郭智明， 趙仲輝，2，3

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室， 湖南 長沙 410004；3.湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站， 湖南 會同 418307)

不同坐標(biāo)變換方法對城市復(fù)雜下墊面碳通量的影響

郭智明1， 趙仲輝1，2，3

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室， 湖南 長沙 410004；3.湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站， 湖南 會同 418307)

利用長沙城市森林生態(tài)站2013年1—12月的CO2通量數(shù)據(jù)，分析了三維超聲風(fēng)速的三種坐標(biāo)變換結(jié)果的差異。結(jié)果表明：二次旋轉(zhuǎn)(DR)或三次旋轉(zhuǎn)(TR)變換的Pitch角和Roll角變化幅度遠(yuǎn)大于平面擬合(PF)變換，且都有明顯的方向性；DR和TR變換強迫平均垂直風(fēng)速為0，不符合城市熱島環(huán)流引起的平均垂直風(fēng)速不為0的事實；DR和TR變換明顯改變了摩擦速度的大小；TR變換增大了CO2通量的不確定性。因此，本站的傾斜校正宜采用平面擬合變換。

傾斜校正； 碳通量； 渦動相關(guān)； 城市下墊面

自18世紀(jì)中葉工業(yè)革命以來，以CO2為主的溫室氣體濃度明顯增加，造成全球氣候變暖[1]。增加的大氣CO2中，化石燃料的燃燒和土地利用變化分別貢獻(xiàn)了70%～90%和10%～30%[2]。從20世紀(jì)90年代以來，歐美及亞洲國家陸續(xù)建立了許多用于長期連續(xù)觀測的通量觀測站[3-6]。渦動相關(guān)法是目前公認(rèn)的測量地氣間通量交換的最好方法，它可更準(zhǔn)確地估算出各種生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)、能量交換[7]。但是，由于測量儀器和原理的局限性及環(huán)境的干擾，如超聲風(fēng)速儀的傾斜和地表下墊面的非均質(zhì)性，使得渦動相關(guān)測量數(shù)據(jù)仍有一定的誤差和不確定性，尤其是對夜間湍流通量的低估[8]。針對現(xiàn)有的儀器及理論計算方法，有些誤差是可以進(jìn)行校正，有些則可以被識得但難以完全校正[9-12]。

由于下墊面的不均勻或儀器安裝的非水平，常造成附加的垂直風(fēng)速分量，使得平均垂直速度不為零，從而不滿足渦動相關(guān)理論的假設(shè)，使得渦動相關(guān)法計算的結(jié)果產(chǎn)生偏差，這種偏差可以通過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換得以消除。目前的坐標(biāo)變換方法主要有DR和TR所代表的流線型坐標(biāo)變換和PF轉(zhuǎn)換。吳家兵等[13]在對長白山闊葉紅松林CO2交換的渦動通量修訂中得出PF要優(yōu)于流線型坐標(biāo)變換。王春林等[14]對鼎湖山南亞熱帶針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)渦度相關(guān)測定的CO2通量數(shù)據(jù)的研究顯示TR會比DR造成更多的通量低估。朱治林等[15]對四種生態(tài)系統(tǒng)類型的研究表明，地形情況和坡度的不同會影響傾斜校正方法的選取，如草原站三種方法都可以，地形平坦的農(nóng)田站則可以忽略，對森林站來說TR是最優(yōu)的選擇。溫學(xué)發(fā)[16]在中亞熱帶紅壤丘陵人工林研究中則得出在高植被復(fù)雜地形條件下，PF是傾斜校正的首選。

我們以湖南長沙城市生態(tài)站(以下簡稱城市站)CO2通量觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了三種坐標(biāo)變換方法對通量校正的影響，確定通量計算的最佳校正方法，為城市生態(tài)系統(tǒng)碳通量的正確估算提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

城市站通量觀測鐵塔位于中南林業(yè)科技大學(xué)植物園內(nèi)，塔高30 m，地理坐標(biāo)為112°59′38.87″E，28°08′8.98″N，塔基海拔99.0 m。該站屬典型中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫為17.4 ℃，年均降水量1 361.6 mm，主要集中于4—8月，年均相對濕度為80%。地帶性植被為常綠闊葉林。通量塔東邊約50 m外為7層以下的居民區(qū)，100 m外是南北走向的交通干道，南邊80 m外為2棟18層的小高層住宅區(qū)。塔北部約80 m外為5棟7層以下的住宅區(qū)，樓后有400 m2左右的植被覆蓋區(qū)，西邊為中南林業(yè)科技大學(xué)廣場、教學(xué)樓及生活區(qū)。塔下是1958年人工營造的樟樹(Cinnamomumcamphora)人工林，在造林前進(jìn)行了平梯整地，造林后處于半自然狀態(tài)，現(xiàn)郁閉度為0.7～0.8。林內(nèi)還生長有木荷(Mangllietiafordiana)、凹葉冬青(Ilexchampionii)、莽草(Illiciumlanceolautum)、格藥柃(Euryamuricata)、杜仲(Eucommiaulmoides)、楓香(Liquidambarformosana)、桂花(Osmanthusfragrams)、 紅葉樹(Cotinuscoggygria)、醉香含笑(Micheliamacclurei)等喬木樹種。林下植物主要有鳳尾蕨(Pterismultifida)、小葉女貞(Ligustrumquihoui)、女貞(Ligustrumlucidum)、菝葜(Smilaxchina)、木莓(Rubusswinhoei)、山胡椒(Linderaglauca)、油茶(Camelliaoleifera)、大葉黃楊(Buxusmegistophylla)、南蛇藤(Gelastusorbiculasus)、滿樹星(Ilexaculeolata)、鐵芒萁(Dicranopterisdiclzotoma)等。因此，該通量塔附近是由混凝土地面、柏油馬路、城市森林、高低建筑及街道等構(gòu)成的復(fù)雜下墊面。

