于鑫，鄭騰飛，黃健

（1.廣東省氣象臺(tái)，廣東廣州 510640；2.佛山市氣象局，廣東佛山 528000；3.中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東廣州 510640）

近地層湍流通量是表征地氣交互作用的重要參量，且近地層的湍流通量會(huì)直接影響上層大氣的狀態(tài)，對(duì)其產(chǎn)生一定影響［1-3］。截至2020年，以研究陸地生態(tài)系統(tǒng)交換為主的國(guó)際通量觀測(cè)網(wǎng)（FLUXNET）已經(jīng)在全球不同地區(qū)典型生態(tài)系統(tǒng)建立700余個(gè)湍流通量觀測(cè)站點(diǎn)，中國(guó)通量網(wǎng)（China Flux）則按照不同典型植被下墊面類型在不同代表地區(qū)建立了100多個(gè)通量觀測(cè)點(diǎn)［4-5］。目前，我國(guó)已在黑河、科爾沁草原、青藏高原、淮河流域等地開(kāi)展長(zhǎng)期的近地面湍流通量觀測(cè)，而現(xiàn)有的針對(duì)華南地區(qū)不同下墊面的湍流通量長(zhǎng)期觀測(cè)研究相對(duì)較少［6-9］。華南地區(qū)大體上屬于東南丘陵地區(qū)，地勢(shì)北高南低，北部、東北部和西部都有較高山脈，中部和南部沿海地區(qū)多為低丘、臺(tái)地或平原。其中，山地和丘陵約占62%，臺(tái)地和平原約占38%，植被主要為常綠灌木或小喬木［10-12］。

目前華南地區(qū)已有的典型下墊面研究主要包括鄧雪嬌等［13］在草地下墊面、王安志等［14］在長(zhǎng)白山針葉林下墊面、于貴瑞等［15］在亞熱帶和溫帶典型森林下墊面、王春林等［16］和王旭等［17］在針闊葉混交林下墊面方面的研究，針對(duì)丘陵灌木林典型下墊面的湍流通量觀測(cè)研究相對(duì)較少。

測(cè)量CO2、感熱和潛熱通量等湍流通量要素的主要方法為渦動(dòng)相關(guān)法，但該方法計(jì)算通量是建立在一定的理論假設(shè)基礎(chǔ)上的［18］，即在準(zhǔn)定常湍流、水平均勻（即平流可以忽略）、近地層為常通量層、可以測(cè)得影響通量的各尺度湍渦和所測(cè)結(jié)果可代表儀器所在下墊面等假設(shè)條件下。然而，渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行觀測(cè)過(guò)程中，受儀器漂移、地形起伏、觀測(cè)環(huán)境變化、自身供電等因素影響，觀測(cè)得到的風(fēng)、溫、氣體密度等物理要素往往存在部分問(wèn)題，因此在利用渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算湍流通量過(guò)程中，對(duì)原始的高頻湍流脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制是獲取有效湍流脈動(dòng)值和平均量的必要過(guò)程［19-21］。

基于以上研究背景，本研究對(duì)架設(shè)在廣州市增城區(qū)丘陵灌木林陸面過(guò)程觀測(cè)站70 m觀測(cè)塔上的渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用常規(guī)通量數(shù)據(jù)質(zhì)控方法以及增加基于自動(dòng)增益控制（AGC）的通量數(shù)據(jù)處理方法對(duì)渦動(dòng)相關(guān)儀器采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，討論了傳統(tǒng)方法和增加AGC后對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)。本研究旨在探究適合華南高濕多雨環(huán)境下的渦度通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法和數(shù)據(jù)初步處理方案，為后期增城丘陵灌木林陸面過(guò)程的數(shù)據(jù)分析和機(jī)理研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究的外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)在廣州增城國(guó)家氣候基準(zhǔn)站（23°20′05″N，113°49′39″E，海拔高度38.5 m）實(shí)施。增城區(qū)位于廣州市東部，南與東莞隔江相望，地勢(shì)南低、北高，地形以丘陵為主；該區(qū)屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫21.8℃，年均降水量為1 994.5 mm，降水多集中于春夏兩季［22］。

增城國(guó)家氣候基準(zhǔn)站下墊面為典型的亞熱帶丘陵灌木林，冠層平均高度為8 m；地處增江附近，周邊為農(nóng)村，有耕地，東、西、南、北4向森

林邊界分別為370、460、400和520 m。本研究外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)主要在增城70 m鐵塔進(jìn)行。

1.2 研究方法

通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制評(píng)價(jià)：

1）湍流平穩(wěn)性檢驗(yàn)。主要用于移除去趨勢(shì)和濾波無(wú)法消除的大氣中廣泛存在的非湍運(yùn)動(dòng)，其中主要使用方法為Foken［20］提出的算法。

