戈壁地區(qū)夏季碳和水熱循環(huán)及其湍流特征

趙子龍，張宏升＊，康 凌

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，北京 100871

1 引 言

碳是地球上儲(chǔ)量最豐富的元素之一，廣泛分布于大氣、海洋、地殼沉積巖和生物體中［1］.碳循環(huán)是各碳庫之間碳的轉(zhuǎn)化和流動(dòng)，包括在物理、化學(xué)和生物過程及其相互作用驅(qū)動(dòng)下，各種形態(tài)的碳在各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部的遷移轉(zhuǎn)化過程，以及發(fā)生在子系統(tǒng)之間的交換過程［2］.陸地碳循環(huán)是全球碳循環(huán)研究中最重要的內(nèi)容之一，在全球碳收支中占主導(dǎo)地位［3］.自然界自發(fā)進(jìn)行的碳循環(huán)，在較長的時(shí)間尺度上始終處于一種均衡的狀態(tài)，然而自工業(yè)化進(jìn)程以來，伴隨著全球人口的迅猛增長以及工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大氣溫室氣體濃度迅速增加，其中CO2是產(chǎn)生溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變暖的最主要原因之一［4］.中國瓦里關(guān)大氣本底基準(zhǔn)觀象臺(tái)的觀測結(jié)果表明：從1994年至2005年，大氣中CO2日平均及月平均濃度均呈逐年增加的趨勢，濃度年平均值約增長了16.48mmol·mol－1，相當(dāng)于4.6%［5］.大氣中 CO2濃度的增長，將會(huì)影響全球氣候變化，從而給人類社會(huì)帶來深遠(yuǎn)影響［6］.而研究陸地碳循環(huán)機(jī)制及其對全球變化的響應(yīng)，是預(yù)測大氣CO2含量及氣候變化的基礎(chǔ).近幾十年來的研究表明，北半球中高緯度的陸地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)巨大的碳匯［7－13］，溫度和水分是決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的關(guān)鍵環(huán)境因子.

大氣中的碳和水熱循環(huán)離不開大氣湍流的影響.大量的觀測實(shí)驗(yàn)使人們對平坦均一下墊面的溫濕度湍流結(jié)構(gòu)有了較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，得到了許多有益的結(jié)論［14－16］：溫度和濕度的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差與穩(wěn)定度參數(shù)z／L滿足－1／3次方律關(guān)系；溫度和濕度能譜在不穩(wěn)定條件下，高頻段滿足－2／3次方律，中頻段有一平緩區(qū)域；溫度和濕度分別與水平、垂直方向風(fēng)速之間的互譜符合MOS理論，在慣性副區(qū)符合－4／3次方律；Roth等［17］認(rèn)為低頻段溫度能譜集中在一個(gè)相對狹窄的范圍內(nèi)，基本不隨z／L變化.

我國西北戈壁地區(qū)地域遼闊，大氣中CO2及水熱通量等有著獨(dú)特的演變規(guī)律［18］，對全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)不可忽略.以往的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在下墊面為森林、草原和農(nóng)田等植被較為豐富的地區(qū)［19－23］，對干燥的戈壁下墊面的溫度、濕度及CO2濃度的湍流特征的報(bào)道并不多見，尤其是CO2濃度的研究在文獻(xiàn)中較少涉及.

本文利用大氣邊界層實(shí)驗(yàn)觀測資料，采用渦動(dòng)相關(guān)法分析研究了我國西北戈壁地區(qū)低層大氣碳收支和水熱輸送特征、湍流統(tǒng)計(jì)特征和湍流譜結(jié)構(gòu)，試圖得到戈壁下墊面地區(qū)的碳及水熱循環(huán)規(guī)律.

2 理論依據(jù)

根據(jù)近地面層相似性理論，不穩(wěn)定條件下，溫度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差σT／T＊與大氣穩(wěn)定度參數(shù)z／L滿足－1／3次指數(shù)關(guān)系：

其中，T＊＝－，α 為常數(shù).Wyngaard等［24］利用美國中部Kansas平坦草地下墊面的觀測資料得到系數(shù)α＝0.95.

類似地，不穩(wěn)定條件下，比濕和CO2濃度等標(biāo)量的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差σq／q＊與大氣穩(wěn)定度參數(shù)z／L也滿足－1／3次方律的關(guān)系，即

其中，q＊＝－，γ 為常數(shù).Hogstorm 等［25］給出γ＝1.04.

