復(fù)雜下墊面碳通量足跡分析
——以上海市奉賢大學(xué)城為例

龔 元, 趙 敏*, 郭智娟, 姚 鑫, 何 毅, 張立平

(1.上海師范大學(xué) 旅游學(xué)院,上海 200234; 2上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234)

復(fù)雜下墊面碳通量足跡分析
——以上海市奉賢大學(xué)城為例

龔 元1, 趙 敏1*, 郭智娟2, 姚 鑫2, 何 毅1, 張立平1

(1.上海師范大學(xué) 旅游學(xué)院,上海 200234; 2上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234)

基于位于上海市奉賢大學(xué)城的通量觀(guān)測(cè)塔,利用ART Footprint Tool分析了各個(gè)風(fēng)向(東南、西北、東北、西南4個(gè)方位)的碳通量足跡.結(jié)果表明:各個(gè)風(fēng)向上的貢獻(xiàn)源區(qū)碳通量數(shù)值范圍基本一致,均可以代表研究區(qū)的總體碳通量范圍(0～18 μmol·m-2·s-1);碳通量貢獻(xiàn)源區(qū)的通量峰值出現(xiàn)在東北方向(18 μmol·m-2·s-1),東北方向的總體碳通量水平較高,其碳通量貢獻(xiàn)比值最高(全天共36%),原因是東北方向單位面積上建筑物較多且靠近交通主干線(xiàn),人類(lèi)活動(dòng)較多導(dǎo)致碳通量貢獻(xiàn)比值最高,其他方向上的碳通量貢獻(xiàn)比值相差不大.該研究可以為其他城市的碳循環(huán)研究提供服務(wù)和參考.

城市系統(tǒng); 渦動(dòng)相關(guān); 碳通量; 足跡分析

0 引 言

從人類(lèi)開(kāi)始使用化石燃料以來(lái),常年被固存在死亡動(dòng)植物體內(nèi)的碳物質(zhì)燃燒后以各種形式排放到了大氣中.隨著社會(huì)的發(fā)展,大規(guī)模的城市擴(kuò)張占用了大批的林地和草地,加之化石燃料的使用形成了諸多的環(huán)境問(wèn)題,如PM2.5[1]、溫室效應(yīng)[2]等.在這樣的背景下人們開(kāi)始關(guān)注碳物質(zhì)的排放和吸收機(jī)制即碳循環(huán),并且衍生出碳通量[3-6]、碳濃度[7-8]、碳通量貢獻(xiàn)區(qū)[9-13]、碳足跡[14]等概念,通過(guò)對(duì)碳通量以及碳通量足跡的研究可以知道不同區(qū)域內(nèi)的碳通量來(lái)源,確定源區(qū)和匯區(qū),為建設(shè)低碳城市提供參考.

渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)(EC)是當(dāng)前最基本且廣泛使用的觀(guān)測(cè)生態(tài)尺度上地表與大氣之間物質(zhì)、熱量及動(dòng)量湍流交換的工具.20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始,EC開(kāi)始應(yīng)用于觀(guān)測(cè)植物和大氣的碳交換并且迅速崛起[10],并且應(yīng)用于各種生態(tài)環(huán)境下碳交換的監(jiān)測(cè).目前建立了例如國(guó)內(nèi)的ChinaFLUX和國(guó)際上的FLUXNET等的碳通量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[10].21世紀(jì)初,將渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)用于人口聚集城市的溫室氣體(如二氧化碳)環(huán)境測(cè)量的研究開(kāi)始成為熱點(diǎn).

