開(kāi)路與閉路渦度相關(guān)系統(tǒng)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)甲烷通量觀測(cè)的比較*

原文文，張勁松**，孟 平，同小娟，潘慶梅，何方杰，李劍俠

開(kāi)路與閉路渦度相關(guān)系統(tǒng)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)甲烷通量觀測(cè)的比較*

原文文1，張勁松1**，孟 平1，同小娟2，潘慶梅1，何方杰1，李劍俠3

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091；2.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083；3.國(guó)有濟(jì)源市南山林場(chǎng)，河南 454650）

作為渦度相關(guān)技術(shù)觀測(cè)的兩種主要技術(shù)手段，開(kāi)路（OPEC）和閉路（CPEC）兩種渦度相關(guān)系統(tǒng)在觀測(cè)森林生態(tài)系統(tǒng)CH4通量過(guò)程中存在較大的不確定性，本研究利用OPEC和CPEC兩種渦度相關(guān)系統(tǒng)，對(duì)黃河小浪底人工混交林CH4通量進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，選取生長(zhǎng)旺季2016年7月24日?8月5日連續(xù)14d數(shù)據(jù)，對(duì)比兩種觀測(cè)系統(tǒng)的功率譜和協(xié)譜，估算閉路渦度相關(guān)系統(tǒng)的延遲時(shí)間，并分析其在連續(xù)晴天和連續(xù)雨天的通量觀測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明：CPEC系統(tǒng)的功率譜和協(xié)譜在所有頻率上與OPEC系統(tǒng)基本一致，在慣性副區(qū)功率譜符合?5/3相似規(guī)律，協(xié)譜符合?4/3相似規(guī)律；以O(shè)PEC系統(tǒng)為“準(zhǔn)”標(biāo)準(zhǔn)，CPEC系統(tǒng)觀測(cè)CH4通量的延遲時(shí)間合適流速范圍內(nèi)的5個(gè)不同流速（40、37.5、35.5、33.5、31.5L·min?1）分別為4.6、7.7、5.3、10.8和14.3s，平均延遲時(shí)間為8～9s；與OPEC觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)定的CH4通量相比，CPEC系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果晴天偏低12%；雨天高出32%。OPEC觀測(cè)系統(tǒng)適用于晴天CH4通量觀測(cè)。經(jīng)校正，消除延遲影響后的CPEC觀測(cè)系統(tǒng)可用于測(cè)定雨天CH4通量，以彌補(bǔ)OPEC觀測(cè)系統(tǒng)缺測(cè)的值。兩種系統(tǒng)并行觀測(cè)、相互彌補(bǔ)，可望獲得更完整、更高質(zhì)量的CH4通量數(shù)據(jù)。

渦度相關(guān)技術(shù)；延遲時(shí)間；譜分析；甲烷通量；森林生態(tài)系統(tǒng)

甲烷（CH4）是一種痕量溫室氣體，其增溫潛勢(shì)是CO2的28倍[1]，引起各國(guó)政府和科學(xué)界的廣泛重視。由于CH4源/匯復(fù)雜，全球CH4收支評(píng)估依然存在較大不確定性[2?5]，準(zhǔn)確測(cè)量CH4通量成為相關(guān)研究關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。目前渦度相關(guān)方法觀測(cè)CO2、H2O以及熱量通量的研究已經(jīng)逐步成熟[6?8]，也已運(yùn)用到CH4通量的觀測(cè)中[9]。隨著高頻響應(yīng)的CH4濃度分析儀的出現(xiàn)，基于渦度相關(guān)法的CH4通量長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)研究在國(guó)際上日漸增加[10?12]。