渦動協(xié)方差系統(tǒng)包括三維超聲風(fēng)速儀(CAST3，Campbell Scientific Inc.MS，USA)和開路CO2/H2O紅外線分析儀(Li-7500，Li-Cor，Lincoln，NE，USA)，數(shù)采為CR3000(Campbell Scientific Inc.MS，USA)。數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz，數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行計算處理，原始數(shù)據(jù)和30 min的通量計算結(jié)果貯存在2G存儲卡上。渦動協(xié)方差系統(tǒng)安裝在高30 m處的延伸臂(指向正南)上，超聲風(fēng)速儀指向盛行風(fēng)向。自動氣象梯度觀測系統(tǒng)用于測定土壤溫度、濕度、風(fēng)向及風(fēng)速以及大氣溫濕度梯度、短波輻射和光合有效輻射及凈輻射、降水量和氣壓。本文選取城市站2013年全年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

通量數(shù)據(jù)和氣象梯度數(shù)據(jù)取自城市站2013年1—12月的觀測數(shù)據(jù)，先按2.2中方法進(jìn)行三種坐標(biāo)變換，其中PF變換按8個風(fēng)向(N、NE、E、SE、S、SW、W、NW)進(jìn)行變換，計算出相應(yīng)的物理量。然后對測得的通量數(shù)據(jù)進(jìn)行降水剔除、閾值剔除、u*剔除、質(zhì)量控制剔除和奇異值剔除，剔除后的樣本數(shù)為11 927個，以下分析僅針對余下的11 927個樣本來進(jìn)行。

2.2 數(shù)據(jù)處理

(1)

u1=R1um

(2)

(3)

u2=R12u1=R12R1um=R2um

(4)

R2=R12R1=

(5)

DR后的方差(協(xié)方差)及標(biāo)量s的渦動通量分別為：

(6)

(7)

(8)

u3=R23u2=R23R2um=R3um

(9)

(10)

TR后的三維風(fēng)速方差(協(xié)方差)及標(biāo)量s的渦動通量分別為：

(i，j=1，2，3)

(11)

(12)

2.2.2 平面擬合 由于DR和TR使每個通量平均時段內(nèi)的垂直風(fēng)速強制為0，這會導(dǎo)致通量出現(xiàn)顯著偏差及長期碳收支平衡中的低估。Wilczak[18]提出了一種適合下墊面平坦有穩(wěn)定傾斜角的PF法，即對一段時間的觀測數(shù)據(jù)資料擬合出一個新的平面。在新平面上，平均垂直風(fēng)速為經(jīng)向和緯向水平風(fēng)速的函數(shù)，使長期平均垂直風(fēng)速為0，但單個平均周期內(nèi)的平均垂直風(fēng)速不為0。

(13)

(14)

up=pum

(15)

對應(yīng)的三個旋轉(zhuǎn)角θ、φ、ψ分別為：

(16)

PF變換后的三維風(fēng)速方差(協(xié)方差)及標(biāo)量s的渦動通量分別為：

(i，j=1，2，3)

(17)

(18)

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)向與Pitch角、Roll角及平均垂直風(fēng)速的關(guān)系

對于均質(zhì)水平下墊面來說，DR或TR和PF變換的Pitch角(繞y軸旋轉(zhuǎn)的角度)和Roll角(繞x軸旋轉(zhuǎn)的角度)應(yīng)該集中在0值附近的狹窄區(qū)間內(nèi)隨機(jī)變化，與風(fēng)向無關(guān)。但在城市站，DR或TR變換的Pitch角變化相對較大，主要集中在±15°間，并有明顯的方向性，尤其在270°附近有躍變(見圖1a)，而PF后的Pitch角雖有方向性，但變化幅度明顯小于前者(見圖1b)；TR變換的Roll角大多集中在±30°間，變化幅度更大，也有明顯的方向性，而PF變換的Roll角變化較小，變化于±5°間。由此可見，DR和TR變換會造成修正后的CO2通量具有更大的不確定性，造成這種變化特征應(yīng)該與下墊面的非均勻性以及觀測鐵塔對氣流的擾動有關(guān)。