鑒于城市下墊面的復(fù)雜性,為了研究城市系統(tǒng)碳交換中碳通量的影響因子和各地類(lèi)對(duì)碳通量的參與度,貢獻(xiàn)區(qū)成為了重要的研究方向.通量貢獻(xiàn)區(qū)又可分為源、匯兩種[15].隨著通量貢獻(xiàn)區(qū)的研究和發(fā)展,涌現(xiàn)出了許多通量貢獻(xiàn)區(qū)計(jì)算模型如Kormann and Meixner(KM)模型[16]、FSAM模型[13]、Hsieh模型[9]以及Horst-Weil模型[9]等.關(guān)于碳通量以及通量貢獻(xiàn)區(qū)的研究也有很多,例如,張慧[16]運(yùn)用ChinaFLUX的通量數(shù)據(jù)基于FSAM、KM和Hsieh等三個(gè)模型分析了千煙洲中亞熱帶人工林碳水通量貢獻(xiàn)區(qū)的季節(jié)變化特征,其認(rèn)為森林系統(tǒng)是重要的碳匯.王江濤等[10]運(yùn)用渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)基于FSAM模型分析了崇明地區(qū)濕地生態(tài)系碳通量貢獻(xiàn)區(qū)的分布特征,其認(rèn)為風(fēng)向和大氣穩(wěn)定度是影響碳通量貢獻(xiàn)區(qū)的重要因子.袁莊鵬等[13]基于渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)和FSAM模型分析了不同大氣和季節(jié)條件下的研究區(qū)碳通量貢獻(xiàn)區(qū)的分布,其認(rèn)為碳通量貢獻(xiàn)區(qū)有明顯的季節(jié)分異特征.但是由于城市下墊面的復(fù)雜性,一般的通量貢獻(xiàn)模型不能對(duì)不同區(qū)域的碳通量足跡進(jìn)行量化分析,導(dǎo)致城市系統(tǒng)碳循環(huán)的研究一直是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[17].

2007年,一款基于KM模型,由Neftel等[18]開(kāi)發(fā)的方便計(jì)算源區(qū)內(nèi)不同下墊面通量貢獻(xiàn)百分比的工具問(wèn)世,名為T(mén)he Agroscope Reckenholz-T?nikon Footprint Tool(ART Footprint Tool).Neftel等[18]使用并且評(píng)估了這款通量足跡計(jì)算工具,認(rèn)為其可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)規(guī)定區(qū)域的碳通量的貢獻(xiàn)百分比,并且可以通過(guò)使用長(zhǎng)期大量的EC數(shù)據(jù)來(lái)控制該模型所預(yù)測(cè)的通量貢獻(xiàn)百分比的質(zhì)量.

本文作者將使用地理信息系統(tǒng)工具和通量計(jì)算工具,基于風(fēng)向和ART Footprint Tool,分析城市環(huán)境下源區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的碳通量特征和碳通量足跡,為其他地區(qū)城市環(huán)境下的碳通量研究和合理規(guī)劃城市布局降低碳排放提供參考和服務(wù).

1 研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

本研究區(qū)域位于長(zhǎng)江中下游平原、上海市最南端海灣旅游區(qū)的上海市奉賢大學(xué)城,地勢(shì)平坦,毗鄰杭州灣.渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)觀(guān)測(cè)站點(diǎn)(EC點(diǎn))的地理坐標(biāo)為N 30°50′32.26″,E 121°30′38.96″,如圖1所示.觀(guān)測(cè)塔高20 m,安裝有微氣象梯度觀(guān)測(cè)系統(tǒng)和開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差測(cè)量系統(tǒng).EC點(diǎn)西北側(cè)和南側(cè)有以香樟(Cinnamomumcamphora)為優(yōu)勢(shì)種的亞熱帶常綠闊葉林(冠層高度8 m[13]),以及以麥冬(Ophiopogonjaponicus)、菖蒲(AcoruscalamusL)為優(yōu)勢(shì)種的草本植物;東側(cè)有教學(xué)樓,操場(chǎng)和圖書(shū)館等學(xué)校建筑;北側(cè)約150 m有交通主干道.該區(qū)域?qū)僦芯暥葴貛?亞熱帶季風(fēng)氣候雨熱同期,夏季盛行東南風(fēng)并且高溫多雨,冬季盛行西北風(fēng)并且低溫少雨,年平均氣溫15 ℃,年總降水量約2 100 mm[10],年均相對(duì)濕度為80%,無(wú)霜期約200 d[13].