根據(jù)氣體濃度傳感器的性能不同，基于渦度相關(guān)法觀測(cè)通量的分析儀分為開(kāi)路式（OPEC）和閉路式（CPEC）兩大類(lèi)。截至2017年底，全球不同地區(qū)已建立了900多個(gè)通量觀測(cè)站點(diǎn)（http://fluxnet. fluxdata.org/sites/site-summary），目前在國(guó)際通量觀測(cè)網(wǎng)的觀測(cè)中，OPEC和CPEC兩種觀測(cè)系統(tǒng)成為通量的主要觀測(cè)手段，AsiaFlux通量網(wǎng)主要以CPEC為主，其中有幾個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)用OPEC與CPEC兩種觀測(cè)系統(tǒng)并行觀測(cè)，Ameri-Flux通量網(wǎng)是兩種觀測(cè)系統(tǒng)并行存在，Euro-Flux通量網(wǎng)以CPEC為主，Ko-Flux通量網(wǎng)主要以O(shè)PEC為主。兩種渦度相關(guān)系統(tǒng)并行觀測(cè)也可以互相彌補(bǔ)數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，但是，系統(tǒng)本身的差異，可能導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果的不同，同時(shí)，兩種不同觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果的不確定性研究也一直都是一個(gè)重要的研究課題。目前，基于渦度相關(guān)法CO2通量觀測(cè)及其數(shù)據(jù)處理過(guò)程中不確定性分析已逐漸成熟[13?16]，但是其不確定性是否等同于CH4通量，也成為相關(guān)研究人員廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[17?18]。目前，大部分研究主要集中在CH4通量的時(shí)空變化特征分析和各系統(tǒng)本身的不確定性分析，國(guó)內(nèi)目前僅見(jiàn)宋霞等關(guān)于兩種系統(tǒng)觀測(cè)CO2通量的對(duì)比研究報(bào)道[19]，國(guó)外部分研究大多集中于濕地、水稻田等生態(tài)系統(tǒng)[20?22]，而對(duì)于兩種不同觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)森林生態(tài)系統(tǒng)CH4通量不確定性分析鮮少報(bào)道。因此，對(duì)比分析OPEC與CPEC兩種觀測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期CH4通量觀測(cè)結(jié)果，可以為中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的CH4通量觀測(cè)提供適宜的觀測(cè)手段。

OPEC和CPEC觀測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在對(duì)觀測(cè)環(huán)境的適應(yīng)性、設(shè)備維護(hù)和觀測(cè)結(jié)果等方面的差異[17]。一般認(rèn)為OPEC以高頻率響應(yīng)為主要優(yōu)勢(shì)[23]，功耗低，基本測(cè)算原理符合大氣湍流運(yùn)動(dòng)特征；對(duì)信號(hào)強(qiáng)度要求較高，在雨天或空氣質(zhì)量較差的條件下，數(shù)據(jù)無(wú)法使用，若希望得到高質(zhì)量的通量數(shù)據(jù)，需要定期清潔傳感器鏡頭[24?26]。而CPEC恰好彌補(bǔ)了OPEC在實(shí)際應(yīng)用中所存在的缺陷，CPEC相對(duì)較穩(wěn)定，不容易受到外界環(huán)境的干擾，并且可以在弱湍流通量條件下全天候?qū)ι稚鷳B(tài)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的CH4通量觀測(cè)[27?30]。為了滿足高頻率數(shù)據(jù)采集的要求，CPEC的傳感器需要用高流量泵對(duì)采樣氣體抽樣，而野外電力限制以及站點(diǎn)配置有時(shí)難以保證其對(duì)供電功率和供電質(zhì)量的要求，這在一定程度上限制了CPEC系統(tǒng)在野外的應(yīng)用[30]。同時(shí)由于抽氣管進(jìn)口和氣體分析儀之間有一定的距離，導(dǎo)致CPEC系統(tǒng)的紅外分析儀測(cè)定氣體濃度的時(shí)間滯后于超聲風(fēng)速儀測(cè)定風(fēng)速的時(shí)間，即時(shí)間延遲問(wèn)題。因此，精確估測(cè)CPEC系統(tǒng)紅外分析儀的延遲時(shí)間是準(zhǔn)確計(jì)算通量的前提[31]，CO2的延遲時(shí)間在7～8s[19]，而關(guān)于森林生態(tài)系統(tǒng)CH4通量觀測(cè)的延遲時(shí)間鮮少報(bào)道，因此，對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，估算CPEC系統(tǒng)的延遲時(shí)間，可為準(zhǔn)確觀測(cè)森林生態(tài)系統(tǒng)CH4通量提供理論基礎(chǔ)，并為準(zhǔn)確計(jì)算全球源/匯提供科學(xué)基礎(chǔ)。

