賈慶宇 周莉 吳瓊 謝艷兵 溫日紅 李榮平 蔡福 王笑影

（1 中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，沈陽 121001；2 中國氣象科學研究院，北京 100081；3 盤錦國家氣候觀象臺，盤錦 124000）

0 引言

1895年，Osborne Reynolds爵士提出了雷諾平均的概念，建立了以渦動相關技術為基礎的生態(tài)系統(tǒng)通量觀測的理論基礎。1954年，Monin和Obukhov提出了Monin-Obukhov相似理論，渦動相關技術開始被零星地應用于自然生態(tài)系統(tǒng)CO2通量觀測。1974年，世界氣象組織（WMO）和國際科聯(lián)（ICSU）首次提出“氣候系統(tǒng)”的概念，為了對氣候模型進行驗證，并進行敏感性研究，以評估大氣對地表強迫的大規(guī)模異常的反應。1984年，世界氣候研究計劃（WCRP）開始了全球地表陸氣熱量和水收支組成部分數(shù)據(jù)的收集工作。在WCRP和國際地圈生物圈計劃（IGBP）的協(xié)調(diào)和組織下，針對不同的氣候區(qū)域相繼開展了大量國際研究計劃[1]。隨著陸面觀測研究計劃針對陸氣通量交換項目進行的觀測，開展了大量的陸氣相互作用以及對區(qū)域氣候變化影響的研究[2-5]，獲得的數(shù)據(jù)源推動了陸面過程數(shù)值模擬研究和參數(shù)化方案的發(fā)展[6]。

1 陸氣通量交換研究進展

1.1 陸氣通量觀測技術

1.1.1 塔基通量觀測

目前，廣泛應用的是基于地面塔站的渦動相關（EC）觀測和大孔徑閃爍儀（LAS）觀測。調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術與渦動相關技術結(jié)合，在不干擾土壤或植被的情況下，直接和近連續(xù)的測定生態(tài)系統(tǒng)尺度陸面與大氣之間的湍流通量交換[7]，被廣泛應用于國際上的各大陸面過程觀測試驗[8-9]。因為具有較高的觀測精度，渦動相關觀測常被作為驗證遙感和陸面過程模型水熱通量模擬的重要數(shù)據(jù)源。最典型的EC裝置由CO2和H2O氣體分析儀和三維超聲風速儀組成，該儀器允許對CO2通量和能量通量（即潛熱通量（LE）和顯熱通量（H））進行高頻測量。渦動相關觀測技術受到主要科技大國的關注和重視，建成了區(qū)域和國家層次的長期通量觀測網(wǎng)絡，例如FLUXNETORNL（https://daac.ornl.gov/）、European Fluxes（http://www.europe-fluxdata.eu/home）、ICOS（https://www.icos-cp.eu/）、OzFlux（http://www.ozflux.org.au/）、AsiaFlux（http://www.Asiaflux.net）和AmeriFlux（http://ameriflux.lbl.gov）。同時，中國通量網(wǎng)ChinaNET（http://www.chinaflux.org）成立于2002年，是國際通量觀測網(wǎng)絡的重要組成部分。

渦動相關觀測源區(qū)僅有幾十到幾百米，僅能獲取局地尺度的陸氣通量結(jié)果[10]。大孔徑閃爍儀觀測源區(qū)從幾百米到上千米，能獲取更大尺度、非均勻下墊面的通量觀測結(jié)果[11]，并且能夠與衛(wèi)星遙感像元尺度匹配。許多學者將大口徑閃爍儀與渦動相關觀測進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在下墊面相對均勻的農(nóng)作物植被，觀測的感熱通量相關系數(shù)為0.82～0.97，差異較小[12-13]；下墊面非均勻的城市區(qū)，LAS測量與塔基渦動相關測量不同方法觀測結(jié)果差異較大，與安裝位置、通量源區(qū)大小、源區(qū)內(nèi)下墊面類型和占比不同、塔基渦動相關觀測的能量閉合率等因素相關[14-15]。LAS觀測也常出現(xiàn)在國際上的大型陸面過程試驗中，如SALSA、CASES、EBEX等。雖然LAS具有相對較大的通量觀測源區(qū)，但在復雜通量源區(qū)對LAS的影響很難定量化。但其因為大口徑閃爍儀建站數(shù)量較少，且其千米級尺度的觀測仍然不能滿足衛(wèi)星遙感區(qū)域尺度的地表通量，無法滿足陸面過程模式粗網(wǎng)格尺度通量模擬驗證的需求。