圖1 研究區(qū)示意圖(藍(lán)色十字為觀(guān)測(cè)站)

1.2 渦動(dòng)相關(guān)通量觀(guān)測(cè)系統(tǒng)及其工作原理

渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)塔高20 m,其通量觀(guān)測(cè)系統(tǒng)主要由Cr3000(Campbell,Scientific Instruments,USA)通量數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)設(shè)備,Li-7500(LI-COR,Inc.,USA)開(kāi)路式二氧化碳和水汽分析設(shè)備安裝高度20 m,Gill三維超聲風(fēng)速儀(Gill.Instruments,UK)安裝高度20 m[13].

渦動(dòng)相關(guān)通量觀(guān)測(cè)系統(tǒng)一般以10～20 Hz的采樣頻率采集傳感器一定高度上的風(fēng)速,超聲虛溫,水汽含量,二氧化碳密度,空氣密度等.通過(guò)取平均值(30 min)的方式來(lái)計(jì)算通量信息,某標(biāo)量x(設(shè)單位為質(zhì)量密度[kg/m3])的湍流輸送通量可由下式計(jì)算[13]:

(1)

其中,橫上線(xiàn)表示時(shí)間平均.將測(cè)得量做雷諾分解,即分為平均量和脈動(dòng)量?jī)刹糠諿17].

(2)

(3)

(4)

1.3 通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

本文作者選取2015年4月至2016年3月共計(jì)12個(gè)月的通量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),通過(guò)Eddy Covariance Software(EddyPro)軟件對(duì)10Hz的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜修正,頻率響應(yīng)修正,WPL校正等,將原始數(shù)據(jù)輸出為30 min/次的數(shù)據(jù),包括各類(lèi)通量信息和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)識(shí)(0-1-2)(質(zhì)量控制體系:0代表最好,1代表較好,2代表差)等[17].

考慮儀器、天氣等因素的影響.通過(guò)EddyPro數(shù)據(jù)預(yù)處理后,對(duì)輸出的碳通量信息進(jìn)行篩選:(1)剔除缺失的數(shù)據(jù);(2)剔除質(zhì)量控制標(biāo)注為‘2’的數(shù)據(jù);(3)剔除降水時(shí)段的數(shù)據(jù);(4)剔除10Hz原始數(shù)據(jù)每半個(gè)小時(shí)缺失率大于10%的數(shù)據(jù);(5)剔除夜間摩擦風(fēng)速小于0.15m/s的數(shù)據(jù)[10].2015年4月至2016年3月的碳通量數(shù)據(jù)缺失和拒絕率為32%,一般情況下數(shù)據(jù)的缺失和拒絕率小于50%則具有代表性[19].在數(shù)據(jù)插補(bǔ)方面采用平均每日變異法(MDV),即用相鄰天的同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行插補(bǔ),白天通量數(shù)據(jù)的插補(bǔ)周期為7 d,夜晚通量數(shù)據(jù)的插補(bǔ)周期為14 d[13].

1.4 碳通量足跡計(jì)算

1.4.1 ART Footprint Tool計(jì)算模型

研究區(qū)內(nèi)源區(qū)不同下墊面通量貢獻(xiàn)比例的計(jì)算基于ART Footprint Tool.包括沿來(lái)風(fēng)向的橫風(fēng)積分模型和橫風(fēng)分布模型兩部分,然后通過(guò)綜合分布網(wǎng)格點(diǎn)結(jié)果來(lái)計(jì)算規(guī)定區(qū)域內(nèi)通量貢獻(xiàn)百分比.該模型所需要輸入的參數(shù)均可從EddyPro輸出的半小時(shí)一次的數(shù)據(jù)結(jié)果中獲得.在有效空氣動(dòng)力學(xué)高度zm(儀器架設(shè)高度減去零平面位移值)上,水平坐標(biāo)系統(tǒng)中原點(diǎn)測(cè)量的通量Fc(0,0,zm)和下墊面各點(diǎn)源強(qiáng)Fc(x,y,0)及一個(gè)概率密度函數(shù)即所謂Footprint函數(shù)φ(x,y,zm)有關(guān)[18]:

(5)

這里的x軸指向的是平均水平風(fēng)向的方向.足跡函數(shù)φ(x,y,zm)代表的是監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)任意位置對(duì)觀(guān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)量通量的貢獻(xiàn)比值的加權(quán)函數(shù),由Kormann和Meixner[18]所提出的平流擴(kuò)散模型的解析法計(jì)算,可以寫(xiě)成下式.