第八次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示，中國(guó)現(xiàn)有森林面積2.08億hm2，其中人工林面積為0.69億hm2，占森林總面積的33.2%。研究表明，中國(guó)人工林對(duì)全國(guó)森林碳匯的貢獻(xiàn)率超過(guò)80%[32]。全球尺度上由于森林生態(tài)系統(tǒng)CH4估算不完整或估算偏差造成的丟失源大約為10Tg·a?1[33]。目前大部分的CH4通量研究多集中在濕地、水稻田等生態(tài)系統(tǒng)[34?36]，而關(guān)于森林生態(tài)系統(tǒng)CH4通量的研究鮮少報(bào)道。華北山區(qū)地處暖溫帶氣候區(qū)，一直是中國(guó)林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，迫切需要準(zhǔn)備估算該森林CH4通量，闡明其在全球氣候變暖中的作用。因此，需要長(zhǎng)期準(zhǔn)確測(cè)算森林生態(tài)系統(tǒng)CH4通量，了解源匯轉(zhuǎn)換格局，為評(píng)估與預(yù)測(cè)CH4收支狀況提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為此，本研究以華北南部丘陵山地栓皮櫟?側(cè)柏?刺槐人工混交林生態(tài)系統(tǒng)為例，采用OPEC與CPEC兩種觀測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)CH4通量，通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)CH4通量數(shù)據(jù)的譜分析比較OPEC與CPEC兩種觀測(cè)系統(tǒng)的性能，評(píng)價(jià)兩種觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)CH4通量數(shù)據(jù)質(zhì)量及觀測(cè)結(jié)果的可靠性，確定CPEC觀測(cè)CH4通量相對(duì)于OPEC系統(tǒng)的延遲時(shí)間；并通過(guò)半小時(shí)CH4平均通量結(jié)果的比較，分析兩種觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果的差異，以期為中國(guó)不同森林生態(tài)系統(tǒng)的CH4通量觀測(cè)選取適宜的觀測(cè)手段提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為兩種渦度相關(guān)系統(tǒng)并行觀測(cè)以互相彌補(bǔ)數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究在國(guó)家林業(yè)局黃河小浪底森林生態(tài)定位研究站進(jìn)行，該站位于河南省濟(jì)源市（35°01'N，112°28'E，海拔410m），屬暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。年平均氣溫12.4℃，年平均降水量641.7mm。受季風(fēng)氣候影響，降水季節(jié)分配不均勻，5?9月平均降水量438.0mm，占全年的68.3%。生長(zhǎng)季風(fēng)向以東北偏東、西南為主。主要樹(shù)種為栓皮櫟（）、側(cè)柏（）、刺槐（），林齡分別為45、43和41a，平均株高分別為10.5、8.2和9.3m。生長(zhǎng)季植被葉面積指數(shù)（LAI）最大為6.3。通量觀測(cè)塔周?chē)?.8 km2范圍內(nèi)平均坡度為14°，林木覆蓋率約為96%，栓皮櫟、側(cè)柏、刺槐所占比例分別為80%、8%和12%[37]。

1.2 渦度相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)

渦度相關(guān)系統(tǒng)包括開(kāi)路式渦度相關(guān)系統(tǒng)（OPEC）和閉路式渦度相關(guān)系統(tǒng)（CPEC）。

