興安落葉松林通量觀測(cè)足跡與源區(qū)分布

王美媛，張秋良

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特100019)

大氣湍流中主要研究地與氣間相互作用的過程，對(duì)氣象及氣候、區(qū)域水資源管理和分析等有著重要的指導(dǎo)作用，現(xiàn)階段研究者對(duì)大氣湍流的變化觀測(cè)方法主要運(yùn)用渦動(dòng)相關(guān)法(Eddy Covariance)作為最主要的通量測(cè)量方法，在Fluxnet等眾多研究中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。隨著研究的深入，渦度相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步使得通量研究長(zhǎng)期定位觀測(cè)成為可能［3-5］。渦動(dòng)相關(guān)法采用的假設(shè)前提是定常、湍流充分發(fā)展、平均垂直速度為0、平均時(shí)間段內(nèi)無水平平流影響［6］。在不同的大氣層結(jié)穩(wěn)定度、下墊面粗糙度、邊界層厚度下的研究表明，生態(tài)系統(tǒng)通量數(shù)據(jù)的空間代表性沿上風(fēng)向可達(dá)到幾十米到幾千米［7-8］。足跡與通量的觀測(cè)有關(guān)，反映上風(fēng)向源區(qū)權(quán)重函數(shù)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的影響。但是在實(shí)際測(cè)量中，特別是在復(fù)雜地形上，這種假設(shè)條件常常難以滿足，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，所得結(jié)果的準(zhǔn)確度降低［9-10］。目前，通量足跡分析多用渦動(dòng)相關(guān)法進(jìn)行觀測(cè)，興安落葉松林通量觀測(cè)塔架設(shè)高度較高，用此方法適合分析較大通量觀測(cè)區(qū)域足跡和貢獻(xiàn)源區(qū)。

基于足跡分析模型(Footprint Tool)對(duì)通量足跡進(jìn)行判別是對(duì)通量源區(qū)的重要分析方式。許多研究者利用不同的足跡工具對(duì)不同氣候狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)并分析不同生態(tài)系統(tǒng)的通量足跡和源區(qū)，但結(jié)合源區(qū)數(shù)據(jù)對(duì)興安落葉松林通量空間分布進(jìn)行研究的較少［11-12］。本研究旨在對(duì)不同風(fēng)向條件下和不同生長(zhǎng)尺度下進(jìn)行通量足跡和貢獻(xiàn)源區(qū)分析，計(jì)算觀測(cè)塔周圍不同風(fēng)向上的足跡和源區(qū)大小及生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季變化規(guī)律，評(píng)估通量源區(qū)的空間代表性，為興安落葉松林的通量計(jì)算與評(píng)估提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺根河林業(yè)局潮查林場(chǎng)境內(nèi)的興安落葉松原始林內(nèi)。地理坐標(biāo)為50°49'－50°51'N、121°30'－121°31'E，海拔 800～1 000 m，地貌為低山山地，土壤為棕色針葉林土，有大面積連續(xù)多年凍土分布。屬寒溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，具有冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)、夏季短促濕熱、無霜期短的特點(diǎn)，年平均氣溫－0.5℃，主要植被類型為寒溫帶針葉林，地帶性植被為興安落葉松。

2 研究方法

2.1 通量觀測(cè)

通量依托于內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，地理坐標(biāo)為50°49'N，121°30'－121°31'E，海拔848 m，觀測(cè)塔高度為65 m，在觀測(cè)塔60 m處安裝超風(fēng)速儀(Model CSAT－3，Campbell Scientific)測(cè)定三維風(fēng)速和溫度脈動(dòng)，采用紅外線CO2/H2O 氣體分析儀(Model Li－7500，Licor Inc)測(cè)定CO2與H2O密度脈動(dòng)。所有采樣頻率為10 Hz的原始數(shù)據(jù)均利用數(shù)據(jù)采集器CR3000(Model CR3000，Campbell Scientific)記錄和儲(chǔ)存。觀測(cè)塔配備的常規(guī)氣象觀測(cè)系統(tǒng)(RMET)包括:7層空氣溫/濕度(HMP45C，Vaisala，F(xiàn)inland)和風(fēng)速儀(A100R，Campbell，USA)，上述數(shù)據(jù)采樣頻率均為 0.5 Hz，通過數(shù)據(jù)采集器CR1000在線計(jì)算并存儲(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