溫度譜的慣性副區(qū)的形式可表達(dá)為［26］：

其中，β＝0.8為普適常數(shù)，ε為湍流動(dòng)能耗散率，N為湍流熱能耗散率，k為波數(shù).利用Taylor假設(shè)將波數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，引入無因次耗散率：

和無因次頻率f＝nz／u－（下同）進(jìn)行歸一化，得到

歸一化后的湍流溫度能譜密度在慣性副區(qū)與無因次頻率f的－2／3次方成正比.Kaimal等［27］在Kansas實(shí)驗(yàn)給出中性層結(jié)條件下溫度能譜密度的擬合曲線為：濕度和CO2濃度能譜密度存在類似關(guān)系.

物理量之間的互譜常常用來分析不同尺度的渦旋對相應(yīng)通量的貢獻(xiàn)情況.Wyngaard等［28］提出互譜在慣性副區(qū)符合－4／3次方律，這一結(jié)論已經(jīng)得到了眾多實(shí)驗(yàn)的支持.Kaimal等［27］在Kansas實(shí)驗(yàn)中給出了中性層結(jié)條件下風(fēng)速互譜近似滿足：

垂直風(fēng)速和溫度互譜的曲線滿足［27］：

3 資料獲取與處理

本文利用我國西北玉門鎮(zhèn)附近戈壁地區(qū)的大氣邊界層的觀測數(shù)據(jù).該實(shí)驗(yàn)站位于40°09′27.3″N，97°17′58.6″E，海拔高度為1200m；實(shí)驗(yàn)站東側(cè)為荒涼的戈壁灘，西距小型居民生活區(qū)約3km，南距祁連山約30km，北距北山山地約20km，地形自南往北緩慢傾斜，東北方向有極小的坡度下降，坡度約為1°，間有自然沖溝和小起伏，局部地形是平坦開闊的戈壁地區(qū).全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，西風(fēng)次之.

觀測時(shí)間為2006年6月27日—7月27日，觀測平臺(tái)為102m氣象鐵塔.本文涉及的實(shí)驗(yàn)觀測項(xiàng)目主要包括H2O和CO2的大氣湍流及4層的風(fēng)速、溫度和濕度梯度.在30m高度架設(shè)Campbell公司生產(chǎn)的CSAT3型超聲風(fēng)溫儀和Li－Cor公司生產(chǎn)的Li－7500型開路式 CO2／H2O 分析儀.在10m，30m，60m和100m高度架設(shè)美國MetOne公司生產(chǎn)的034B型風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)，同時(shí)安裝有溫度和濕度傳感器.

湍流觀測自動(dòng)、連續(xù)，采樣頻率為10Hz，分析時(shí)使用每小時(shí)的前半小時(shí)結(jié)果，并對湍流資料進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選，即：去除了風(fēng)向與超聲探頭迎風(fēng)軸朝向的夾角大于60°、風(fēng)向與水平面夾角大于5°、風(fēng)速小于2m·s－1、摩擦速度小于0.01m·s－1、熱通量小于5W·m－2以及其它非定常的數(shù)據(jù)組.塔層風(fēng)速、溫度和濕度梯度觀測，為10min的平均值，取30min滑動(dòng)平均.考慮不同天氣狀況對太陽輻射有較大影響，從而增加了影響碳及水熱通量變化的因素，為避免天氣狀況對分析碳收支及水熱通量規(guī)律可能引起的不確定性，本文只選取晴好少云天氣（6月27日到7月7日）的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并剔除有降水的觀測時(shí)次.

4 結(jié)果與分析

4.1 平均量特征

圖1給出2006年6月27日—7月7日戈壁地區(qū)近地層感熱通量隨時(shí)間變化特征.受太陽輻射的影響，戈壁地區(qū)白天熱量自下向上輸送，感熱通量在正午前后達(dá)到極大值；夜間，熱量由上向下輸送，在日出前后達(dá)到極小值.30m高度感熱通量的最大值為463.8W·m－2，出現(xiàn)在7月3日13時(shí)，最小值為－53.2W·m－2，出現(xiàn)在6月30日00時(shí).