開(kāi)路式渦度相關(guān)系統(tǒng)（OPEC）主要由CSAT3型三維超聲風(fēng)速儀（Campbel Sci.Inc.，USA）、快速響應(yīng)的LI-7500型紅外CO2/H2O分析儀（Li-Cor.Inc.，USA）和LI-7700型紅外CH4/H2O分析儀（Li-Cor.Inc.，USA）組成，安裝高度距地面36m。上述儀器均與CR3000型數(shù)據(jù)采集器（Campbell Sci.Inc.，USA）相連，晝夜連續(xù)自動(dòng)采集，原始數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz，每30 min輸出1組平均值。

閉路式渦度相關(guān)系統(tǒng)（CPEC）與OPEC系統(tǒng)最大區(qū)別是需要用220 V大容量真空泵把氣體抽入分析儀，氣泵流量為5m3·h?1，進(jìn)氣口在開(kāi)路分析儀附近。進(jìn)氣管道長(zhǎng)40m，內(nèi)徑為5mm，抽氣管道共接有4個(gè)過(guò)濾芯，分別是：（i）進(jìn)氣口處有一直徑為100μm的過(guò)濾芯，（ii）管道末端進(jìn)口處有一直徑5μm和一直徑2μm的梅花形過(guò)濾芯，（iii）在分析儀進(jìn)氣口處有一直徑為2μm的金屬過(guò)濾芯，主要過(guò)濾空氣中顆粒物等雜質(zhì)，保持分析儀內(nèi)光腔清潔（衰蕩時(shí)間μ > 6μm·s?1）。

1.3 冠層湍流譜

湍流是由各種渦旋疊加而成，廣泛存在于大氣中，在大氣邊界層中觀測(cè)到的渦旋是時(shí)間和空間上的廣闊結(jié)構(gòu)。譜分析反映了這些渦旋對(duì)湍流總動(dòng)能的貢獻(xiàn)。由于湍流具有普遍統(tǒng)計(jì)規(guī)律的假設(shè)[24]，其慣性副區(qū)內(nèi)的風(fēng)速u(mài)分量譜的表達(dá)式為

使用Welch方法求解三維方向風(fēng)速（u、v、w），CH4濃度的功率譜Sx(f)和協(xié)譜Cwx(f)，對(duì)功率譜和協(xié)譜都分別利用變量x的方差以及垂直風(fēng)速w和x的協(xié)方差進(jìn)行歸一化處理，橫坐標(biāo)為習(xí)慣的無(wú)量綱頻率。再通過(guò)對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的功率譜和協(xié)譜點(diǎn)陣曲線的分析，比較點(diǎn)陣曲線斜率是否滿足?5/3和?4/3[40]，以確定不同變量的功率譜在慣性副區(qū)內(nèi)的斜率，就可以把握渦度相關(guān)系統(tǒng)儀器對(duì)高低頻信號(hào)的響應(yīng)能力。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Matlab2016b對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)（10Hz）進(jìn)行湍流譜計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果采用Origin2018軟件進(jìn)行繪制湍流譜。利用Eddypro軟件對(duì)采樣頻率為10 Hz的原始湍流數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理。數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括異常值（含野點(diǎn)）去除、延遲時(shí)間校正、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、頻率損失訂正、感熱通量超聲虛位溫修正以及WPL修正等必要的修正[41?45]。同時(shí)，剔除了夜間摩擦速度＜0.35m·s?1的通量數(shù)據(jù)[29]。當(dāng)儀器出現(xiàn)故障、人為影響以及雨天或清晨有露水時(shí)，所得的異常值應(yīng)當(dāng)剔除。對(duì)以上經(jīng)過(guò)初步篩選的數(shù)據(jù)計(jì)算出各月平均值和方差，與平均值相差超過(guò)3倍方差的數(shù)值也要剔除掉。小于2h的缺失數(shù)據(jù)用線性內(nèi)插法插補(bǔ)，大于2h的缺失數(shù)據(jù)采用平均日變化法（MDV）進(jìn)行插補(bǔ)[46]。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種觀測(cè)系統(tǒng)CH4通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的頻譜分析