選用2016年3－8月的通量數(shù)據(jù)經(jīng)過Loggernet(CSI，USA)切割后，將ts格式轉(zhuǎn)換為TOA5格式，再經(jīng)過Eddypro軟件進(jìn)行傳感器坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、頻率響應(yīng)修正、WPL修正、野點(diǎn)剔除，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制得到0.5 h的數(shù)據(jù)［12］，此時(shí)需對(duì)獲得的數(shù)據(jù)集進(jìn)行篩選:去除10 Hz原始數(shù)據(jù)中每0.5 h缺失率＞10%的數(shù)據(jù);刪除夜間摩擦風(fēng)速＜0.15 m·s－1的數(shù)據(jù)［13-14］，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。

2.3 通量貢獻(xiàn)區(qū)模型及參數(shù)

2.3.1 Kormann and Meixner的足跡推導(dǎo)分析 根據(jù)Horst和Weil，三維源區(qū)的順風(fēng)標(biāo)量濃度的概率分布可以用函數(shù)來描述［13］。該函數(shù)用2個(gè)獨(dú)立的順風(fēng)標(biāo)量濃度分布和水平風(fēng)速垂直分布［u(z)］近似:

式中，x和y是x軸方向平均水平方向的水平空間變量;z是垂直空間變量;珔u(x)為羽流有效速度，在概率論中，y整個(gè)域的積分是x和z［cy(x，z)］中順風(fēng)標(biāo)量濃度的邊緣(橫風(fēng)積分)概率分布，將整合應(yīng)用于雙方得出:

根據(jù)K理論，對(duì)渦流擴(kuò)散［K(z)］渦擴(kuò)散系數(shù)垂直分布的乘積和垂直標(biāo)量濃度梯度的標(biāo)量通量。因此，側(cè)風(fēng)集成足跡［fy(x，z)］，即橫風(fēng)集成概率通量分布為:

在實(shí)際應(yīng)用中分析 fy(x，z)，K(z)和 cy(x，z)必須用實(shí)測(cè)變量進(jìn)行解析表示。

渦流擴(kuò)散系數(shù)的垂直分布可以描述為:

式中，k是Karman常數(shù)0.41，n取決于表面層穩(wěn)定性的冪指數(shù);L為莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度(Monin-Obukhov)。

以上方程表示在測(cè)量變量的渦流擴(kuò)散系數(shù)的垂直分布。

2.3.2 Footprint Tool的輸入?yún)?shù) 足跡模型需要輸入觀測(cè)高度、冠層高度、樹冠面積密度、邊界層厚度、顯熱通量等參數(shù)［16-20］。冠層高度、樹冠面積密度由通量觀測(cè)塔下樣地每木檢尺得到，其中邊界層厚度由Obukhov-L決定，不同長(zhǎng)度下的邊界層厚度有所變化從而影響通量源區(qū)分布［21-24］，其他輸入?yún)?shù)由EddyPro(6.2.0)輸出數(shù)據(jù)中得到［25-29］。

3 結(jié)果與分析

3.1 渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)通量源區(qū)的分布

由于足跡模型主要利用大氣層處于各種穩(wěn)定度狀態(tài)下近地層風(fēng)速廓線、湍流擴(kuò)散系數(shù)、廓線以及近地層的相似性，所以在不同大氣穩(wěn)定度狀態(tài)下，通量源區(qū)的分布會(huì)有所不同，源區(qū)主風(fēng)向與次主風(fēng)向的方向有明顯的方向相反，本研究采用數(shù)據(jù)中Obukhov穩(wěn)定度參數(shù)區(qū)分大氣穩(wěn)定度，從而不同大氣穩(wěn)定度(z－d)/L下和通量源區(qū)的足跡分布和通量貢獻(xiàn)率會(huì)有一定差異［30-33］。本研究分別計(jì)算了在不穩(wěn)定和穩(wěn)定2種大氣穩(wěn)定度狀態(tài)時(shí)不同風(fēng)向80%源區(qū)范圍。其中，穩(wěn)定度以(z－d)/L為判別標(biāo)準(zhǔn)，以(zd)/L＞0.1，(z－d)/L＜－0.1 將數(shù)據(jù)劃分為穩(wěn)定、不穩(wěn)定2類。利用足跡模型分析不同風(fēng)向上通量源區(qū)分布，分析接近主風(fēng)向和次主風(fēng)向時(shí)的不同大氣穩(wěn)定度狀態(tài)時(shí)通量源區(qū)的分布。圖1與坐標(biāo)中心的圓形圖標(biāo)代表裝載渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)的通量塔在通量足跡源區(qū)的位置(以圖中陰影區(qū)域80%通量源區(qū)面積為測(cè)算對(duì)象，以下各圖標(biāo)準(zhǔn)均相同)。