(6)

其中,5個(gè)參數(shù)A至E分別由測(cè)量高度,水平風(fēng)速,摩擦速度,橫風(fēng)速度標(biāo)準(zhǔn)差,莫寧-奧布霍夫穩(wěn)定度長(zhǎng)度決定[18]:

A=1+μ,

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

其中用到的參數(shù)r=2+m-n,μ=(1+m)/r,σv為側(cè)風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差,Γ(μ) 為Gamma函數(shù).m,n和u0,k0為在有一定高度的風(fēng)速觀(guān)測(cè)值,并已知下墊面粗糙度和大氣穩(wěn)定度(zm/L)的情況下,可以用近地層相似關(guān)系公式計(jì)算.

1.4.2 通量貢獻(xiàn)比值的計(jì)算

依照ART Footprint Tool,為了計(jì)算規(guī)定區(qū)域內(nèi)的通量貢獻(xiàn)百分比,這些規(guī)定的區(qū)域必須是四邊形,其4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)是根據(jù)研究區(qū)的土地利用決定的,要求四邊形所有的內(nèi)角要小于180°.

在計(jì)算通量貢獻(xiàn)比值時(shí),采用公式(6),選取順風(fēng)點(diǎn)200個(gè),橫風(fēng)點(diǎn)100個(gè)的網(wǎng)格點(diǎn)估算.接下來(lái)將網(wǎng)格內(nèi)的碳通量貢獻(xiàn)的信息旋轉(zhuǎn)至風(fēng)向,并且用規(guī)定的四邊形區(qū)域進(jìn)行覆蓋,對(duì)四邊形內(nèi)所有網(wǎng)格點(diǎn)的碳通量貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)疊加,最終計(jì)算出感興趣(四邊形)區(qū)域的碳通量貢獻(xiàn)比值[18].

2 結(jié)果分析

2.1 風(fēng)向分布特征

2015年4月至2016年3月的風(fēng)速風(fēng)向如圖2所示.其中風(fēng)向在0°(N)～90°(E)的占總風(fēng)頻的25%,在90°(E)～180°(S)的占總風(fēng)頻的35%,180°(S)～270°(W)的占總風(fēng)頻的19%,270°(W)～360°(0°/N)占總風(fēng)頻的21%,風(fēng)向特征為全年?yáng)|南風(fēng)為主風(fēng)向,風(fēng)向總體特征符合亞熱帶季風(fēng)氣候即夏季盛行東南風(fēng),冬季盛行西北風(fēng).和袁莊鵬[13],王江濤[10],顧永劍[12]的研究結(jié)果一致,并且他們的研究區(qū)都位于上海地區(qū).

2.2 風(fēng)向?qū)μ纪控暙I(xiàn)源區(qū)的影響

不同風(fēng)向?qū)е聹u動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)所測(cè)量的碳通量信息來(lái)自不同的區(qū)域,因此將風(fēng)向角度和碳通量(貢獻(xiàn)源區(qū))數(shù)據(jù)結(jié)合如圖3所示.