1.1.2 走航通量觀測

地面通量觀測受到測量空間尺度的限制，無法滿足大范圍區(qū)域地表通量研究的應用需要[16]，伴隨著激光高度計、小型飛機飛行控制、實時動態(tài)差分GPS的發(fā)展，小型無人機平臺已經(jīng)能實現(xiàn)＜30 m低空觀測地面通量。無人機（UAV）的通量觀測方法于1994年被提出[17]，M2AV[18]、Manta[19]、ScanEagle[20]為代表的無人機搭載渦動相關儀器觀測平臺已經(jīng)成熟，是目前解決更大尺度陸氣通量觀測的方式之一。根據(jù)無人機載荷不同可以對大氣溫度脈動、三維超聲風速、水汽濃度進行通量觀測（目前還沒有對CO2通量的觀測），可以搭載凈輻射、地表溫度和反照率等儀器觀測能量平衡，搭載激光測高和高分辨率可見光和紅外譜分析儀觀測海洋表面波和精細尺度（O（10）cm）表面溫度結(jié)構(gòu)。無人機通量觀測在多個野外觀測試驗中得到了廣泛應用，例如BLLAST[19]、MAC[21]、CLOUD-MAP[22]等。我國走航通量觀測技術剛剛起步[23]，2016年中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所采購了意大利Magnaghi公司生產(chǎn)的Sky Arrow 650 TCNS通量觀測飛機的托管服務，一些學者也利用船載渦動相關系統(tǒng)對海洋大氣邊界層湍流特征進行了研究[24-25]，船載無人機可避免船體運動和晃動對觀測結(jié)果的影響[26]。

1.1.3 通量數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

EC方法假設下墊面均勻并且有充分的湍流交換，為了滿足這些假設，并消除儀器誤差，通量觀測數(shù)據(jù)需要進行徹底的數(shù)值質(zhì)量檢查，實施檢查后數(shù)據(jù)的百分比通常占原始數(shù)據(jù)集的20%～60%，特別在夜間大氣穩(wěn)定條件下，湍流不充分發(fā)達，刪除數(shù)據(jù)比例很高。在研究較長時間尺度（如每日、每月或每年）上的通量特征時缺失數(shù)據(jù)必須被更有意義的值所取代。ChinaFLUX自主開發(fā)了通用性的碳水通量數(shù)據(jù)分析和計算機自動化處理系統(tǒng)[27-28]。Fluxnet[29]開發(fā)了ONEFlux采用統(tǒng)一的方法對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制和處理，以提高各站點的一致性和可比性（圖1），并且提供了包含1532個站點通量數(shù)據(jù)Fluxnet 2015數(shù)據(jù)集。美國LI-COR公司（https://www.licor.com/）發(fā)展的開源式的EddyPro渦動相關通量處理軟件和Tovi軟件質(zhì)量控制軟件，除了實現(xiàn)通量數(shù)據(jù)預處理功能之外還集成了能量平衡存儲項修正（EBR）、摩擦風速閾值計算（MPT）、能量平衡分析（EB）、通量源區(qū)分析（FPA）和分配（FFA）繪制、數(shù)據(jù)插補（MDS）、碳循環(huán)分析等數(shù)據(jù)可視化分析功能。德國馬克斯-普朗克研究所開發(fā)了MDS（https://www.bgc-jena.mpg.de/bgi/index.php/Main/HomePage）通量數(shù)據(jù)在線預處理、插補和制圖工具。這些工具為通量數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和分析提供了方便。