3.2 源區(qū)風(fēng)向特征分析

圖1中以22.5°風(fēng)向角度為步長(zhǎng)，可以看出以通量觀測(cè)塔為中心的通量源區(qū)等風(fēng)向和頻率。在研究期間觀測(cè)塔周邊的主風(fēng)向?yàn)闁|北方向。盛行東北風(fēng)和北風(fēng)，其次為次主風(fēng)向西南風(fēng)，其他風(fēng)向頻率較少，為非主風(fēng)向。主風(fēng)向東北風(fēng)及北風(fēng)的頻率為32%、17.7%，平均風(fēng)速為 0～8、0～6 m·s－1;次主風(fēng)向西南風(fēng)的頻率為19.7%，平均風(fēng)速為0～9 m·s－1;非主風(fēng)向的頻率分別為 3.74%、2.2%、2.7%、3.26%，平均風(fēng)速為0～7 m·s－1。源區(qū)主風(fēng)向與次主風(fēng)向的方向有明顯的方向相反，從而影響通量源區(qū)的足跡分布和通量貢獻(xiàn)率。

圖1 通量源區(qū)風(fēng)向分布Fig.1 Distribution of wind direction in source area

3.3 不同風(fēng)向下的通量源區(qū)分布

主風(fēng)風(fēng)向-東北風(fēng)和北風(fēng)風(fēng)向下，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，觀測(cè)的通量源區(qū)大部分來自主風(fēng)風(fēng)向(圖2和圖3)。大氣處于穩(wěn)定條件時(shí)，通量源區(qū)沿主風(fēng)向狹長(zhǎng)分布，由圖2測(cè)算出通量源區(qū)面積(以80%通量源區(qū))約為0.225 2 km2。大氣處于不穩(wěn)定條件時(shí)，通量源區(qū)向主風(fēng)向兩側(cè)擴(kuò)展，由圖3測(cè)算出通量源區(qū)面積(以80%通量源區(qū))約為0.142 9 km2(圖3)。源區(qū)形狀與大氣穩(wěn)定條件時(shí)趨于相似，但明顯在大氣不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的源區(qū)面積要小于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的面積。大氣處于不穩(wěn)定條件時(shí)，通量源區(qū)向西南風(fēng)方向兩側(cè)擴(kuò)展。

次主風(fēng)向-西南風(fēng)向下，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，觀測(cè)的通量源區(qū)大部分來自西南風(fēng)向(圖4和圖5)。通量源區(qū)沿主風(fēng)向狹長(zhǎng)分布，由圖4測(cè)算出通量源區(qū)面積(以80%通量源區(qū))約為0.216 3 km2。由圖5測(cè)算出通量源區(qū)面積(以80%通量源區(qū))約為0.159 2 km2。源區(qū)形狀與大氣穩(wěn)定條件時(shí)趨于相似，但明顯在大氣不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的源區(qū)面積＜穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的面積，源區(qū)輪廓與主風(fēng)風(fēng)向基本相似，只是區(qū)域變?yōu)橛L(fēng)方向且隨風(fēng)向偏移。

圖2 大氣穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)主風(fēng)向通量源區(qū)Fig.2 Source area of main wind in stable

圖3 大氣不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)主風(fēng)向通量源區(qū)Fig.3 Source area of main wind in unstable

圖4 大氣穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)次主風(fēng)向通量源區(qū)Fig.4 Source area of lesser wind in stable