圖2 研究區(qū)風(fēng)玫瑰圖

圖3 不同風(fēng)向上的碳通量源區(qū)特征

數(shù)據(jù)顯示,研究區(qū)碳通量貢獻(xiàn)源區(qū)(Carbon source)分布較均勻,各方向上的碳通量范圍均可代表研究區(qū)碳通量貢獻(xiàn)源區(qū)的總體特征(0 ～18 μmol·m-2·s-1).但碳通量貢獻(xiàn)源區(qū)峰值出現(xiàn)在東北方向(18 μmol·m-2·s-1),并且在10 ～18 μmol·m-2·s-1內(nèi)通量值出現(xiàn)在東北方向的頻率最高約45%,所以相對(duì)來(lái)說(shuō)東北方向的碳通量值水平稍高.西北、東北、西南、東南方向上的貢獻(xiàn)源區(qū)碳通量均值分別為2.6,4.1,2.8,2.8 μmol·m-2·s-1.表現(xiàn)為東北最高,西北最低.從土地利用的角度來(lái)說(shuō),以EC點(diǎn)中心,東南,西北,東北,西南方向均有教學(xué)樓,宿舍等大量校園建筑,建筑類(lèi)型相對(duì)單一,導(dǎo)致各個(gè)方向上的貢獻(xiàn)源區(qū)碳通量值范圍較統(tǒng)一.在賈慶宇等[6]的研究中,沈陽(yáng)市在不同風(fēng)向上的碳通量值明顯的差異,并且碳通量最大可達(dá)60 μmol·m-2·s-1,原因是其觀(guān)測(cè)點(diǎn)位于沈陽(yáng)市中心,下墊面類(lèi)型較本研究區(qū)更加復(fù)雜,并且有高層建筑物遮擋影響了碳通量的總體趨勢(shì).與國(guó)外的研究相比,Vogt等[20]監(jiān)測(cè)的位于瑞士Basel地區(qū)的碳通量范圍是3 ～16 μmol·m-2·s-1.Velasco等[21]研究中的墨西哥城地區(qū)碳通量3 ～18 μmol·m-2·s-1.他們的研究結(jié)果和本研究接近,并且他們的研究都屬于城區(qū).由于各研究區(qū)的下墊面分布特征不同,導(dǎo)致不同的研究區(qū)在不同方向上的碳通量的通量范圍數(shù)值不同[22].

2.3 貢獻(xiàn)源區(qū)內(nèi)不同區(qū)域?qū)μ纪康呢暙I(xiàn)率

由于ART Footprint Tool可以計(jì)算規(guī)定區(qū)域內(nèi)碳通量貢獻(xiàn)比值,以EC點(diǎn)為原點(diǎn)建立笛卡爾二維坐標(biāo)系,并且將研究區(qū)劃分為4個(gè)大區(qū)域即東南,西北,東北,西南,如圖4所示,通過(guò)ART Footprint Tool計(jì)算各區(qū)域內(nèi)的碳通量貢獻(xiàn)比值,比較各區(qū)域的通量貢獻(xiàn)值差異.

通過(guò)ART Footprint Tool的計(jì)算,各個(gè)區(qū)域的碳通量貢獻(xiàn)比值,如圖5所示.數(shù)據(jù)顯示,白天和夜晚區(qū)域1即東北方向的碳通量貢獻(xiàn)比值最高為24%和12%,原因可能在于東北方向建筑物相對(duì)較多且較分散,其他方向建筑物較少但集中,導(dǎo)致單位面積中建筑物數(shù)量東北方向較高(人類(lèi)活動(dòng)更加活躍)并且靠近交通主干道,提高了碳排放.最后造成東北方向碳通量貢獻(xiàn)比值最高.碳通量貢獻(xiàn)源區(qū)的特征和各區(qū)域的碳通量貢獻(xiàn)比值特征一致,都表現(xiàn)為東北方向最高.在賈慶宇等[22]的研究中認(rèn)為交通和建筑系統(tǒng)是碳通量的主要貢獻(xiàn)因子,趙榮欽等[15]認(rèn)為在城市系統(tǒng)碳循環(huán)中人類(lèi)活動(dòng)是導(dǎo)致碳排放增加的重要因素,龔元等[23-24]在城市生態(tài)系統(tǒng)的碳通量足跡的研究中發(fā)現(xiàn)其碳通量足跡受“社會(huì)系統(tǒng)(不透水層)”的影響較大.本文主要使用了足跡模型[25-30]對(duì)上海市奉賢大學(xué)城各個(gè)風(fēng)向上的碳通量特征以及碳通量足跡進(jìn)行了分析,但是沒(méi)有涉及不同下墊面類(lèi)型的碳通量動(dòng)態(tài)特征[31-38](碳源/碳匯)的分析,關(guān)于不同下墊面類(lèi)型城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響會(huì)在以后的研究中進(jìn)行完善.他們的研究結(jié)果和本研究一致.