2）湍流充分性檢驗(yàn)。即充分發(fā)展湍流應(yīng)符合相似性理論，湍流分量的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差為穩(wěn)定度函數(shù)或常數(shù)。一般參考Foken［20］提出的方法。

3）通量質(zhì)量評(píng)級(jí)。對(duì)感熱通量、潛熱通量、動(dòng)量通量、CO2通量各個(gè)計(jì)算分量進(jìn)行上述湍流平穩(wěn)性和發(fā)展性檢驗(yàn)之后，參照Foken等［21］及Foken［20］2003年對(duì)Carbo-Europe的簡(jiǎn)化分級(jí)方式提議（如表1）進(jìn)行分級(jí)，即為通量質(zhì)量評(píng)價(jià)，其中，0級(jí)為高質(zhì)量數(shù)據(jù)，可用于基礎(chǔ)研究；1級(jí)為中等級(jí)別，可用于長(zhǎng)期資料處理分析；2級(jí)為質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)。除了總體質(zhì)量分組為0，當(dāng)總體質(zhì)量分級(jí)為1時(shí)，對(duì)應(yīng)IST為1～2、ITC為3～4時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)也可用于基本研究。

表1 湍流數(shù)據(jù)總體質(zhì)量分級(jí)

2 結(jié)果與分析

本研究前期所用資料來(lái)自廣州增城丘陵灌木林陸面過(guò)程觀測(cè)站2018年1月1日至2018年2月28日調(diào)試運(yùn)行期間的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)算法采用王介民等［18］開(kāi)發(fā)的EDIRE軟件基礎(chǔ)上編寫(xiě)的Edire-w，其計(jì)算結(jié)果與其他主流軟件（如Eddypro）等一致。

2.1 通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制結(jié)果與分析

如圖1所示，為增城站超聲虛溫訂正（濕度訂正）前后的感熱通量及修正量的日平均變化，結(jié)果表明整體感熱通量的修正值均為負(fù)值，即未修正前，感熱通量表現(xiàn)為高估；17：00（北京時(shí)，下同）至次日08：00的感熱通量訂正量較小，逐小時(shí)訂正值＜2 W／m2；08：00至13：00的感熱通量訂正量表現(xiàn)為逐漸增大，13：00至17：00的感熱通量訂正量表現(xiàn)為逐漸減小，08：00至17：00最大訂正值為9.3 W／m2。

圖1 感熱通量的超聲虛溫訂正前后平均日變化

由于增城站2018年2月1—28日無(wú)明顯降水，故選取增城站2018年1月1—31日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖2a為增城站冬季日降水量與日AGC均值隨時(shí)間的變化對(duì)比情況，結(jié)果顯示，AGC均值隨著日降水量的變化而變化，且與日降水量變化成明顯正相關(guān)關(guān)系；在降水發(fā)生前或發(fā)生后1 d左右時(shí)間，由于近地面冠層的水汽條件較好，AGC的光電轉(zhuǎn)換敏感度較高，所以能夠捕捉到這些空氣中的異常信號(hào)；同時(shí)，儀器記錄降水結(jié)束后，在探頭附近積聚的水粒子會(huì)對(duì)超聲風(fēng)溫儀測(cè)量精度有一段持續(xù)的影響。所以在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，要注意以上變化對(duì)AGC的影響，對(duì)輸出的AGC值的質(zhì)量控制具有參考意義。圖2b中為1月6至9日逐小時(shí)降水量與AGC逐小時(shí)均值的變化情況，結(jié)果顯示，AGC對(duì)降水的敏感度較高，在出現(xiàn)較大降水強(qiáng)度波動(dòng)的情況下，AGC更為敏感，且正相關(guān)關(guān)系更加明顯。

圖2 增城站冬季降水與AGC變化圖

圖3為增城站2018年1月1至28日進(jìn)行野點(diǎn)剔除前后摩擦速度（u*）、感熱通量（H）、潛熱通量（LE）和二氧化碳通量（Fc）的對(duì)比。

圖3 不同野點(diǎn)剔除法剔除前后通量值的比較

按照數(shù)據(jù)處理過(guò)程中進(jìn)行4倍標(biāo)準(zhǔn)差判據(jù)的野點(diǎn)剔除，并剔除降水時(shí)次及降水前后1個(gè)時(shí)次（平均每30 min為1個(gè)時(shí)次），同時(shí)剔除原始30 min內(nèi)缺測(cè)超過(guò)1%的數(shù)據(jù)，選取30 min平均時(shí)間內(nèi)野點(diǎn)數(shù)小于1%的時(shí)刻進(jìn)行分析對(duì)比。