圖1 ONEFlux通量數(shù)據(jù)處理流程[30]Fig.1 ONEFlux flux data processing flow[30]

插補方法根據(jù)通量缺失數(shù)據(jù)的時間段長短、不同缺失原因等，分為平均日變化、查表法和非線性回歸法等[30]。缺失時間≤14 d的通量數(shù)據(jù)使用平均日變化法和查表法[31]，對缺失時間＞14 d則使用非線性回歸法。非線性回歸法插補白天缺失數(shù)據(jù)需建立CO2凈交換量與光合有效輻射的Michaelis-Menten光響應曲線模型[32]，夜間缺失數(shù)據(jù)建立溫度與生態(tài)系統(tǒng)呼吸的Arrhenius模型等[33-34]。插補通量也是當今的前沿研究領域，人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）、隨機森林（RF）和支持向量機（SVM）等機器學習（ML）算法在插補缺失通量數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)出良好的性能，為插補通量的缺失提供了新的思路。

1.2 陸氣通量觀測對于全球變化研究的作用

1.2.1 陸氣通量的環(huán)境響應

通過長期渦動相關觀測，使我們能在時間和空間尺度上評估全球生態(tài)系統(tǒng)變化[35-36]。對多種原生森林和草原生態(tài)系統(tǒng)進行的陸氣通量測量發(fā)現(xiàn)，凈碳交換率隨著光照的增加而飽和[37]。在個別地點，這種非線性響應的程度隨葉面積指數(shù)、土壤水分虧缺和光合能力而變化。目前越來越多的研究正在量化冠層光合作用與太陽誘導熒光[38-39]或植被反射的近紅外輻射[40-41]之間的觀測，通過在塔架或衛(wèi)星上測量這些變量，尋求提高光合作用在時間和空間上的替代方法。傳統(tǒng)研究認為葉片光合作用隨著溫度的升高而增加，直到達到峰值的溫度（20～30 ℃），最近的數(shù)據(jù)表明，葉片光合作用的峰值溫度不是固定的，是可調(diào)節(jié)的，并且表現(xiàn)出適應性[42-43]。陸氣通量觀測表明在足夠的降水量（＞800 mm/a）的情況下，GPP隨溫度升高而增加，而干燥氣候（＜800 mm/a）的GPP不會隨著溫度升高而升高。就土壤呼吸而言，降雨對半干旱生態(tài)系統(tǒng)會產(chǎn)生巨大的二氧化碳脈沖，在降雨事件之后，脈沖大小隨著時間的推移而減小，最后碳匯會消失。

1.2.2 陸氣通量觀測的長期觀測

第一次測量凈碳通量和總碳通量可追溯到1990年[44]，而早期的凈碳通量和總碳通量都是推測性的，隨著通量觀測站點的增加，可以為以后研究提供更多的數(shù)據(jù)。國內(nèi)學者基于渦動相關技術陸續(xù)開展了長白山針闊葉紅松林[45]、帽兒山人工興安落葉松林[46]、伊春闊葉紅松林[47]生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化特征和影響機理的基礎研究，時間序列多在2年以下。開展了蘆葦濕地的陸氣通量交換研究時間序列在4年以下[48]。開展了東北雨養(yǎng)玉米的連續(xù)3年非生長季碳通量動態(tài)[49]、連續(xù)10年的日－月－年尺度的CO2通量、水分利用效率和控制機制[50-51]、連續(xù)10年地面蒸散和控制機制[52]等研究。開展水稻田陸氣通量交換觀測大多在3年以下，連續(xù)3年的水稻的蒸散及其組分進行模擬[53]，連續(xù)2年的甲烷排放和控制機制[54]，連續(xù)3年的大豆田蒸散量[55]。日本2002年開始在坎托平原稻田開展了連續(xù)13年的蒸發(fā)散測量[56]，表明ET/EP與降水有很好的相關性。德國的常綠針葉林最長蒸發(fā)散記錄17年，它呈上升趨勢（+16.6 mm/a）[57]。Ilvesniem等[58]對芬蘭常綠針葉林蒸發(fā)量進行了長達10年的研究，也顯示了蒸散量的增加（7.8 mm/a）。長期觀測表明水熱交換與作物的產(chǎn)量休戚相關[59]。其他陸氣通量交換研究多采用靜態(tài)箱－氣相色譜法[60]，但是這些研究是基于單點的，在區(qū)域上是不完整的。

