戈壁地区夏季碳和水热循环及其湍流特征

赵子龙，张宏升＊，康 凌

1 北京大学物理学院大气与海洋科学系，气候与海气实验室，北京 100871

2 北京大学环境科学与工程学院，北京 100871

1 引 言

碳是地球上储量最丰富的元素之一，广泛分布于大气、海洋、地壳沉积岩和生物体中［1］.碳循环是各碳库之间碳的转化和流动，包括在物理、化学和生物过程及其相互作用驱动下，各种形态的碳在各个子系统内部的迁移转化过程，以及发生在子系统之间的交换过程［2］.陆地碳循环是全球碳循环研究中最重要的内容之一，在全球碳收支中占主导地位［3］.自然界自发进行的碳循环，在较长的时间尺度上始终处于一种均衡的状态，然而自工业化进程以来，伴随着全球人口的迅猛增长以及工农业的快速发展，大气温室气体浓度迅速增加，其中CO2是产生温室效应导致全球气候变暖的最主要原因之一［4］.中国瓦里关大气本底基准观象台的观测结果表明：从1994年至2005年，大气中CO2日平均及月平均浓度均呈逐年增加的趋势，浓度年平均值约增长了16.48mmol·mol－1，相当于4.6%［5］.大气中 CO2浓度的增长，将会影响全球气候变化，从而给人类社会带来深远影响［6］.而研究陆地碳循环机制及其对全球变化的响应，是预测大气CO2含量及气候变化的基础.近几十年来的研究表明，北半球中高纬度的陆地生态系统是一个巨大的碳汇［7－13］，温度和水分是决定陆地生态系统碳收支的关键环境因子.

大气中的碳和水热循环离不开大气湍流的影响.大量的观测实验使人们对平坦均一下垫面的温湿度湍流结构有了较为系统的认识，得到了许多有益的结论［14－16］：温度和湿度的归一化标准差与稳定度参数z／L满足－1／3次方律关系；温度和湿度能谱在不稳定条件下，高频段满足－2／3次方律，中频段有一平缓区域；温度和湿度分别与水平、垂直方向风速之间的互谱符合MOS理论，在惯性副区符合－4／3次方律；Roth等［17］认为低频段温度能谱集中在一个相对狭窄的范围内，基本不随z／L变化.

我国西北戈壁地区地域辽阔，大气中CO2及水热通量等有着独特的演变规律［18］，对全球碳循环的贡献不可忽略.以往的实验研究主要集中在下垫面为森林、草原和农田等植被较为丰富的地区［19－23］，对干燥的戈壁下垫面的温度、湿度及CO2浓度的湍流特征的报道并不多见，尤其是CO2浓度的研究在文献中较少涉及.

本文利用大气边界层实验观测资料，采用涡动相关法分析研究了我国西北戈壁地区低层大气碳收支和水热输送特征、湍流统计特征和湍流谱结构，试图得到戈壁下垫面地区的碳及水热循环规律.

2 理论依据

根据近地面层相似性理论，不稳定条件下，温度归一化标准差σT／T＊与大气稳定度参数z／L满足－1／3次指数关系：

其中，T＊＝－，α 为常数.Wyngaard等［24］利用美国中部Kansas平坦草地下垫面的观测资料得到系数α＝0.95.

类似地，不稳定条件下，比湿和CO2浓度等标量的归一化标准差σq／q＊与大气稳定度参数z／L也满足－1／3次方律的关系，即

其中，q＊＝－，γ 为常数.Hogstorm 等［25］给出γ＝1.04.

温度谱的惯性副区的形式可表达为［26］：

其中，β＝0.8为普适常数，ε为湍流动能耗散率，N为湍流热能耗散率，k为波数.利用Taylor假设将波数转化为频率，引入无因次耗散率：

和无因次频率f＝nz／u－（下同）进行归一化，得到

归一化后的湍流温度能谱密度在惯性副区与无因次频率f的－2／3次方成正比.Kaimal等［27］在Kansas实验给出中性层结条件下温度能谱密度的拟合曲线为：湿度和CO2浓度能谱密度存在类似关系.