圖5 各區(qū)域碳通量貢獻(xiàn)比值

圖4 測(cè)試區(qū)域位置

3 結(jié) 論

基于渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)和ART Footprint Tool,分析了研究區(qū)內(nèi)風(fēng)向?qū)μ纪控暙I(xiàn)源區(qū)的影響,并且將研究區(qū)分為東南,西北,東北,西南4個(gè)方位計(jì)算了其碳通量貢獻(xiàn)的比值,結(jié)論如下:

(1)研究區(qū)內(nèi)各個(gè)方向上的碳通量貢獻(xiàn)源區(qū)范圍基本一致,均可以代表研究區(qū)的總體碳通量范圍,但東北方向的總體碳通量水平較高.碳通量貢獻(xiàn)源區(qū)的通量峰值出現(xiàn)在東北區(qū)域?yàn)?8 μmol·m-2·s-1,并且在東北方向的碳通量貢獻(xiàn)比值最高.

(2)導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)東北方向上碳通量水平較高的原因可能是因?yàn)闁|北方向建筑物相對(duì)較多且較分散,其他方位建筑物較少但集中,單位面積中建筑物數(shù)量東北方向較高,導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的人類(lèi)活動(dòng)更加活躍,加之靠近交通主干道,交通流量也提高了碳排放.

本研究可以為其他環(huán)境下城市系統(tǒng)的碳循環(huán)研究提供方法參考,為建設(shè)低碳型城市和解決氣候問(wèn)題提供服務(wù).

致謝 感謝中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院的王介民教授在碳通量數(shù)據(jù)處理和足跡模型使用方面的指導(dǎo).

[1] 施學(xué)美,李學(xué)德,魏楨,等.合肥市春季大氣PM10和PM2.5中碳組分的污染特征 [J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù),2015,27(6):27-32.

Shi X M,Li X D,Wei Z,et al.Pollution characteristics of organic carbon and elemental carbon in PM2.5and PM10sampled in Hefei during the spring [J].The Administration and Technique of Environmental Monitoring,2015,27(6):27-32.

[2] Velasco E,Perrusquia R,Jiménez E,et al.Sources and sinks of carbon dioxide in a neighborhood of Mexico City [J].Atmospheric Environment,2014,97:226-238.

[3] Kordowski K,Kuttler W.Carbon dioxide fluxes over an urban park area [J].Atmospheric Environment,2010,44(23):2722-2730.

[4] Kishore Kumar M,Shiva Nagendra S M.Characteristics of ground level CO2concentrations over contrasting land uses in a tropical urban environment [J].Atmospheric Environment,2015,115:286-294.

[5] Gioli B,Gualtieri G,Busillo C,et al.Improving high resolution emission inventories with local proxies and urban eddy covariance flux measurements [J].Atmospheric Environment,2015,115:246-256.

[6] 賈慶宇,周廣勝,王宇,等.城市復(fù)雜下墊面供暖前后CO2通量特征分析 [J].環(huán)境科學(xué),2010,31(4):843-849.

Jia Q Y,Zhou G S,Wang Y,et al.Characteristics of CO2flux before and in the heating period at urban complex underlying surface area [J].Environmental Science,2010,31(4):843-849.

[7] 陳超,何曦,楊樂(lè).杭州市環(huán)境空氣中黑碳質(zhì)量濃度變化特征 [J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù),2015,27(1):60-62.

Chen C,He X,Yang L.Concentration variety characteristics of black carbon in ambient air of Hangzhou City [J].The Administration and Technique of Environmental Monitoring,2015,27(1):60-62.

[8] Kurppa M,Nordbo A,Haapanala S,et al.Effect of seasonal variability and land use on particle number and CO2exchange in Helsinki,Finland [J].Urban Climate,2015(13):94-109.

[9] 劉郁玨,胡非,程雪玲,等.北京城市通量足跡及源區(qū)分布特征分析 [J].大氣科學(xué),2014,38(6):1044-1054.

Liu Y J,Hu F,Cheng X L,et al.Distribution of the source area and footprint of Beijing [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences,2014,38(6):1044-1054.

[10] 王江濤.崇明東灘濱海圍墾區(qū)蘆葦濕地CO2通量特征 [D].上海:華東師范大學(xué),2015.

[11] 王江濤,周劍虹,歐強(qiáng),等.崇明東灘濱海圍墾濕地CO2通量貢獻(xiàn)區(qū)分析 [J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào).2014,30(5):588-594.