1.3 陸氣通量與模型、遙感數(shù)據(jù)融合

1.3.1 陸氣通量觀測與模型、遙感融合

目前陸面過程模擬中主要通過“有效參數(shù)”“Discrete”“動態(tài)統(tǒng)計”三種方式來參數(shù)化次網(wǎng)格尺度關鍵參數(shù)的異質(zhì)性。隨著渦動相關觀測網(wǎng)絡上通量站點的不斷增加，尤其是一些通量觀測矩陣可以為區(qū)域尺度通量模擬提供更高分辨率的地表驗證數(shù)據(jù)集，對陸地碳循環(huán)計算的可靠性也增強。然而，需要擴大觀測范圍，以評估區(qū)域到全球范圍內(nèi)的二氧化碳通量。經(jīng)驗升尺度法基于觀測通量與解釋變量之間的經(jīng)驗關系，以站點觀測為基礎升尺度法來評估時空二氧化碳通量，該方法首先在觀測點建立一個經(jīng)驗模型，然后利用遙感觀測的空間數(shù)據(jù)和氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)對觀測數(shù)據(jù)進行插值和外推。神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）、支持向量回歸（SVR）和模型樹集成等機器學習算法，這種方法依賴渦動相關數(shù)據(jù)集來確定非線性統(tǒng)計關系[61]可以有效地構(gòu)建目標和輸入變量之間的經(jīng)驗關系。這些算法生成的模型用于評估全球[62-63]和大陸尺度的二氧化碳通量，例如亞洲[64]、美國[65]、歐洲[66]。以拉斯維加斯為例，使用21個渦動相關站[67]進行的升尺度分析表明，在2000—2011年，阿拉斯加內(nèi)陸北部森林是二氧化碳的“匯”，而北極凍原是二氧化碳的“源”。Fluxcom項目啟動了一種新的方法，旨在基于多個機器學習算法生成更強大的集成產(chǎn)品，并生成了全球能源和碳通量產(chǎn)品[68]。

近來，很多研究側(cè)重于模型－數(shù)據(jù)融合（Modeldata Fusion）來估算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡[69-70]。GONSAMO等[71]基于遙感的LSP數(shù)據(jù)與83個通量塔（包括針葉林、闊葉林和農(nóng)田）的CO2通量觀測數(shù)據(jù)融合研究地表物候。Zhang等[72]將通量觀測與CoupModel模型融合研究格陵蘭CO2通量。Zhang等[73]將通量觀測與LPJ-GUESS 模型融合研究了歐亞大陸北部CH4通量。

1.3.2 對陸面過程模式的參數(shù)化

用于數(shù)值天氣預報、季節(jié)預報和氣候模擬的模型要使用陸地過程模型（LSM）來模擬地表和大氣之間的水和能量交換。多年來，陸地過程模型已經(jīng)從簡單的“水桶”模型發(fā)展到包括具有高度物理機制的土壤－植被－大氣傳輸模型（SVAT）[74]。但陸面過程模型在準確評估和精確模擬陸地與大氣之間的半小時時間尺度上的感熱和潛熱相互作用時，仍有相當大的不確定性，不可忽視的問題就是模型參數(shù)不確定性的作用[75]。在目前的全球陸面模型中，渦動相關站點可以提供超過20個參數(shù)，這些參數(shù)直接或間接地對陸面過程模型中的蒸散模塊起到驅(qū)動作用[76]。Chaney等[75]基于渦動相關站點進行Sobol敏感性分析，使用1000個拉丁超立方體樣本對敏感參數(shù)進行徹底采樣，借助數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的渦動相關站點和全球陸地和氣象數(shù)據(jù)，使用機器學習算法來建立校準參數(shù)集，超越了經(jīng)典的參數(shù)查找表法。