物理量之间的互谱常常用来分析不同尺度的涡旋对相应通量的贡献情况.Wyngaard等［28］提出互谱在惯性副区符合－4／3次方律，这一结论已经得到了众多实验的支持.Kaimal等［27］在Kansas实验中给出了中性层结条件下风速互谱近似满足：

垂直风速和温度互谱的曲线满足［27］：

3 资料获取与处理

本文利用我国西北玉门镇附近戈壁地区的大气边界层的观测数据.该实验站位于40°09′27.3″N，97°17′58.6″E，海拔高度为1200m；实验站东侧为荒凉的戈壁滩，西距小型居民生活区约3km，南距祁连山约30km，北距北山山地约20km，地形自南往北缓慢倾斜，东北方向有极小的坡度下降，坡度约为1°，间有自然冲沟和小起伏，局部地形是平坦开阔的戈壁地区.全年主导风向为东风，西风次之.

观测时间为2006年6月27日—7月27日，观测平台为102m气象铁塔.本文涉及的实验观测项目主要包括H2O和CO2的大气湍流及4层的风速、温度和湿度梯度.在30m高度架设Campbell公司生产的CSAT3型超声风温仪和Li－Cor公司生产的Li－7500型开路式 CO2／H2O 分析仪.在10m，30m，60m和100m高度架设美国MetOne公司生产的034B型风杯风速计，同时安装有温度和湿度传感器.

湍流观测自动、连续，采样频率为10Hz，分析时使用每小时的前半小时结果，并对湍流资料进行了严格的筛选，即：去除了风向与超声探头迎风轴朝向的夹角大于60°、风向与水平面夹角大于5°、风速小于2m·s－1、摩擦速度小于0.01m·s－1、热通量小于5W·m－2以及其它非定常的数据组.塔层风速、温度和湿度梯度观测，为10min的平均值，取30min滑动平均.考虑不同天气状况对太阳辐射有较大影响，从而增加了影响碳及水热通量变化的因素，为避免天气状况对分析碳收支及水热通量规律可能引起的不确定性，本文只选取晴好少云天气（6月27日到7月7日）的观测数据进行分析，并剔除有降水的观测时次.

4 结果与分析

4.1 平均量特征

图1给出2006年6月27日—7月7日戈壁地区近地层感热通量随时间变化特征.受太阳辐射的影响，戈壁地区白天热量自下向上输送，感热通量在正午前后达到极大值；夜间，热量由上向下输送，在日出前后达到极小值.30m高度感热通量的最大值为463.8W·m－2，出现在7月3日13时，最小值为－53.2W·m－2，出现在6月30日00时.

图2给出了2006年6月27日—7月7日戈壁地区近地层潜热通量随时间的变化特征.尽管戈壁地区空气干燥，水汽含量低，潜热通量的获取受到仪器精度的限制，但还是可以从图2看出，30m高度处的潜热通量在午后向地面传输.这种现象产生的原因是在戈壁干旱地区，地表干燥，空气湿度普遍较小，当空气的水平运动带来水汽时，会向地面进行水汽输送，形成逆湿，从而造成潜热通量的负值.

图1 2006年6月27日—7月7日30m高度戈壁地区感热通量随时间变化Fig.1 Temporal variations of the sensible heat flux at the 30mheight over the Gobi Desert from June 27to July 7，2006

图3给出了2006年6月27日—7月7日戈壁地区近地层CO2通量的时间序列.CO2通量平均值为－0.199mg·m－2·s－1，整体表现是碳汇；绝对值的最大值出现在6月29日16时，数值为－1.10mg·m－2·s－1，与刘冉等［29］2004年在盐生荒漠下垫面观测到CO2通量最大值为－1.12mg·m－2·s－1的结果相近，是平均值的5.5倍.白天正午前后有两个向下输送的峰值，出现的时间比CO2浓度峰值约滞后4～5小时.