由圖1c可見，觀測得到的平均垂直速度并不為0，且與風(fēng)向有明顯的關(guān)系，在風(fēng)向112.5～337.5°間，平均垂直速度非常明顯，其它風(fēng)向的平均垂直速度在0值附近波動。PF變換后的平均垂直速度比測得的平均垂直速度明顯減少，與風(fēng)向的關(guān)系也不太明顯(見圖1d)。基于渦動通量測定的假設(shè)，平均周期內(nèi)的平均垂直速度為0。DR和TR變換能保證任何一個通量平均周期內(nèi)的平均垂直速度為0，而在PF變換中則強調(diào)平均垂直速度的長期平均為0，但不要求每個通量平均周期內(nèi)平均垂直速度為0，這更接近實際的大氣擾動，因為下墊面的不均一(包括觀測鐵塔及測風(fēng)探頭本身的干擾)產(chǎn)生的動力和熱力對流及亂流，尤其在城市的熱島環(huán)流作用下，造成平均垂直速度不為0。

3.2 DR、TR和PF變換對摩擦速度u*的影響

DR、TR和PF變換對u*的大小有明顯的影響，圖2 a、b、c分別表示DR、TR和PF變換后的u*與觀測值的關(guān)系。比對t檢驗表明，DR變換后的u*顯著的大于觀測得到的u*(P=0.000 0)，TR變換后的u*顯著的小于觀測值(P=0.000 0)，PF變換后的u*與觀測值沒有明顯的差異(P=0.186 6)。

圖1 風(fēng)向與Pitch角、Roll角及平均垂直風(fēng)速的關(guān)系Fig.1 The relationships between wind direction and pitch angel，roll angel and the average vertical wind speed

u*的大小與水平渦動動量的垂直輸送有關(guān)，可以作為湍流混合強度的指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于湍流引起的物質(zhì)、能量通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，尤其是對夜間弱湍流條件下的通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。

3.3 DR、TR和PF變換對CO2通量的影響

DR、TR和PF變換后的CO2通量Fc_DR、Fc_TR和Fc_PF與觀測得到的CO2通量Fc_measured都具有明顯的線性相關(guān)性(見圖3 a、b、c)。由圖3可看出，F(xiàn)c_DR與Fc_measured的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)R2=0.9071，其次是Fc_PF與Fc_measured相關(guān)系數(shù)為R2=0.879，F(xiàn)c_TR與Fc_measured相關(guān)性最差，數(shù)據(jù)較分散，R2=0.708。Fc_DR、Fc_PF都與Fc_measured較為符合，數(shù)據(jù)較集中，且差別不大，F(xiàn)c_DR與Fc_measured(k=1.034 2)、Fc_PF與Fc_measured(k=0.981)所擬合直線的斜率都接近于1。

圖2 坐標(biāo)變換對u*的影響Fig.2 Inference of coordinate transformation to u*

圖3 DR、TR和PF變換對CO2通量的影響Fig.3 Inferences of DR，TR and PF to CO2 flux

4 結(jié)論與討論

DR或TR變換使得Pitch角和Roll角變化幅度大于PF變換，從而造成修正后的CO2通量具有更大的不確定性。DR和TR變換能保證任何一個通量平均周期內(nèi)的平均垂直速度為0，而在PF變換中則強調(diào)平均垂直速度的長期平均為0，但不要求每個通量平均周期內(nèi)平均垂直速度為0，這與城市熱島環(huán)流影響使平均垂直風(fēng)速不為0的實際情況更一致。DR變換后使u*增大，TR變換使u*減小，PF變換對u*的影響很小。Fc_TR與Fc_measured相關(guān)性最差，數(shù)據(jù)較分散，F(xiàn)c_DR、Fc_PF都與Fc_measured較為符合，數(shù)據(jù)較為集中，且斜率接近1。因此，本研究站點CO2通量傾斜校正最好選用PF變換法。

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Impactsofdifferentcoordinatetransformoncarbonfluxinurbancomplicatesurface

GUO Zhiming1， ZHAO Zhonghui1，2，3

(1.Faculty of Life Science and Technology， Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China；2.National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China， Changsha 410004， China；3.Huitong National Research Station of Chinese Fir Plantation Ecosystem in Hunan Province， Huitong 418307， China)

In this paper CO2flux data were collected over one year period from January to December in 2013 at urban forest ecological station in Central South University of Forestry and Technology in Changsha.Based on these data，the variance of the results of three kinds of coordinate transformation of three-dimensional velocity was analyzed.The results indicated that the rangeability of Pitch angle and Roll angle in double coordinate rotation(DR)or triple coordinate rotation(TR)was much larger than these in planar fit(PF)，and both of DR and TR had obvious directivity.DR and TR compelled the average vertical wind speed to be 0，but it was not conformed the fact that the average vertical speed isn’t 0 caused by urban heat island circulation.DR and TR altered the magnitude of the friction velocity obviously.TR increased the indeterminacy of CO2flux.In consequence，PF is appropriate to be used among the tilt corrections in this site.

tilt correction； carbon flux； eddy covariance； city underlying surface

2015-03-18

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201404316)。

郭智明(1989-)，女，河南省鄭州市人，碩士研究生，主要從事城市生態(tài)學(xué)研究。

P 412.1

A

1003 — 5710(2015)03 — 0039 — 06

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2015. 03. 010

(文字編校：張 珉)