2 我國陸氣通量觀測站點建設現(xiàn)狀

自20世紀90年代以來，渦動相關觀測站點不斷增加，截至2017年在Fluxnet 注冊（http://fluxnet.fluxdata.org/about/history/）的有全球914個站點（超過1500個通量塔），其中較多站點為森林生態(tài)系統(tǒng)CO2通量觀測站點，且多分布于溫帶地區(qū)。自2000年以來，我國先后依托中國生態(tài)研究網(wǎng)絡（CERN）、國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡（CNERN）、中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡（CFERN）和中國氣象監(jiān)測站網(wǎng)等，長期投入通量觀測系統(tǒng)建設并產(chǎn)生了長序列生態(tài)系統(tǒng)尺度大量的觀測資料。自開始研究人員依托CERN于2001年建立了中國通量觀測研究聯(lián)盟ChinaFLUX，2014年建立了陸面過程觀測網(wǎng)絡（CAS-Lason），覆蓋了森林、草地、濕地、干旱區(qū)、荒漠、農(nóng)田、城市和水域等幾個主要生態(tài)系統(tǒng)，組成了站點－樣帶－組網(wǎng)的陸－氣相互作用聯(lián)網(wǎng)觀測和試驗平臺。目前ChinaFLUX進行陸氣通量觀測站點有79個（觀測塔83座）[77]，而東北僅有8個觀測站點，可以看出陸氣通量觀測站點在東北分布較少，使得對東北地區(qū)陸氣相互作用的認識具有局限性。

3 東北地區(qū)陸氣通量觀測站點建設現(xiàn)狀

東北地區(qū)糧食商品率高達55%以上，商品糧占全國總量的1/4左右[78]，被視為中國糧食市場的“壓艙石”和“商品糧戰(zhàn)略后備基地”[79]，關系我國糧食生產(chǎn)安全[80]。氣候變化引起的氣溫升高使東北地區(qū)春玉米播種期提前、成熟期推遲，種植范圍北移東擴、東北部產(chǎn)量增加[81]。區(qū)域氣候模式A2和B2情景，東北水稻生長季有效積溫升高，產(chǎn)量高產(chǎn)年出現(xiàn)的概率明顯提高[82]。氣溫升高伴隨降水減少，干旱可能加重，可能對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。根據(jù)情景模擬分析結(jié)果增溫對農(nóng)作物生長的正影響超過負影響，所以東北地區(qū)未來糧食增產(chǎn)潛力巨大。東北地區(qū)的森林對維護碳平衡具有重要的作用，受氣候變化影響最為顯著[83]。受全球氣候變化和人類活動影響，近30年東北濕地呈現(xiàn)面積減少、斑塊數(shù)量增加、景觀破碎指數(shù)增加[84]。近30年東北草地整體穩(wěn)定性差，黑龍江東北部和內(nèi)蒙古東部的草地劇烈退化[85]。全球氣候變暖引發(fā)高緯度生態(tài)系統(tǒng)地表物質(zhì)能量通量急劇變化，深層凍土溫度升高，凍土融化釋放更多的有機碳[86]，凍融交替變化也會加速溫室氣體的釋放[87]。因此急需陸表水文、能量平衡、地表及土壤水熱傳輸?shù)汝憵馔拷粨Q方面的觀測。