图4给出了2006年6月27日到2006年7月7日戈壁地区近地层CO2通量的平均日变化.可见，白天CO2通量向下极大值为－0.74mg·m－2·s－1，与刘辉志等［22］在吉林通榆观测到的退化草原下垫面在生长季的结果为－0.8mg·m－2·s－1相近；夜间向上，其数值小于白天.这与生长期的森林、草地等［30－32］植被区域下垫面的观测结果大致相同，说明夏季戈壁下垫面的土壤具有一定的碳吸收功能［33－34］.

图4 2006年6月27日—7月7日30m高度戈壁地区CO2通量平均日变化Fig.4 Diurnal variation of the CO2flux at the 30m height over the Gobi Desert averaged from June 27to July 7，2006

4.2 温度、湿度和CO2的湍流统计特征

图5a给出了2006年6月27日－7月7日戈壁下垫面近地层温度归一化标准差σT／T＊随稳定度参数z／L的变化特征.可见，不稳定层结下温度归一化标准差与稳定度参数z／L呈－1／3次方律关系，与Wyngaard等［24］的结果相符合.拟合公式为：

σT／T＊＝1.00（－z／L）－1／3，z／L＜0 （10）在稳定层结下，数据的离散性较大.

图5b和图5c分别给出了2006年6月27日—7月7日戈壁下垫面近地层比湿归一化标准差σq／q＊和CO2浓度归一化标准差σc／c＊随稳定度参数z／L的变化特征，直线是 Hogstorm等［25］的结果.可见，比湿归一化标准差和CO2浓度归一化标准差随z／L变化的关系较为离散，究其原因，一是由于戈壁地区水汽含量低，湿度观测相对误差较大，戈壁地区CO2的变化较小，其观测精度不足；另一种可能是由于比湿与CO2浓度是被动标量［35］，其归一化标准差的变化规律与温度等主动标量不同［35－36］，对于被动标量，McBean等［35］建议使用经验公式Lq和Lc替代L来计算稳定度参数，但目前还没有公认的经验公式，故本文仍使用了传统的稳定度参数z／L.

4.3 能谱特征

图6a，6b，6c分别给出了2006年6月27日—7月7日近地层不同稳定度条件下的温度、湿度和CO2浓度的归一化能谱密度随无因次频率的变化，图中实线为Kaimal等［27］给出的Kansas实验温度能谱密度中性层结下的拟合曲线.可以看到，温度、湿度和CO2浓度的能谱在惯性副区均满足－2／3次方律关系，温度和CO2浓度的特征相似，而湿度则有较大的差别.

湿度能谱密度的峰值频率略低，说明戈壁地区水汽输送贡献最大的涡旋尺度略大.在低频段，不同稳定度的情况下，湿度能谱的谱线较为分散，而温度和CO2浓度能谱的谱线则集中在很窄的范围内，难以区分，说明大气稳定度对戈壁地区温度和CO2浓度的影响小于湿度，低频段的温度能谱和CO2浓度能谱还受其它尺度的控制［16］.

图7a，7b，7c分别给出2006年6月27日—7月7日近地层戈壁地区不同稳定度下水平方向风速与温度、水汽和CO2浓度的归一化互谱特征，图中实线为Kaimal等［27］给出的Kansas实验中性层结下wθ互谱拟合曲线.