圖2給出了2006年6月27日—7月7日戈壁地區(qū)近地層潛熱通量隨時(shí)間的變化特征.盡管戈壁地區(qū)空氣干燥，水汽含量低，潛熱通量的獲取受到儀器精度的限制，但還是可以從圖2看出，30m高度處的潛熱通量在午后向地面?zhèn)鬏?這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是在戈壁干旱地區(qū)，地表干燥，空氣濕度普遍較小，當(dāng)空氣的水平運(yùn)動(dòng)帶來水汽時(shí)，會(huì)向地面進(jìn)行水汽輸送，形成逆濕，從而造成潛熱通量的負(fù)值.

圖1 2006年6月27日—7月7日30m高度戈壁地區(qū)感熱通量隨時(shí)間變化Fig.1 Temporal variations of the sensible heat flux at the 30mheight over the Gobi Desert from June 27to July 7，2006

圖3給出了2006年6月27日—7月7日戈壁地區(qū)近地層CO2通量的時(shí)間序列.CO2通量平均值為－0.199mg·m－2·s－1，整體表現(xiàn)是碳匯；絕對值的最大值出現(xiàn)在6月29日16時(shí)，數(shù)值為－1.10mg·m－2·s－1，與劉冉等［29］2004年在鹽生荒漠下墊面觀測到CO2通量最大值為－1.12mg·m－2·s－1的結(jié)果相近，是平均值的5.5倍.白天正午前后有兩個(gè)向下輸送的峰值，出現(xiàn)的時(shí)間比CO2濃度峰值約滯后4～5小時(shí).

圖4給出了2006年6月27日到2006年7月7日戈壁地區(qū)近地層CO2通量的平均日變化.可見，白天CO2通量向下極大值為－0.74mg·m－2·s－1，與劉輝志等［22］在吉林通榆觀測到的退化草原下墊面在生長季的結(jié)果為－0.8mg·m－2·s－1相近；夜間向上，其數(shù)值小于白天.這與生長期的森林、草地等［30－32］植被區(qū)域下墊面的觀測結(jié)果大致相同，說明夏季戈壁下墊面的土壤具有一定的碳吸收功能［33－34］.

圖4 2006年6月27日—7月7日30m高度戈壁地區(qū)CO2通量平均日變化Fig.4 Diurnal variation of the CO2flux at the 30m height over the Gobi Desert averaged from June 27to July 7，2006

4.2 溫度、濕度和CO2的湍流統(tǒng)計(jì)特征

圖5a給出了2006年6月27日－7月7日戈壁下墊面近地層溫度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差σT／T＊隨穩(wěn)定度參數(shù)z／L的變化特征.可見，不穩(wěn)定層結(jié)下溫度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差與穩(wěn)定度參數(shù)z／L呈－1／3次方律關(guān)系，與Wyngaard等［24］的結(jié)果相符合.擬合公式為：

σT／T＊＝1.00（－z／L）－1／3，z／L＜0 （10）在穩(wěn)定層結(jié)下，數(shù)據(jù)的離散性較大.

圖5b和圖5c分別給出了2006年6月27日—7月7日戈壁下墊面近地層比濕歸一化標(biāo)準(zhǔn)差σq／q＊和CO2濃度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差σc／c＊隨穩(wěn)定度參數(shù)z／L的變化特征，直線是 Hogstorm等［25］的結(jié)果.可見，比濕歸一化標(biāo)準(zhǔn)差和CO2濃度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差隨z／L變化的關(guān)系較為離散，究其原因，一是由于戈壁地區(qū)水汽含量低，濕度觀測相對誤差較大，戈壁地區(qū)CO2的變化較小，其觀測精度不足；另一種可能是由于比濕與CO2濃度是被動(dòng)標(biāo)量［35］，其歸一化標(biāo)準(zhǔn)差的變化規(guī)律與溫度等主動(dòng)標(biāo)量不同［35－36］，對于被動(dòng)標(biāo)量，McBean等［35］建議使用經(jīng)驗(yàn)公式Lq和Lc替代L來計(jì)算穩(wěn)定度參數(shù)，但目前還沒有公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)公式，故本文仍使用了傳統(tǒng)的穩(wěn)定度參數(shù)z／L.

4.3 能譜特征

圖6a，6b，6c分別給出了2006年6月27日—7月7日近地層不同穩(wěn)定度條件下的溫度、濕度和CO2濃度的歸一化能譜密度隨無因次頻率的變化，圖中實(shí)線為Kaimal等［27］給出的Kansas實(shí)驗(yàn)溫度能譜密度中性層結(jié)下的擬合曲線.可以看到，溫度、濕度和CO2濃度的能譜在慣性副區(qū)均滿足－2／3次方律關(guān)系，溫度和CO2濃度的特征相似，而濕度則有較大的差別.

