穩(wěn)定條件下，研究區(qū)冬季的通量源區(qū)最大的，而夏季的通量源區(qū)最小。此外由于夜間大氣較白天穩(wěn)定，因此夜間通量源區(qū)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于白天。

3）在不同生態(tài)系統(tǒng)中通量觀測儀器所觀測到的通量源區(qū)范圍不盡相同，這是因為不同生態(tài)系統(tǒng)其下墊面性質(zhì)、湍流運動狀況、氣候條件均不相同，這會影響通量源區(qū)的大小。即使在相同生態(tài)系統(tǒng)中，在不同的觀測高度、不同P水平下通量源區(qū)的范圍略有差異。因此需要根據(jù)觀測塔周邊的環(huán)境對通量源區(qū)進(jìn)行分析，以明確觀測儀器的觀測范圍，為實際的通量數(shù)據(jù)的處理和后續(xù)的通量分析提供一定理論依據(jù)。

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