通過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)，采用常規(guī)的野點(diǎn)剔除方法對(duì)通量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，對(duì)后續(xù)計(jì)算結(jié)果的影響不顯著。野點(diǎn)剔除前后，u*、H、LE、Fc相對(duì)差異在5%以內(nèi)的數(shù)據(jù)分別占數(shù)據(jù)總量的93.62%、87.96%、85.94%、83.87%；而經(jīng)過(guò)AGC處理剔除之后，相對(duì)差異在5%以內(nèi)數(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)總量的89.39%、84.13%、80.15%、76.46%，所以，經(jīng)過(guò)AGC控制后，對(duì)u*、H、LE、Fc的數(shù)據(jù)修正都存在正貢獻(xiàn)，且對(duì)Fc和LE的修正作用更為顯著。

2.2 通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制效果檢驗(yàn)

選取2018年1月1—28日10 Hz原始觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到各通量30 min均值及梯度觀測(cè)30 min平均輸出資料。圖4a-d分別為潛熱通量、CO2通量、摩擦速度、感熱通量4種通量的平穩(wěn)性檢驗(yàn)指標(biāo)（IST）隨風(fēng)向分布，取IST（%）≤500，并以50為一個(gè)單元間隔。結(jié)果顯示，由于增城站冬季盛行北向風(fēng)，故60°～330°的樣本點(diǎn)數(shù)較多。依據(jù)湍流數(shù)據(jù)總體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，潛熱通量、CO2通量、摩擦速度、感熱通量的1級(jí)數(shù)據(jù)所占比重分別為64.4%、44.5%、55.1%、46.4%。一般認(rèn)為IST≤30（1～2級(jí)）的湍流數(shù)據(jù)較好較穩(wěn)定；經(jīng)篩選后，可用于研究的潛熱通量、CO2通量、摩擦速度、感熱通量分別占總體的87.5%、81.7%、82.0%、79.3%，由此可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)控后，很大部分的湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)都通過(guò)了平穩(wěn)性檢驗(yàn)。

圖4 湍流平穩(wěn)性檢驗(yàn)（IST）

圖5為不同穩(wěn)定度條件下，各風(fēng)向總體湍流特性指標(biāo)（ITC）分布情況，結(jié)果顯示，湍流發(fā)展的充分性檢驗(yàn)指標(biāo)（ITC）要明顯好于湍流平穩(wěn)性指標(biāo)（IST），大多數(shù)ITC（%）＜100。在中性條件下，湍流發(fā)展的充分性要明顯好于不穩(wěn)定條件和穩(wěn)定條件。依據(jù)湍流發(fā)展性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，中性、不穩(wěn)定、穩(wěn)定條件下1—3級(jí)數(shù)據(jù)所占比重分別為89.8%、89.0%、86.5%。

圖5 不同穩(wěn)定度條件下湍流發(fā)展充分性（ITC）檢驗(yàn)

經(jīng)預(yù)處理后剔除剩余的數(shù)據(jù)，得出可用于基本研究的潛熱通量、CO2通量、摩擦速度、感熱通量分別占樣本總量的90.5%、86.4%、83.1%、87.7%。以上分析表明該質(zhì)控方法處理后的數(shù)據(jù)質(zhì)量整體可以得到保證，可用于后續(xù)的分析和研究。

3 結(jié)論

本研究利用常規(guī)通量數(shù)據(jù)質(zhì)控方法以及增加基于自動(dòng)增益控制（AGC）的通量數(shù)據(jù)處理方法對(duì)渦動(dòng)相關(guān)儀采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，討論了傳統(tǒng)方法和增加AGC后對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：

1）針對(duì)增城站2018年1月1日至28日的湍流通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)超聲虛溫訂正后發(fā)現(xiàn)，未修正前感熱通量表現(xiàn)為高估，且晝夜高估有明顯變化。

2）AGC對(duì)降水的敏感度較高，在出現(xiàn)較大降水強(qiáng)度波動(dòng)的情況下，AGC更為敏感，且正相關(guān)關(guān)系更加明顯；可以考慮在原處理算法Edirew中的野點(diǎn)剔除（Despike）部分加入AGC控制的質(zhì)控方案。

3）常規(guī)的野點(diǎn)剔除方法對(duì)通量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，對(duì)后續(xù)計(jì)算結(jié)果的影響不顯著。經(jīng)過(guò)AGC控制后，對(duì)u*、H、LE、Fc的數(shù)據(jù)修正都存在正貢獻(xiàn)，且對(duì)Fc和LE的修正作用更為顯著。

4）湍流發(fā)展充分性檢驗(yàn)與平穩(wěn)性檢驗(yàn)顯示，可用于基本研究的4種通量潛熱通量、CO2通量、摩擦速度、感熱通量分別占樣本總量的90.5%、86.4%、83.1%、87.7%。表明質(zhì)控后通量觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量可以得到保證，可用于后續(xù)的分析和研究。