濕度能譜密度的峰值頻率略低，說明戈壁地區(qū)水汽輸送貢獻(xiàn)最大的渦旋尺度略大.在低頻段，不同穩(wěn)定度的情況下，濕度能譜的譜線較為分散，而溫度和CO2濃度能譜的譜線則集中在很窄的范圍內(nèi)，難以區(qū)分，說明大氣穩(wěn)定度對戈壁地區(qū)溫度和CO2濃度的影響小于濕度，低頻段的溫度能譜和CO2濃度能譜還受其它尺度的控制［16］.

圖7a，7b，7c分別給出2006年6月27日—7月7日近地層戈壁地區(qū)不同穩(wěn)定度下水平方向風(fēng)速與溫度、水汽和CO2濃度的歸一化互譜特征，圖中實(shí)線為Kaimal等［27］給出的Kansas實(shí)驗(yàn)中性層結(jié)下wθ互譜擬合曲線.

圖5 2006年6月27日－7月7日30m高度戈壁下墊面溫度、濕度、CO2濃度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差σT／T＊ 、σq／q＊ 、σc／c＊ 隨穩(wěn)定度參數(shù)z／L的變化特征Fig.5 Distribution of the normalized standard deviation of T（σT／T），q（σq／q＊ ）and c（σc／c＊ ）against z／Lat the 30mheight over the Gobi Desert from June 27to July 7，2006

圖7a所示的uθ互譜的峰值頻率與Kansas實(shí)驗(yàn)［27］中性層結(jié)條件下的wθ互譜的峰值頻率相比數(shù)值略大，不同穩(wěn)定度下所有譜線的峰值頻率非常接近，約為0.2.低頻段uθ互譜所有譜線都集中在較窄的范圍內(nèi)，隨著無因次頻率的降低，譜線的下降比uc互譜更快，說明湍渦尺度大小對水平方向熱量輸送的影響比對水平方向CO2通量輸送的影響更大.uθ互譜和uc互譜非常的相似，但與uq互譜區(qū)別較大.

uq互譜在低頻區(qū)域不同穩(wěn)定度情況下譜線分布在一個(gè)比較寬的范圍內(nèi)，峰值頻率的分布也比較分散，從0.1到0.2之間，說明在不同穩(wěn)定度的條件下，影響水平方向水汽通量輸送的渦旋尺度有較大的差別.慣性副區(qū)的區(qū)間相比uc互譜較小.

由圖7c可以看到，不同穩(wěn)定度參數(shù)下，uc互譜在慣性副區(qū)的曲線滿足－4／3次方律，不同穩(wěn)定度參數(shù)情況下的譜線分布較為集中，峰值頻率、慣性副區(qū)起始位置、低頻區(qū)下降特征等都與Kaimal的平坦草原下墊面wθ的結(jié)果非常接近.

圖8a，8b，8c分別給出了2006年6月27日—7月7日戈壁地區(qū)近地層不同穩(wěn)定度下垂直方向風(fēng)速與溫度、水汽和CO2濃度的歸一化互譜特征，圖中實(shí)線為Kaimal等［27］給出的Kansas實(shí)驗(yàn)中性層結(jié)下互譜擬合曲線.由圖7和圖8可見，各個(gè)互譜在慣性副區(qū)都符合－4／3次方律的關(guān)系.

由圖8a，與Kansas實(shí)驗(yàn)代表的平坦草原下墊面的互譜特征相比，無論是慣性副區(qū)的區(qū)間范圍還是峰值頻率、峰值大小、低頻段下降特征等兩者都很相似，說明平坦戈壁下墊面和平坦草原下墊面在垂直方向感熱輸送上存在很強(qiáng)的相似性.分析圖8a和圖7a，可以看出垂直和水平方向湍流交換對熱量輸送方面的影響相近.

對比圖8b所示的wq互譜特征與圖7b所示的uq互譜特征，在慣性副區(qū)區(qū)間大小、區(qū)間位置和峰值頻率大小等特征上差別不大，但wq互譜低頻區(qū)和峰值大小有所降低，說明在夏季戈壁地區(qū)，水汽通量輸送主要受水平方向湍流交換的影響.wq互譜的峰值頻率分布也比較分散，低頻區(qū)不同穩(wěn)定度下譜線的分布比uq互譜要集中.