3.1 東北地區(qū)通量觀測臺站建設

在東北地區(qū)，中科院系統(tǒng)、林業(yè)系統(tǒng)以及高校已建成與陸氣通量觀測相關的野外科學試驗站有25個，其中農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)4個占16%，森林生態(tài)系統(tǒng)12個占48%，濕地生態(tài)系統(tǒng)2個占8%，草地生態(tài)系統(tǒng)3個占12%、沙地生態(tài)系統(tǒng)3個占12%、堿地生態(tài)系統(tǒng)1個占4%[88-89]①中國科學院野外臺站發(fā)展狀況調(diào)查報告（http://www.cas.cn/ggzy/kycx/ywtz/）；中國農(nóng)業(yè)科學院園區(qū)基地網(wǎng)（http://www.caasbase.cn/index.Aspx）；中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡已建生態(tài)站名錄（http://www.cfern.org/wjpicture/upload/gycf/gycf 2011-10-21-7-52-15.swf）。，基本涵蓋了東北主要的生態(tài)系統(tǒng)類型。其中草地系統(tǒng)在1979年（錫林郭勒盟）開始觀測，森林系統(tǒng)在1974年（帽兒山）開始觀測，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在1978年（海倫）開始觀測，濕地生態(tài)系統(tǒng)在1986年（三江平原）開始觀測，荒漠生態(tài)系統(tǒng)在1985年（奈曼旗）開始觀測，沙地生態(tài)系統(tǒng)在1988年（大青溝）開始觀測，各試驗站的觀測內(nèi)容已經(jīng)從原來的單一觀測內(nèi)容和目的轉(zhuǎn)向多圈層多系統(tǒng)相互作用綜合、聯(lián)網(wǎng)觀測，陸續(xù)補充或加強了陸氣通量觀測內(nèi)容。

中國氣象局在2018年1月批準21個中國氣象局野外科學試驗基地序列中，東北地區(qū)共有2個野外基地（觀測站點8個）入選（表1），其中東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學試驗基地以陸氣通量聯(lián)網(wǎng)觀測為核心。圖2中“旗幟”代表氣象部門野外基地位置，“氣球”代表氣象部門以外野外站位置，東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學試驗基地和龍鳳山大氣本底野外科學試驗基地的建設提升了東北野外觀測試驗站的建設水平。

圖2 東北地區(qū)長期定位野外試驗站分布Fig.2 Distribution of long-term fixed-site field experimental stations in Northeast China

表1 氣象部門東北地區(qū)野外基地（臺站）列表Table 1 Field bases (stations) of China Meteorological Adminstration in Northeast China

東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學試驗基地依托各地氣象部門的野外觀測場，建設在東北地區(qū)具有代表性的森林、濕地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的中心區(qū)域，觀測場開展陸氣通量觀測，以及同步的氣象綜合，統(tǒng)一觀測內(nèi)容和觀測儀器，通量觀測包括CO2/H2O和CH4等物質(zhì)濃度，三維風向風速，計算CO2/H2O通量、CH4通量、潛熱通量、感熱通量和動量通量。其中錦州玉米農(nóng)田觀測場陸氣通量觀測數(shù)據(jù)始于2004年，已經(jīng)形成連續(xù)17年時間序列的通量觀測數(shù)據(jù)集。盤錦濕地觀測場觀測數(shù)據(jù)始于2004年，但在2009—2012年數(shù)據(jù)中斷。五營森林觀測場觀測數(shù)據(jù)始于2006年，已經(jīng)形成15年的數(shù)據(jù)集。

自東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學試驗基地成立以來開展東北典型下墊面陸－氣相互作用分析和模擬，氣候變化對遼河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)固碳功能的影響，東北水稻甲烷排放及環(huán)境因子貢獻率等研究。構(gòu)建基于生物因子和環(huán)境因子的蘆葦冠層阻力模型，實現(xiàn)蘆葦濕地冠層尺度蒸騰與蒸發(fā)過程模擬。利用作物生長發(fā)育觀測試驗數(shù)據(jù)和通量結(jié)果，對作物生長模型進行校正、驗證和改進。針對農(nóng)業(yè)氣象災害對作物生長發(fā)育過程影響機理問題，開展作物生長模型對災害反應的敏感性檢驗。玉米根系吸水過程控制機制及其對陸－氣水熱交換過程的影響、氣候變化對農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力影響等方面研究。

