基于涡动相关仪的农田下垫面观测通量的变化特征分析

摘 要 利用2015-2016年姚安县涡动相关仪观测资料，在保证数据质量的基础上，分析了观测区通量交换特征。结果表明：感热和潜热通量全年都有相同的日变化特点，CO2通量仅在作物生长季节有明显的日变化特点，变化趋势与感热潜热通量变化特点相反；各通量受作物种类影响，季节变化明显，在生长季以潜热通量、CO2通量交换为主，其值在生长中期也明显高于生长初期和末期；受风、湍流条件、下垫面状况等共同影响，日尺度的观测通量差异最显著，季节尺度次之，年尺度最小。

关键词 通量观测；涡动相关仪；农田

中图分类号：P404 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.35.049

气候变化和人类活动正在改变或影响着水资源的时空变化，人类发展已面临着水资源短缺、极端气候事件频发等一系列问题。随着全球气候变化影响加深，区域农作物需水与供水矛盾日益突出，为此，在有限水资源条件下实现农业生产效益最大化，以此来指导农业灌溉，实现以供定需的现代化水资源管理已迫在眉睫。涡动相关法因其直接、连续、自动性等特点，已被广泛应用于森林、草地、农田、沙漠及城市等各种下垫面环境，通过对区域碳、水、热等通量的研究，作为生态系统与大气之间的CO2、H2O和能量交换信息的有效手段。

本文利用姚安观测点2015-2016年连续2a的涡动观测数据，通过对原始数据的质量控制，分析了感热通量、潜热通量、二氧化碳等通量的交换特征，从不同时间尺度分析其变化规律、为今后研究区域生态系统与大气之间的CO2、H2O和能量交换信息提供参考。

1 观测站概况与数据处理方法

1.1 观测站及仪器基本情况

姚安观测点地处云贵高原，位于云南省楚雄州姚安县蜻蛉河大型灌区栋川镇龙街村委会罗湾村。观测场为蜻蛉河大型灌区，试验区为农田下垫面，种植作物以油菜、水稻、蔬菜为主，多年平均气温15.6℃，平均日照时间为2570h。多年平均降水量811.4mm，年內分布不均。多年平均水面蒸发量2749.9mm，多年平均相对湿度65%。多年平均风速3.5mm/s，主风向为西南和偏南风。油菜、水稻生长期分别为1-4月和5-9月，是楚雄蜻蛉河大型灌区有代表性的农田下垫面。观测点所在村委会地势平坦，场地开阔且集中连片，当地盛行风向为西南风。引进美国CAMPBELL公司涡动观测仪器一套。包括涡动相关仪（IRGASON）、数据采集存储器CR1000、CR3000。小型自动气象站的观测项目含三维风风速、空气温度、湿度、实时降水量、饱和水气压及不同深度土壤墒情信息。

1.2 观测数据处理与质量控制

本文选用姚安观测点2015-2016年涡动相关仪器观测资料进行评价与分析。利用通量数据处理软件Eddpro对涡动相关仪原始涡动数据进行一系列的分析处理，采取国际上通用的通量数据处理30min。处理步骤主要包括：数采信息分析、野点剔除、数据格式转化、坐标旋转、仪器参数设置和数据筛选等，最终得到感热通量储量，潜热通量储量、CO2水平面的垂直气体通量、H2O平面的垂直气体通量及摩擦风速等数据。

2 研究方法

系统实际运行中，超声风速仪高频响应三维风速（Ux、Uy、Uz）和虚温（Ts），CO2/H2O），数据采集器（CR1000、CR3000）实时采集通量数据，项目组科研人员每月平均一次现场采集数据，之后通过软件分析计算得到感热通量储量，潜热通量储量、CO2水平面的垂直气体通量、H2O平面的垂直气体通量及摩擦风速等，对这些原始数据进行后期处理（分析和插补），从而获得理想通量数据。

3 观测数据特征分析

3.1 通量日变化规律分析

油菜生长季节晴天选择2015年3月20日、生长季节阴天选择2015年4月22日，油菜非生长季节晴天选择2015年5月4日、非生长季节阴天选择2015年2月20日。通过这几天分析所得的通量数据简要分析各通量的变化规律。

无论是生长季节或非生长季节，晴天时净辐射呈现出正弦型的日变化，日出后由负转正，并在当地午时前后达到一天内的最大值，随后又逐渐减小。阴天时，由于云层遮蔽等因素影响，太阳净辐射减小，净辐射的日变化规律与晴天相较而言，呈现出锯齿状波动性。在该观测站点采集的作物生长季或非生长季的观测数据看来，感热通量和潜热通量日变化趋势均非常明显，且与太阳净辐射表现出较好的一致性。

CO2通量的日变化特征在作物的生长季节与非生长季节差异明显，作物非生长季时几乎没有明显的日变化。在有少量植被覆盖时，白天出现弱的光合作用，同时也存在一些呼吸作用，且此时温度较低，夜间的呼吸作用也较弱。而在作物生长季节，CO2通量日变化趋势明显。白天作物进行较强烈光合作用，从大气中吸收CO2，通量值为负，最小值大致出现在午后14：00-14：30，与潜热通量出现峰值的时间段趋同。夜间进行呼吸作用，向大气中释放CO2。

总的来说，CO2通量其变化规律与净辐射、感热通量和潜热通量呈现出相反的日变化特点，夜间大气湍流强度较弱，各通量值较白天时下降明显，变幅不明显。另外，净辐射、感热通量、CO2通量均存在昼夜间正负交替的变化特征，而潜热通量除个别时次出现较小负值外，始终为正。

3.2 通量季节变化、年变化规律分析

从姚安观测站点2015-2016年感热、潜热和CO2通量数据绘制的月平均日变化趋势图可以得出，即上述各通量均存在较为显著的季节变化特点，全年大部分时候，感热通量和潜热通量的日变化趋势均较为显著，与之不同的是CO2通量仅在作物生长季节表现出明显的日变化规律，作物非生长季时几乎无明显的日变化特点。在水稻的生长旺季，即7月与8月，全年中感热通量最小，7-8月，水稻进入分蘖成熟期，其叶面积指数激增，随之而来的是蒸腾作用加强，与之对应的恰好为潜热通量在全年中达到最大值。

4 结论

本文利用2015-2016年姚安观测点涡动相关仪和自动气象站的观测数据，在剔除野点数据后，分析了各通量日、季节、年时间尺度上的农田地表通量交换特征，得出如下主要结论。第一，感热通量和潜热通量在全年都有一致的日变化特点，CO2通量仅仅在作物生长季节有明显的日变化特点，变化趋势与感热潜热通量变化特点相反。不同的作物，都表现出如下规律，即作物非生长季节以感热通量交换为主，而在作物生长季节则是潜热通量、CO2通量占主导。此外，在作物生长季节，CO2通量呈现类“U”型分布，潜热通量为倒“U”型。第二，各通量变化规律为：日尺度差异最为明显，季节尺度次之，年尺度最小。

（责任编辑：赵中正）