3.4 生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季通量源區(qū)分布

興安落葉松林在生長(zhǎng)季(6－8月)，非生長(zhǎng)季(3－5月)通量源區(qū)大小有明顯的變化，并且隨風(fēng)向改變。非生長(zhǎng)季到生長(zhǎng)季，源區(qū)主風(fēng)向向東北方向集中和偏移(圖6、圖7)，生長(zhǎng)季主風(fēng)向上的通量源區(qū)面積在大氣穩(wěn)定狀態(tài)下＜非生長(zhǎng)季(圖8、圖9)，由圖8測(cè)算出非生長(zhǎng)季通量源區(qū)面積(以80%通量源區(qū))約為0.191 2 km2。由圖9測(cè)算出生長(zhǎng)季通量源區(qū)面積(以80%通量源區(qū))約為0.161 08 km2。

圖5 大氣不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)次主風(fēng)向通量源區(qū)Fig.5 Source area of lesser wind in unstable

圖6 大氣穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)非生長(zhǎng)季通量源區(qū)風(fēng)向Fig.6 Source area of non growing season in stable map of wind rose

圖7 大氣穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)生長(zhǎng)季通量源區(qū)風(fēng)向Fig.7 Source area of growing season in stable map of wind rose

主風(fēng)向下生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季的通量源區(qū)(圖10、圖11)，在大氣不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)受主風(fēng)向影響，由圖10算出非生長(zhǎng)季通量源區(qū)面積(以80%通量源區(qū))約為0.113 0km2。由圖11測(cè)算出生長(zhǎng)季通量源區(qū)面積(以80%通量源區(qū))約為0.101 7 km2。

圖8 大氣穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)非生長(zhǎng)季通量源區(qū)Fig.8 Source area of non growing season in stable

圖9 大氣穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)生長(zhǎng)季通量源區(qū)Fig.9 Source area of growing season in stable

圖10 大氣不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)主風(fēng)向非生長(zhǎng)季通量觀測(cè)源區(qū)Fig.10 Source area of non growing season under main wind in unstable

3.5 集成足跡的橫風(fēng)積分的足跡分布

結(jié)合表1，主風(fēng)向穩(wěn)定時(shí)橫風(fēng)積分峰值0.008＜不穩(wěn)定時(shí)的峰值0.017 5，源區(qū)峰值距離210 m＞不穩(wěn)定時(shí)的90 m距離;次主風(fēng)向穩(wěn)定時(shí)橫風(fēng)積分峰值0.007略小于不穩(wěn)定時(shí)的峰值0.016，源區(qū)峰值距離266 m大于不穩(wěn)定時(shí)的98 m距離;生長(zhǎng)季穩(wěn)定時(shí)主風(fēng)向的橫風(fēng)積分峰值0.008小于不穩(wěn)定時(shí)的峰值0.015，源區(qū)峰值距離215 m大于不穩(wěn)定時(shí)的106 m距離;非生長(zhǎng)季穩(wěn)定時(shí)主風(fēng)向的橫風(fēng)積分峰值0.008明顯小于不穩(wěn)定時(shí)的峰值0.013，源區(qū)峰值距離210 m大于不穩(wěn)定時(shí)的122 m距離。

圖11 大氣不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)主風(fēng)向生長(zhǎng)季通量觀測(cè)源區(qū)Fig.11 Source area of growing season under main wind in unstable

表1 不同風(fēng)向和穩(wěn)定度下的源區(qū)橫風(fēng)積分峰值及源區(qū)距離Table 1 Under different direction and stability range of area peak and cross wind integrated

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

以80%通量源區(qū)為測(cè)算對(duì)象，不同風(fēng)向下大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，觀測(cè)的通量源區(qū)主風(fēng)向東北風(fēng)-北風(fēng)風(fēng)向下面積最大，最大的主風(fēng)向的源區(qū)面積要比不穩(wěn)定時(shí)主風(fēng)向的源區(qū)面積大近36%，風(fēng)向和風(fēng)速影響通量源區(qū)面積大小。生長(zhǎng)季的源區(qū)在任何狀態(tài)時(shí)均＜非生長(zhǎng)季，在大氣穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)生長(zhǎng)季的源區(qū)面積＜非生長(zhǎng)季近15%，大氣不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)生長(zhǎng)季的源區(qū)面積＜非生長(zhǎng)季9%。在大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)不同風(fēng)向下，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)源區(qū)橫風(fēng)峰值＜不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的峰值，源區(qū)達(dá)到峰值距離約為穩(wěn)定時(shí)的2倍。當(dāng)大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，生長(zhǎng)季的橫風(fēng)積峰值和源區(qū)峰值距離均＞非生長(zhǎng)季。