選擇典型晴天7月24日大氣層結(jié)條件下半小時(shí)原始數(shù)據(jù)，對(duì)OPEC和CPEC系統(tǒng)進(jìn)行功率譜和協(xié)譜分析。從圖1功率譜a、b可以看出，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)條件下，OPEC和CPEC系統(tǒng)的CH4的功率譜圖低頻區(qū)有明顯峰值，在高頻區(qū)有較清楚的慣性副區(qū)，且在慣性副區(qū)內(nèi)斜線斜率基本符合?5/3定律[47]。功率譜高頻端出現(xiàn)“上翹”現(xiàn)象，說(shuō)明兩種系統(tǒng)的儀器均具有高頻噪音，可能與天氣、地形等狀況有關(guān)。且上翹曲線下面積很小，對(duì)湍流通量測(cè)定沒(méi)有明顯的影響。以O(shè)PEC系統(tǒng)觀測(cè)為“準(zhǔn)”標(biāo)準(zhǔn)，在所有頻率范圍內(nèi)CPEC與OPEC系統(tǒng)分析儀的頻率響應(yīng)基本一致，但當(dāng)頻率＞1時(shí)，CPEC系統(tǒng)觀測(cè)的CH4氣體功率譜出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，可能是因?yàn)镃PEC采樣管道具有高頻過(guò)濾的作用，這與CPEC系統(tǒng)觀測(cè)CO2氣體功率譜研究結(jié)果相似[48?49]。CPEC與OPEC系統(tǒng)觀測(cè)的CH4協(xié)譜對(duì)比如圖1c、d所示，由圖可以看出，CPEC系統(tǒng)LGR-CH4氣體快速分析儀與OPEC系統(tǒng)Li-7700 CH4/H2O紅外分析儀所觀測(cè)的CH4協(xié)譜在慣性副區(qū)內(nèi)與?4/3斜線基本一致[47]，由此可見(jiàn)，CPEC與OPEC系統(tǒng)分析儀的頻率響應(yīng)基本一致，CPEC系統(tǒng)的LGR-CH4氣體快速分析儀對(duì)CH4高頻信號(hào)的響應(yīng)能力是能夠滿足通量觀測(cè)要求的。

（a）CPEC系統(tǒng)功率譜Spectra of CPEC; （b）OPEC系統(tǒng)功率譜Spectra of OPEC; （c）CPEC系統(tǒng)垂直風(fēng)速和CH4的協(xié)譜 Cospectrum of CPEC;（d）OPEC系統(tǒng)垂直風(fēng)速和CH4的協(xié)譜 Cospectrum of OPEC

注：觀測(cè)時(shí)間為2016年7月24日，晴天。

Note: The observed time is in 9：00?16：00, July 24th in 2016, sunny day.

