基于渦動相關儀的農田下墊面觀測通量的變化特征分析

摘 要 利用2015-2016年姚安縣渦動相關儀觀測資料，在保證數(shù)據(jù)質量的基礎上，分析了觀測區(qū)通量交換特征。結果表明：感熱和潛熱通量全年都有相同的日變化特點，CO2通量僅在作物生長季節(jié)有明顯的日變化特點，變化趨勢與感熱潛熱通量變化特點相反；各通量受作物種類影響，季節(jié)變化明顯，在生長季以潛熱通量、CO2通量交換為主，其值在生長中期也明顯高于生長初期和末期；受風、湍流條件、下墊面狀況等共同影響，日尺度的觀測通量差異最顯著，季節(jié)尺度次之，年尺度最小。

關鍵詞 通量觀測；渦動相關儀；農田

中圖分類號：P404 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.35.049

氣候變化和人類活動正在改變或影響著水資源的時空變化，人類發(fā)展已面臨著水資源短缺、極端氣候事件頻發(fā)等一系列問題。隨著全球氣候變化影響加深，區(qū)域農作物需水與供水矛盾日益突出，為此，在有限水資源條件下實現(xiàn)農業(yè)生產效益最大化，以此來指導農業(yè)灌溉，實現(xiàn)以供定需的現(xiàn)代化水資源管理已迫在眉睫。渦動相關法因其直接、連續(xù)、自動性等特點，已被廣泛應用于森林、草地、農田、沙漠及城市等各種下墊面環(huán)境，通過對區(qū)域碳、水、熱等通量的研究，作為生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的CO2、H2O和能量交換信息的有效手段。

本文利用姚安觀測點2015-2016年連續(xù)2a的渦動觀測數(shù)據(jù)，通過對原始數(shù)據(jù)的質量控制，分析了感熱通量、潛熱通量、二氧化碳等通量的交換特征，從不同時間尺度分析其變化規(guī)律、為今后研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的CO2、H2O和能量交換信息提供參考。

1 觀測站概況與數(shù)據(jù)處理方法

1.1 觀測站及儀器基本情況

姚安觀測點地處云貴高原，位于云南省楚雄州姚安縣蜻蛉河大型灌區(qū)棟川鎮(zhèn)龍街村委會羅灣村。觀測場為蜻蛉河大型灌區(qū)，試驗區(qū)為農田下墊面，種植作物以油菜、水稻、蔬菜為主，多年平均氣溫15.6℃，平均日照時間為2570h。多年平均降水量811.4mm，年內分布不均。多年平均水面蒸發(fā)量2749.9mm，多年平均相對濕度65%。多年平均風速3.5mm/s，主風向為西南和偏南風。油菜、水稻生長期分別為1-4月和5-9月，是楚雄蜻蛉河大型灌區(qū)有代表性的農田下墊面。觀測點所在村委會地勢平坦，場地開闊且集中連片，當?shù)厥⑿酗L向為西南風。引進美國CAMPBELL公司渦動觀測儀器一套。包括渦動相關儀（IRGASON）、數(shù)據(jù)采集存儲器CR1000、CR3000。小型自動氣象站的觀測項目含三維風風速、空氣溫度、濕度、實時降水量、飽和水氣壓及不同深度土壤墑情信息。

1.2 觀測數(shù)據(jù)處理與質量控制

本文選用姚安觀測點2015-2016年渦動相關儀器觀測資料進行評價與分析。利用通量數(shù)據(jù)處理軟件Eddpro對渦動相關儀原始渦動數(shù)據(jù)進行一系列的分析處理，采取國際上通用的通量數(shù)據(jù)處理30min。處理步驟主要包括：數(shù)采信息分析、野點剔除、數(shù)據(jù)格式轉化、坐標旋轉、儀器參數(shù)設置和數(shù)據(jù)篩選等，最終得到感熱通量儲量，潛熱通量儲量、CO2水平面的垂直氣體通量、H2O平面的垂直氣體通量及摩擦風速等數(shù)據(jù)。