Wang J T,Zhou J H,Ou Q,et al.CO2flux footprint analysis of coastal polder wetlands in Dongtan of Chongming [J].Journal of Ecology and Rural Environment,2014,30(5):588-594.

[12] 顧永劍,高宇,郭海強(qiáng),等.崇明東灘濕地生態(tài)系統(tǒng)碳通量貢獻(xiàn)區(qū)分析 [J].復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,47(3):374-379.

Gu Y J,Gao Y,Guo H Q,et al.Footprint analysis for carbon flux in the wetland ecosystem of Chongming Dongtan [J].Journal of Fudan University(Natural Science),2008,47(3):374-379.

[13] 袁莊鵬.碳通量變化特征及影響因子研究 [D].上海:上海師范大學(xué),2013.

[14] 趙敏,胡靜,湯慶合.上海地區(qū)土壤碳匯功能評(píng)估 [J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù),2012,24(5):17-22.

Zhao M,Hu J,Tang Q H.Evaluation of soil carbon sinks in Shanghai [J].The Administration and Technique of Environmental Monitoring,2012,24(5):17-22.

[15] 趙榮欽,黃賢金.城市系統(tǒng)碳循環(huán):特征、機(jī)理與理論框架 [J].生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(2):358-366.

Zhao R Q,Huang X J.Carbon cycle of urban system:characteristics,mechanism and theoretical framework [J].ActaEcologicaSinica,2013,33(2):358-366．

[16] 張慧.中亞熱帶人工林碳水通量貢獻(xiàn)區(qū)的評(píng)價(jià)研究 [D].南京:南京信息工程大學(xué),2012.

[17] 王介民,王維真,奧銀煥,等.復(fù)雜條件下湍流通量的觀(guān)測(cè)與分析 [J].地球科學(xué)進(jìn)展,2007,22(8):791-797.

Wang J M,Wang W Z,Ao Y H,et al.Turbulence flux measurements under complicated conditions [J].Advance in Earth Science,,2007,22(8):791-797.

[18] Neftel A,Spirig C,Ammann C.Application and test of a simple tool for operational footprint evaluations [J].Environmental Pollution,2008,152(3):644-652.

[19] 龔笑飛,陳麗萍,莫路鋒.基于FSAM模型的毛竹林碳通量貢獻(xiàn)區(qū)研究 [J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(6):37-43.

Gong X F,Cheng L P,Mo X F.Research of flux footprint of anji bamboo forest ecosystems based on the FSAM model [J].Journal of Southwest Forestry University,2015,35(6):37-43.

[20] Vogt R,Christen A,Rotach M.W,et al.Temporaldynamics of CO2fluxes and profiles over a Central European city [J].Theoreticaland Applied Climatology,2006,84 (3):117-126.

[21] Velasco E,Pressley S,Allwine E,et al.Measurements of CO2fluxes from the Mexico City urban landscape [J].Atmospheric Environment,2005,39:7433-7446.

[22] 賈慶宇,周廣勝,王宇.沈陽(yáng)城市CO2通量的足跡分析 [J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(8):1682-1687.

Jia Q Y,Zhou G S,Wang Y.Footprint characteristics of CO2flux over the urban district of Shenyang [J].Acta Scientiae Circumstantiae,2010,30(8):1682-1687.

[23] 龔元,趙敏,姚鑫,等.城市生態(tài)系統(tǒng)復(fù)合下墊面碳通量特征——以上海市奉賢大學(xué)城為例 [J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2017,26(1):91-99.

Gong Y,Zhao M,Yao X,et al.Study on carbon flux characteristics of the underlying surface of urban ecosystem:A case study of Shanghai Fengxian University City[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,2017,26(1):91-99.

[24] 龔元,趙敏,姚鑫,等.基于Hsieh和Kljun模型的城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量貢獻(xiàn)區(qū)分析與對(duì)比 [J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(2):225-231.

Gong Y,Zhao M,Yao X,et al.Analysis and comparison of carbon flux contribution zones in urban ecological system based on Hsieh and Kljun models [J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(2):225-231.