2.2 CPEC系統(tǒng)紅外分析儀的延遲時(shí)間

時(shí)間延遲是影響CPEC系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)量CH4通量的重要因素，一般通過(guò)垂直風(fēng)速與CH4濃度最大協(xié)方差來(lái)決定[23，41，50?53]，通常在湍流運(yùn)動(dòng)劇烈時(shí)，所計(jì)算的延遲時(shí)間較可靠。延遲時(shí)間的長(zhǎng)短主要受氣流速度、管道長(zhǎng)度和管道內(nèi)徑影響。因此，本研究在2016年7月24日?8月1日分別設(shè)置5個(gè)不同采樣流速（流速40L·min?1，14：00?14：30；流速37.5L·min?1，12：00?12：30；流速35.5L·min?1，10：30?11：00；流速33.5L·min?1，13：00?13：30；流速31.5L·min?1，11：30?12：00）的半小時(shí)原始數(shù)據(jù)，以O(shè)PEC系統(tǒng)為準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)[9]，計(jì)算垂直風(fēng)速與CH4濃度最大協(xié)方差來(lái)確定延遲時(shí)間（圖2）。當(dāng)流速為40L·min?1時(shí)，CPEC系統(tǒng)的垂直風(fēng)速與CH4濃度最大協(xié)方差值出現(xiàn)的時(shí)間在0.13s，此時(shí)OPEC系統(tǒng)最大值出現(xiàn)在4.74s，此流速下計(jì)算的延遲時(shí)間為4.6s；同上相應(yīng)的流速設(shè)置下其延遲時(shí)間分別為7.7、5.3、10.8和14.3s，平均延遲時(shí)間在8～9s。因此，以O(shè)PEC系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，CPEC系統(tǒng)測(cè)定CH4通量的延遲平均時(shí)間在8～9s，比CO2的延遲時(shí)間（7～8s）略長(zhǎng)[19]，主要是因?yàn)镃H4是一種痕量溫室氣體，森林生態(tài)系統(tǒng)中含量很少，并且，流速越小滯后時(shí)間越長(zhǎng)。

圖2 CPEC系統(tǒng)在不同流速下相對(duì)于OPEC系統(tǒng)最大協(xié)方差決定延遲時(shí)間

2.3 CPEC與OPEC兩種觀測(cè)系統(tǒng)所測(cè)CH4通量的比較

基于白天半小時(shí)通量數(shù)據(jù)，分別對(duì)典型晴天（2016年7月22?25日）和雨天（2016年8月2?5日）CPEC與OPEC系統(tǒng)CH4通量觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3a可見(jiàn)，連續(xù)晴天，兩套系統(tǒng)觀測(cè)CH4通量模擬直線斜率為0.87（R2=0.8336，P<0.01），觀測(cè)結(jié)果差異不大，與OPEC系統(tǒng)相比，CPEC系統(tǒng)所測(cè)CH4通量偏低。但是連續(xù)雨天（圖3b），OPEC系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果低于CPEC系統(tǒng)（R2=0.4024，P<0.01）。

對(duì)比分析兩套系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果可以看出，雖然CPEC系統(tǒng)外接抽氣管道的衰減作用造成觀測(cè)結(jié)果較低于OPEC系統(tǒng)，但是均可滿足通量觀測(cè)的需求，觀測(cè)結(jié)果可靠。降雨對(duì)OPEC系統(tǒng)觀測(cè)信號(hào)造成影響，導(dǎo)致其觀測(cè)通量值低于正常值。因此，連續(xù)雨天OPEC觀測(cè)結(jié)果不可靠，但可以通過(guò)CPEC觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行訂正或直接插補(bǔ)。

（a）7月22?25日（連續(xù)晴天）Continuous sunny day (July 22nd to 25th)；（b）8月2?5日（連續(xù)雨天）Continuous rainy day (Aug. 2nd to 5th)

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

在評(píng)價(jià)CPEC系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果時(shí)，通常假定OPEC系統(tǒng)的觀測(cè)通量結(jié)果為比較標(biāo)準(zhǔn)[9]。為了確定CPEC系統(tǒng)觀測(cè)的可靠性，對(duì)CPEC系統(tǒng)和OPEC系統(tǒng)的功率譜和頻譜進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，CPEC系統(tǒng)和OPEC系統(tǒng)在所有頻率范圍內(nèi)頻率響應(yīng)基本一致。低頻區(qū)有明顯峰值，在高頻區(qū)有較清楚的慣性副區(qū)且在慣性副區(qū)功率譜滿足?5/3定律，協(xié)譜滿足?4/3規(guī)律，在高頻端均出現(xiàn)“上翹”現(xiàn)象。這兩套系統(tǒng)儀器均存在高頻噪音，可能與天氣、地形等狀況有關(guān)，上翹曲線下面積很小，且高頻噪音與垂直風(fēng)速無(wú)相關(guān)性，因此，對(duì)湍流通量測(cè)定沒(méi)有明顯的影響[44]。當(dāng)頻率大于1Hz時(shí)，CPEC系統(tǒng)的功率譜和頻譜均小于OPEC系統(tǒng)，這可能是因?yàn)镃PEC系統(tǒng)采樣管道具有高頻過(guò)濾的作用，導(dǎo)致氣體濃度在管道內(nèi)發(fā)生衰減。這與兩套系統(tǒng)觀測(cè)CO2通量的譜分析結(jié)果一致[19]。同時(shí)，由于本研究觀測(cè)區(qū)位于華北低丘山地，下墊面地形起伏且植被非均勻，因此湍流譜分布并不完全等同于理想條件下譜分布。因此，CPEC系統(tǒng)的LGR-CH4氣體快速分析儀對(duì)CH4高頻信號(hào)的響應(yīng)能力是能夠滿足通量觀測(cè)要求的，觀測(cè)結(jié)果可靠。