3.2 東北陸氣通量觀測存在的問題

3.2.1 觀測試驗待完善

雖然各部門在東北的農(nóng)田、森林、濕地等典型生態(tài)系統(tǒng)開展了通量觀測和試驗，但是，陸氣通量站點的空間布局還不夠合理、完善[90]，缺少覆蓋東北針對濱海濕地、針對落葉闊葉林生態(tài)系統(tǒng)、城市復雜生態(tài)系統(tǒng)的基礎型科學觀測。大多停留在分析單個站點的陸氣通量動態(tài)及環(huán)境控制機制上，或玉米農(nóng)田、稻田、蘆葦?shù)炔煌湫蜕鷳B(tài)系統(tǒng)相關觀測數(shù)據(jù)未形成成果。對于不同生態(tài)系統(tǒng)之間陸氣通量的比較研究還相對缺乏，從而制約著對陸氣通量特征及其控制機制的深入理解。缺少對陸面過程相關的云和輻射、邊界層等項目觀測，缺少基于觀測數(shù)據(jù)對陸面過程模式、數(shù)值預報的優(yōu)化、調(diào)整、改進方面研究。觀測數(shù)據(jù)對“生態(tài)文明建設”“應對氣候變化”“溫室氣體減排”等國家需求方面的大型科研項目的數(shù)據(jù)支撐較少?；谟^測數(shù)據(jù)對氣候系統(tǒng)各圈層間物質(zhì)和能量交換、海陸氣相互作用對天氣氣候和生態(tài)系統(tǒng)的影響、不同下墊面對天氣氣候的影響等科學問題的還需進一步闡述。

3.2.2 缺乏野外站的規(guī)范化管理

前期野外基地建設和觀測內(nèi)容缺乏頂層設計和統(tǒng)一規(guī)劃，為后期規(guī)范化管理造成很大困難，導致觀測指標和數(shù)據(jù)可比較性差。觀測目標不明確就可能無法形成長期、連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)。由于缺少對國際前沿了解、與相關領域一流專家的溝通，采購的儀器先進性、科學性有待論證。輻射、氣象觀測的儀器設備、觀測指標及觀測方法等方面不一致，致使觀測數(shù)據(jù)和傳輸方式千差萬別，使這些數(shù)據(jù)較難利用和比較。各類觀測設備的數(shù)據(jù)傳輸格式與儲存方式不統(tǒng)一，不利于觀測數(shù)據(jù)的儲存、分析與管理。同一觀測項目，儀器型號不一致或重復觀測，獲取的數(shù)據(jù)比對困難。

研究人員處理通量觀測數(shù)據(jù)一般采用個人擅長的技術方法，處理過程缺乏統(tǒng)一和規(guī)范性，導致不同人處理結(jié)果可能無法比較。目前通量觀測數(shù)據(jù)采集器還可以通過編程嵌入在線數(shù)據(jù)的處理模塊，輸出結(jié)果可直接使用，但下墊面和氣象條件較復雜的情況下，在線輸出結(jié)果就可能會出問題[91]。

3.2.3 通量觀測數(shù)據(jù)在陸面模式科研業(yè)務中的應用水平較低

基于通量野外基和地天－空－地多源觀測數(shù)據(jù)的整合與分析，建立了長時間序列的高時空分辨率的陸面模擬系統(tǒng)所需的大氣圈、陸地表層、自然資源、遙感等各類數(shù)據(jù)集[2]。但是由于時間不匹配、空間不匹配等問題，還沒有針對野外基地通量數(shù)據(jù)的陸面資料同化系統(tǒng)，缺乏高質(zhì)量的陸面同化分析數(shù)據(jù)集[92]，使東北陸面模式業(yè)務還沒有應用通量數(shù)據(jù)。東北陸面過程模式參數(shù)化方案的改進還沒有利用通量觀測數(shù)據(jù)，不能應用于大氣數(shù)值模式。制約了陸氣通量野外站作為中國氣象局科技創(chuàng)新支撐平臺作用的發(fā)揮。