[25] Finn D,Lamb B,Leclerc M Y,et al.Experimental evaluation of analytical and Lagrangian surface-layer flux footprint models [J].Boundary-Layer Meteorology,1996,80(3):283-308.

[26] Flesch T K,Wilson J D,Yee E.Backward-time lagrangian stochastic dispersion models and their application to estimate gaseous emissions [J].Journal of Applied Meteorology,1995,34(6):1320-1332.

[27] Schmid H P.Experimental design for flux measurements:Matching observations and fluxes [J].Agricultural and Forest Meteorology,1997,87:179-200.

[28] Kormann R,Meixner F X.An analytical footprint model for non-neutral stratification [J].Boundary-Layer Meteorology,2001,99(2):207-224.

[29] Amiro B D.Footprint climatologies for evapotranspiration in a boreal catchment [J].Agricultural and Forest Meteorology,1998,90(3):195-201.

[30] Baldocchi D.Flux footprints within and over forest canopies [J].Boundary-Layer Meteorology,1997,85(2):273-292.

[31] Shao J,Zhou X,Luo Y,et al.Biotic and climatic controls on interannual variability in carbon fluxes across terrestrial ecosystems [J].Agricultural and Forest Meteorology,2015,205:11-22.

[32] Niu S,Sherry R A,Zhou X,et al.Ecosystem carbon fluxes in response to warming and clipping in a tallgrass prairie [J].Ecosystems,2013,16(6):948-961.

[33] Niu S,Luo Y,Fei S,et al.Thermal optimality of net ecosystem exchange of carbon dioxide and underlying mechanisms [J].New Phytologist,2012,194(3):775-783.

[34] Fei X,Jin Y,Zhang Y,et al.Eddy covariance and biometric measurements show that a savanna ecosystem in Southwest China is a carbon sink [J].Scientific Reports,2017,7:41025.

[35] Murima P,Zimmermann M,Chopra T,et al.A rheostat mechanism governs the bifurcation of carbon flux in mycobacteria [J].Nature Communications,2016,7:12527.

[36] Kubo A,Maeda Y,Kanda J.A significant net sink for CO2in Tokyo Bay [J].Scientific Reports,2017,7:44355.

[37] Lin P,Guo L.Do invasive quagga mussels alter CO2dynamics in the Laurentian Great Lakes? [J].Scientific Reports,2016,6:39078.

[38] Ma X,Huete A,Cleverly J,et al.Drought rapidly diminishes the large net CO2uptake in 2011 over semi-arid Australia [J].Scientific Reports,2016,6:37747.

(責(zé)任編輯：郁 慧)

Footprint analysis on carbon flux of complex underlying surface—— A case study of Shanghai Fengxian University Town

Gong Yuan1,Zhao Min1*,Guo Zhijuan2,Yao Xin2,He Yi1,Zhang Liping1

(1.College of Tourism,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China; 2.College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

On the basis of flux observation tower located inFengxian university town of Shanghai,the carbon flux footprints in various wind directions including the southeast,northwest,northeast,and southwest directions were analyzed by utilizing the ART Footprint Tool.The conclusions are as follows:(1) The numerical range of carbon flux in the source area of each wind direction is basically the same,which can represent the total carbon flux range of the study area(0 ～18 μmol·m-2·s-1).The flux peak value in contribution source region of carbon flux appears in the northeast direction(18 μmol·m-2·s-1),the total carbon flux level is higher in the northeast direction;(2) The contribution ratio of the northeast direction to carbon flux is the highest in the four directions (36%).The reason is that human activities are more active in the northeast direction due to more buildings in unit area which are close to the main roads.The contribution ratios of the other three directions to carbon flux are not quite different.This research achievement can provide the reference for other cities’ carbon cycle research.

urban system;eddy covariance;carbon flux;footprint

2016-10-09

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(31100354)

龔 元(1992-),男,碩士研究生,主要從事大氣環(huán)境方面的研究.E-mail:1072363740@qq.com

導(dǎo)師簡(jiǎn)介: 趙 敏(1973-),女,副教授,主要從事城市生態(tài)方面的研究.E-mail:zhaomin@shnu.edu.cn

P 401;X 51

A

1000-5137(2017)02-0284-08

*通信作者