用CPEC系統(tǒng)連續(xù)觀測(cè)時(shí)，由于抽氣管進(jìn)口和氣體分析儀之間有一定距離，因此CPEC系統(tǒng)的分析儀測(cè)定氣體濃度的時(shí)間滯后于超聲風(fēng)速儀測(cè)定風(fēng)速的時(shí)間，精確估測(cè)時(shí)間延遲成為CPEC系統(tǒng)準(zhǔn)確觀測(cè)CH4通量的重要前提。而延遲時(shí)間的長(zhǎng)短主要受氣流速度、管道長(zhǎng)度、管道內(nèi)徑的影響。以O(shè)PEC系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果為比較標(biāo)準(zhǔn)，本研究在合適采樣流速范圍內(nèi)選取5個(gè)不同流速（40、37.5、35.5、33.5、31.5L·min?1）計(jì)算的延遲時(shí)間分別為4.6、7.7、5.3、10.8和14.3s，平均延遲時(shí)間為8～9s，比CO2的延遲時(shí)間（7～8s）略長(zhǎng)，主要是因?yàn)镃H4是一種痕量溫室氣體，在森林生態(tài)系統(tǒng)中含量很低。并且，流速越小，延遲時(shí)間越長(zhǎng)。因此，在后續(xù)研究中，只要在CH4通量計(jì)算過(guò)程中給予時(shí)間延遲的訂正，CPEC系統(tǒng)的時(shí)間延遲不會(huì)造成明顯的觀測(cè)誤差。

兩種渦度相關(guān)系統(tǒng)并行觀測(cè)也可以互相彌補(bǔ)數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，但是，系統(tǒng)本身的差異，可能導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果的不同。因此，本研究對(duì)比分析兩種渦度相關(guān)系統(tǒng)在連續(xù)晴天和雨天觀測(cè)的通量結(jié)果。晴天條件下，兩種系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果基本一致，CPEC系統(tǒng)對(duì)CH4通量的觀測(cè)結(jié)果是OPEC系統(tǒng)的88%，這可能是CPEC系統(tǒng)抽樣管道的衰減，其觀測(cè)值低于OPEC系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果，但是均可滿足通量觀測(cè)的需求，觀測(cè)結(jié)果可靠。但是在連續(xù)降雨條件下，兩種系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果不一致，CPEC系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果高于OPEC系統(tǒng)。這是由于連續(xù)降雨條件下，OPEC系統(tǒng)LI-7700分析儀傳感器鏡面清潔度降低，導(dǎo)致捕捉到的CH4信號(hào)值逐漸降低，觀測(cè)的通量數(shù)據(jù)低于真實(shí)值?？梢?jiàn)，OPEC系統(tǒng)受連續(xù)雨天等惡劣天氣條件影響較大。因此，在今后的通量觀測(cè)試驗(yàn)中，兩種系統(tǒng)可以作為并行觀測(cè)相互彌補(bǔ)的觀測(cè)技術(shù)手段。以O(shè)PEC觀測(cè)的通量數(shù)據(jù)為主，連續(xù)雨天采用CPEC系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正或者直接插補(bǔ)。