由圖8c和圖7c可見，在慣性副區(qū)區(qū)間大小和位置、低頻段下降趨勢、峰值頻率大小等特征上wc互譜和uc互譜具有很強(qiáng)的相似性，但與uc互譜相比，wc互譜峰值大小略低，說明戈壁地區(qū)CO2通量輸送受水平方向湍流的影響較大.

5 結(jié) 論

本文利用渦動(dòng)相關(guān)法分析了2006年夏季6月27日—7月27日在我國西北玉門鎮(zhèn)附近戈壁地區(qū)碳和水熱循環(huán)特征，以及大氣湍流特征，主要結(jié)果如下：

（1）受太陽輻射、下墊面特征和干旱氣候的影響，戈壁地區(qū)近地層感熱通量較大，日變化規(guī)律明顯，在正午前后達(dá)到極大值.觀測期間感熱通量的極大值通常出現(xiàn)于13時(shí).

圖8 2006年6月27日—7月7日30m高度戈壁地區(qū)不同穩(wěn)定度下wθ、wq、wc歸一化互譜特征（f＝nz／ˉu）Fig.8 Normalized wθ，wq，wc cospectra under different stabilities at the 30mheight over the Gobi Desert from June 27to July 7，2006

（2）夏季戈壁地區(qū)近地層潛熱通量相對較小，在白天大部分時(shí)間內(nèi)僅為感熱通量的10%左右，這與戈壁地區(qū)干旱的氣候條件有關(guān).然而實(shí)驗(yàn)觀測顯示午后潛熱通量時(shí)常為負(fù)值，說明此時(shí)潛熱從空中向地面輸送，主要是受平流帶來的水汽影響.

（3）夏季戈壁地區(qū)近地層CO2濃度的平均值為557mg·m－3.CO2通量白天向下傳輸，最大值為1.10mg·m－2·s－1，夜間向上傳輸，其值很小，均不超過0.05mg·m－2·s－1.平均值為－0.199mg·m－2·s－1，整體表現(xiàn)為碳匯.CO2通量的日變化規(guī)律，與生長期的森林、草地等有植被區(qū)域下墊面的觀測結(jié)果大致相同.

（4）通過對夏季戈壁地區(qū)近地層的溫度、比濕、CO2濃度的湍流統(tǒng)計(jì)特征分析可知，在慣性副區(qū)，溫度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差σT／T＊與穩(wěn)定度參數(shù)z／L滿足－1／3次方律的關(guān)系；而比濕歸一化標(biāo)準(zhǔn)差σq／q＊和CO2濃度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差σc／c＊與穩(wěn)定度參數(shù)z／L的關(guān)系表現(xiàn)離散，可能的原因之一是比濕和CO2濃度這樣的被動(dòng)標(biāo)量的規(guī)律需要用與溫度T這樣的主動(dòng)標(biāo)量不同的穩(wěn)定度參數(shù)來進(jìn)行描述，然而具體的參數(shù)化公式還有待研究，同時(shí)也不排除測量儀器的精度有限.

（5）夏季戈壁地區(qū)近地層的溫度、濕度、CO2濃度的能譜和uθ、uq、uc、wθ，wq，wc的互譜特征顯示：在慣性副區(qū)，各能譜均滿足－2／3次方律；各互譜均滿足－4／3次方律；溫度能譜與CO2濃度能譜相似，與Kaimal等［27］給出的Kansas實(shí)驗(yàn)溫度能譜相近，而濕度能譜則表現(xiàn)出峰值頻率略低和低頻段譜線較為分散的特征；相對于uq互譜來說，uc互譜與uθ互譜相似，主要表現(xiàn)為不同穩(wěn)定度情況下譜線的峰值頻率較為接近，低頻段譜線都集中在較窄的范圍內(nèi)；wc互譜與wθ互譜相似，在慣性副區(qū)區(qū)間范圍、峰值頻率和峰值大小等特征上都與平坦草原下墊面的互譜wθ相近；對比uc互譜與wc互譜、uq互譜與wq互譜、uθ互譜與wθ互譜，可知水汽和CO2的輸送主要受水平方向湍流的影響，而水平和垂直方向湍流都對熱量輸送起重要作用.

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