4 展望

4.1 通量觀測與其他技術結(jié)合

通量觀測應依托長期觀測和研究平臺，作為系統(tǒng)、長期、重要的觀測內(nèi)容，向長期業(yè)務觀測方向轉(zhuǎn)變。隨著渦動理論的進步，通量觀測儀器原只能在均一下墊面安裝，現(xiàn)根據(jù)需要可以在復雜下墊面安裝。以長期通量觀測樣地為基礎，結(jié)合環(huán)境氣象、水文學、生物學、生態(tài)學觀測，增加光譜觀測、太陽誘導熒光等與衛(wèi)星遙感相結(jié)合的地面觀測，結(jié)合碳、氮、氫、氧的穩(wěn)定同位素等觀測拆分碳水循環(huán)和溯源分析，以擴大通量觀測數(shù)據(jù)的應用領域。為了能實時評估通量，通量觀測必須增加與新一代高光譜和高分辨率衛(wèi)星之間的聯(lián)合，并通過深度學習的方法解釋這些數(shù)據(jù)。

4.2 觀測規(guī)范化、數(shù)據(jù)處理標準化

研究[33]發(fā)現(xiàn)通量數(shù)據(jù)的異質(zhì)性主要是由于數(shù)據(jù)收集、通量計算和提交前數(shù)據(jù)整理的差異造成的，突出了對數(shù)據(jù)不確定性的估計和對數(shù)據(jù)質(zhì)量的統(tǒng)一評估的必要性，下一步急需研究、制定通量觀測、數(shù)據(jù)存儲和傳輸、數(shù)據(jù)剔除、差補的標準和規(guī)范，建立具有氣象特色的標準通量業(yè)務數(shù)據(jù)集和氣象、植被、土壤、水文數(shù)據(jù)集。按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和協(xié)議存儲管理數(shù)據(jù)，開發(fā)數(shù)據(jù)共享與網(wǎng)絡管理平臺，具備數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、共享功能。服務于陸面過程模式驗證、生態(tài)學領域、科學試驗和聯(lián)網(wǎng)觀測研究，服務于重大科技需求的專題性觀測和科學研究。

4.3 區(qū)域聯(lián)網(wǎng)長期研究

建立和維護通量站需要大量的財政投資，氣象部門建設的通量站數(shù)量雖逐年增加，但在空間上仍非常稀疏，部分站點的空間代表性存在問題，氣象部門應發(fā)揮高密度氣象觀測站的優(yōu)勢，將通量站與氣象站結(jié)合能捕捉到極端氣象事件和罕見氣象事件。目前CNERN、CERN、CFERN等許多臺站通量積累的數(shù)據(jù)的持續(xù)最長的已達20年，氣象部門臺站可以與其合作對通量觀測持續(xù)支持，構(gòu)建面向全社會的網(wǎng)絡化、智能化的通量科學數(shù)據(jù)管理與共享服務體系，通過更長期的觀測會揭示新的和重要的問題，提高相關創(chuàng)新能力和服務國家建設的支撐能力。

4.4 后續(xù)的數(shù)據(jù)同化工作

陸面過程參數(shù)化是陸面模式的核心內(nèi)容，在以往的研究中僅做了局部地區(qū)參數(shù)化，通量觀測對我國的陸面過程參數(shù)化方案改進并沒有實質(zhì)貢獻，需要進一步開展結(jié)合陸氣通量做好參數(shù)化方案的的改進工作[93]。由第3.1和第3.2節(jié)的介紹可知，目前已有不少的陸氣通量觀測數(shù)據(jù)和與生物圈相關的觀測數(shù)據(jù)集，通量數(shù)據(jù)集的原始頻率是10 Hz，原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一系列質(zhì)量控制變成半小時數(shù)據(jù)，把這些信息融合進陸面模型，可提高模型的準確性，并可補充衛(wèi)星遙感驗證數(shù)據(jù)集。再把局部地區(qū)觀測的高分辨率陸面過程模擬逐步轉(zhuǎn)化、升尺度耦合到大氣數(shù)值模式的網(wǎng)格上預測氣候變化[91]。