3.2 結(jié)論

（1）對(duì)比CPEC和OPEC系統(tǒng)觀測(cè)CH4通量的譜分析，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)譜分析結(jié)果表明兩種系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果一致，功率譜和頻譜在慣性副區(qū)分別滿足斜率為?5/3和?4/3的規(guī)律，在高頻段雖有“上翹”現(xiàn)象，但不影響通量觀測(cè)結(jié)果。

（2）對(duì)合適流速范圍內(nèi)的5個(gè)不同流速（40、37.5、35.5、33.5、31.5L·min?1）計(jì)算CPEC系統(tǒng)觀測(cè)CH4通量的延遲時(shí)間分別為4.6、7.7、5.3、10.8和14.3s，平均延遲時(shí)間為8～9s。

（3）分析不同天氣條件下兩種系統(tǒng)觀測(cè)CH4通量結(jié)果表明，與OPEC觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)定的CH4通量相比，CPEC系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果晴天偏低12%；雨天高出32%。OPEC觀測(cè)系統(tǒng)適用于晴天CH4通量觀測(cè)。經(jīng)校正，消除延遲影響后的CPEC觀測(cè)系統(tǒng)可用于測(cè)定雨天CH4通量，以彌補(bǔ)OPEC觀測(cè)系統(tǒng)缺測(cè)的值。兩種系統(tǒng)并行觀測(cè)、相互彌補(bǔ)，可望獲得更完整、更高質(zhì)量的CH4通量數(shù)據(jù)。

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Comparison of CH4Flux Measurement by Open- and Close- Path Eddy Covariance System

YUAN Wen-wen1，ZHANG Jin-song1，MENG Ping1，TONG Xiao-juan2，PAN Qing-mei1，HE Fang-jie1，LI Jian-xia3

(1. Research Institute of Forestry Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 2. Beijing Forestry University, Beijing 100083; 3. Nanshan National Forest Farm, Henan 454650)

s: The eddy covariance technique provides a useful tool to directly measure CH4exchange between the vegetation and the atmosphere. The open-path (OPEC) and close-path (CPEC) systems have uncertainties in measuring methane flux in forests. Therefore, it is necessary to compare the measured CH4flux obtained from the OPEC and CPEC systems. In this study, CH4flux was measured using the OPEC and CPEC systems in a mixed plantation in the Xiaolangdi area during the growing season of 2016 (July 24th to August 5th). The (co)spectra were analyzed and the time lag was estimated. Moreover, CH4flux from the OPEC and CPEC systems was discussed. The results showed that the (co)spectra showed a good agreement with the ?5/3 for spectra and ?4/3 for co-spectra. Under different sampling flow rate (40, 37.5, 35.5, 33.5 and 31.5L·min?1) conditions, the time lag was 4.6, 7.7, 5.3, 10.8 and14.3s, respectively, and the average lag time was 8?9 s. CH4flux derived from the CPEC system was 12% lower than that measured by the OPEC system in sunny days, while CH4flux obtained by the CPEC system was 32% higher than that measured by the OPEC in rainy days. The OPEC system was more suitable measuring CH4flux in comparison with the CPEC system in sunny days. The lag time should be corrected for the CPEC system in rainy days since it can be used for compensate for missing values in the OPEC system. Higher quality data of CH4flux can be obtained by using the CPEC and OPEC systems together.

Eddy covariance；Lag time；Spectrum analysis；Methane flux；Forest ecosystem

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.11.001

原文文,張勁松,孟平,等.開(kāi)路與閉路渦度相關(guān)系統(tǒng)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)甲烷通量觀測(cè)的比較[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2019,40(11):669-677

2019?03?06

。E-mail：zhangjs@caf.ac.cn

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金（CAFYBB2017ZX002-1）

原文文（1989?），女，研究方向?yàn)榱謽I(yè)氣象。E-mail：yw7198205@163.com