2 研究方法

系統(tǒng)實際運行中，超聲風速儀高頻響應三維風速（Ux、Uy、Uz）和虛溫（Ts），CO2/H2O），數(shù)據(jù)采集器（CR1000、CR3000）實時采集通量數(shù)據(jù)，項目組科研人員每月平均一次現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，之后通過軟件分析計算得到感熱通量儲量，潛熱通量儲量、CO2水平面的垂直氣體通量、H2O平面的垂直氣體通量及摩擦風速等，對這些原始數(shù)據(jù)進行后期處理（分析和插補），從而獲得理想通量數(shù)據(jù)。

3 觀測數(shù)據(jù)特征分析

3.1 通量日變化規(guī)律分析

油菜生長季節(jié)晴天選擇2015年3月20日、生長季節(jié)陰天選擇2015年4月22日，油菜非生長季節(jié)晴天選擇2015年5月4日、非生長季節(jié)陰天選擇2015年2月20日。通過這幾天分析所得的通量數(shù)據(jù)簡要分析各通量的變化規(guī)律。

無論是生長季節(jié)或非生長季節(jié)，晴天時凈輻射呈現(xiàn)出正弦型的日變化，日出后由負轉正，并在當?shù)匚鐣r前后達到一天內的最大值，隨后又逐漸減小。陰天時，由于云層遮蔽等因素影響，太陽凈輻射減小，凈輻射的日變化規(guī)律與晴天相較而言，呈現(xiàn)出鋸齒狀波動性。在該觀測站點采集的作物生長季或非生長季的觀測數(shù)據(jù)看來，感熱通量和潛熱通量日變化趨勢均非常明顯，且與太陽凈輻射表現(xiàn)出較好的一致性。

CO2通量的日變化特征在作物的生長季節(jié)與非生長季節(jié)差異明顯，作物非生長季時幾乎沒有明顯的日變化。在有少量植被覆蓋時，白天出現(xiàn)弱的光合作用，同時也存在一些呼吸作用，且此時溫度較低，夜間的呼吸作用也較弱。而在作物生長季節(jié)，CO2通量日變化趨勢明顯。白天作物進行較強烈光合作用，從大氣中吸收CO2，通量值為負，最小值大致出現(xiàn)在午后14：00-14：30，與潛熱通量出現(xiàn)峰值的時間段趨同。夜間進行呼吸作用，向大氣中釋放CO2。

總的來說，CO2通量其變化規(guī)律與凈輻射、感熱通量和潛熱通量呈現(xiàn)出相反的日變化特點，夜間大氣湍流強度較弱，各通量值較白天時下降明顯，變幅不明顯。另外，凈輻射、感熱通量、CO2通量均存在晝夜間正負交替的變化特征，而潛熱通量除個別時次出現(xiàn)較小負值外，始終為正。

3.2 通量季節(jié)變化、年變化規(guī)律分析

從姚安觀測站點2015-2016年感熱、潛熱和CO2通量數(shù)據(jù)繪制的月平均日變化趨勢圖可以得出，即上述各通量均存在較為顯著的季節(jié)變化特點，全年大部分時候，感熱通量和潛熱通量的日變化趨勢均較為顯著，與之不同的是CO2通量僅在作物生長季節(jié)表現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律，作物非生長季時幾乎無明顯的日變化特點。在水稻的生長旺季，即7月與8月，全年中感熱通量最小，7-8月，水稻進入分蘗成熟期，其葉面積指數(shù)激增，隨之而來的是蒸騰作用加強，與之對應的恰好為潛熱通量在全年中達到最大值。

4 結論

本文利用2015-2016年姚安觀測點渦動相關儀和自動氣象站的觀測數(shù)據(jù)，在剔除野點數(shù)據(jù)后，分析了各通量日、季節(jié)、年時間尺度上的農田地表通量交換特征，得出如下主要結論。第一，感熱通量和潛熱通量在全年都有一致的日變化特點，CO2通量僅僅在作物生長季節(jié)有明顯的日變化特點，變化趨勢與感熱潛熱通量變化特點相反。不同的作物，都表現(xiàn)出如下規(guī)律，即作物非生長季節(jié)以感熱通量交換為主，而在作物生長季節(jié)則是潛熱通量、CO2通量占主導。此外，在作物生長季節(jié)，CO2通量呈現(xiàn)類“U”型分布，潛熱通量為倒“U”型。第二，各通量變化規(guī)律為：日尺度差異最為明顯，季節(jié)尺度次之，年尺度最小。

（責任編輯：趙中正）