4.2 討論

根據(jù)風(fēng)的主要頻率和方向分為主風(fēng)向和次主風(fēng)向及其他風(fēng)向(其他風(fēng)向所占比重不足10%不加以討論)，并計(jì)算主風(fēng)向和次主風(fēng)向的通量源區(qū)大小以及影響因素，比較生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季通量足跡變化。同時(shí)，根據(jù)李曉梅［15］等對(duì)興安落葉松林生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季的劃分，將3－5月劃分為觀測(cè)區(qū)非生長(zhǎng)季，6－8月為生長(zhǎng)季。采用基于KM模型原理開發(fā)的通量足跡工具估算了興安落葉松原始林通量足跡和源區(qū)分布。了解不同時(shí)間尺度興安落葉松林的實(shí)際地面貢獻(xiàn)源區(qū)分布，引入通量足跡模型反映通量值測(cè)得實(shí)際地面貢獻(xiàn)區(qū)分布。

研究發(fā)現(xiàn)，影響足跡分布的主要因素為大氣穩(wěn)定度、風(fēng)向、風(fēng)速、地表粗糙度等。在大氣穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，湍流垂直擴(kuò)散弱，以水平運(yùn)動(dòng)為主，源區(qū)范圍延伸至上風(fēng)向較遠(yuǎn)的地方，測(cè)得通量源區(qū)面積和空間范圍擴(kuò)大，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)源區(qū)面積達(dá)到最大0.225 2 km2。鄭寧［2］等運(yùn)用大孔徑閃爍儀(LAS)法的印痕模型研究了華北地區(qū)山丘栓皮櫟，其通量源區(qū)面積的變化與大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)變化趨勢(shì)相一致。

通量足跡位置方向與最大主風(fēng)方向一致，在不同時(shí)間尺度上，風(fēng)向影響通量足跡和源區(qū)的變化，觀測(cè)主風(fēng)向的方向影響最大通量貢獻(xiàn)區(qū)的位置，測(cè)得主風(fēng)向非生長(zhǎng)季源區(qū)面積為0.113 0 km2，生長(zhǎng)季的面積為0.101 74 km2，生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季源區(qū)面積存在差異。由于興安落葉松林在生長(zhǎng)季時(shí)呼吸、光合作用增強(qiáng)，使得地與氣之間的湍流交換頻繁，物質(zhì)垂直擴(kuò)散加快，通量塔信息均來自通量塔近距離，通量源區(qū)小，生長(zhǎng)季面積＜非生長(zhǎng)季。趙曉松［21］等將Footprint模型應(yīng)用于闊葉紅松林中，結(jié)果表明在生長(zhǎng)季的通量源區(qū)在任何條件小均＜非生長(zhǎng)季。

相較下，興安落葉松林大氣穩(wěn)定度變化與通量源區(qū)變化趨同。興安落葉松林生長(zhǎng)季時(shí)呼吸和光合作用加強(qiáng)，使得地與氣之間的物質(zhì)交換頻繁，生長(zhǎng)季時(shí)在主風(fēng)向上大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)下生長(zhǎng)季源區(qū)面積最小，結(jié)果與前人研究一致。

但需要說明的是通量足跡模型雖然可以較好地分析興安落葉松林生態(tài)下墊面通量足跡和源區(qū)的分布。但通過足跡模型的計(jì)算興安落葉松林通量足跡源區(qū)分布受到測(cè)量高度、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定度、溫度、氣候等多種因素的影響，導(dǎo)致不同狀態(tài)時(shí)源區(qū)分布不同，如果需要更加精確地計(jì)算非均勻森林下墊面的通量源區(qū)分布及足跡特征，需進(jìn)一步深入計(jì)算和修正下墊面的地形起伏因素及林木冠層對(duì)粗糙度、邊界層厚度和風(fēng)速等的影響以便更明確了解渦動(dòng)相關(guān)通量觀測(cè)。

致謝:感謝中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所鄭寧在足跡模型應(yīng)用和通量數(shù)據(jù)處理方面的指導(dǎo)、解答!