图5 2006年6月27日－7月7日30m高度戈壁下垫面温度、湿度、CO2浓度归一化标准差σT／T＊ 、σq／q＊ 、σc／c＊ 随稳定度参数z／L的变化特征Fig.5 Distribution of the normalized standard deviation of T（σT／T），q（σq／q＊ ）and c（σc／c＊ ）against z／Lat the 30mheight over the Gobi Desert from June 27to July 7，2006

图7a所示的uθ互谱的峰值频率与Kansas实验［27］中性层结条件下的wθ互谱的峰值频率相比数值略大，不同稳定度下所有谱线的峰值频率非常接近，约为0.2.低频段uθ互谱所有谱线都集中在较窄的范围内，随着无因次频率的降低，谱线的下降比uc互谱更快，说明湍涡尺度大小对水平方向热量输送的影响比对水平方向CO2通量输送的影响更大.uθ互谱和uc互谱非常的相似，但与uq互谱区别较大.

uq互谱在低频区域不同稳定度情况下谱线分布在一个比较宽的范围内，峰值频率的分布也比较分散，从0.1到0.2之间，说明在不同稳定度的条件下，影响水平方向水汽通量输送的涡旋尺度有较大的差别.惯性副区的区间相比uc互谱较小.

由图7c可以看到，不同稳定度参数下，uc互谱在惯性副区的曲线满足－4／3次方律，不同稳定度参数情况下的谱线分布较为集中，峰值频率、惯性副区起始位置、低频区下降特征等都与Kaimal的平坦草原下垫面wθ的结果非常接近.

图8a，8b，8c分别给出了2006年6月27日—7月7日戈壁地区近地层不同稳定度下垂直方向风速与温度、水汽和CO2浓度的归一化互谱特征，图中实线为Kaimal等［27］给出的Kansas实验中性层结下互谱拟合曲线.由图7和图8可见，各个互谱在惯性副区都符合－4／3次方律的关系.

由图8a，与Kansas实验代表的平坦草原下垫面的互谱特征相比，无论是惯性副区的区间范围还是峰值频率、峰值大小、低频段下降特征等两者都很相似，说明平坦戈壁下垫面和平坦草原下垫面在垂直方向感热输送上存在很强的相似性.分析图8a和图7a，可以看出垂直和水平方向湍流交换对热量输送方面的影响相近.

对比图8b所示的wq互谱特征与图7b所示的uq互谱特征，在惯性副区区间大小、区间位置和峰值频率大小等特征上差别不大，但wq互谱低频区和峰值大小有所降低，说明在夏季戈壁地区，水汽通量输送主要受水平方向湍流交换的影响.wq互谱的峰值频率分布也比较分散，低频区不同稳定度下谱线的分布比uq互谱要集中.

由图8c和图7c可见，在惯性副区区间大小和位置、低频段下降趋势、峰值频率大小等特征上wc互谱和uc互谱具有很强的相似性，但与uc互谱相比，wc互谱峰值大小略低，说明戈壁地区CO2通量输送受水平方向湍流的影响较大.

5 结 论

本文利用涡动相关法分析了2006年夏季6月27日—7月27日在我国西北玉门镇附近戈壁地区碳和水热循环特征，以及大气湍流特征，主要结果如下：

（1）受太阳辐射、下垫面特征和干旱气候的影响，戈壁地区近地层感热通量较大，日变化规律明显，在正午前后达到极大值.观测期间感热通量的极大值通常出现于13时.

图8 2006年6月27日—7月7日30m高度戈壁地区不同稳定度下wθ、wq、wc归一化互谱特征（f＝nz／¯u）Fig.8 Normalized wθ，wq，wc cospectra under different stabilities at the 30mheight over the Gobi Desert from June 27to July 7，2006

（2）夏季戈壁地区近地层潜热通量相对较小，在白天大部分时间内仅为感热通量的10%左右，这与戈壁地区干旱的气候条件有关.然而实验观测显示午后潜热通量时常为负值，说明此时潜热从空中向地面输送，主要是受平流带来的水汽影响.

（3）夏季戈壁地区近地层CO2浓度的平均值为557mg·m－3.CO2通量白天向下传输，最大值为1.10mg·m－2·s－1，夜间向上传输，其值很小，均不超过0.05mg·m－2·s－1.平均值为－0.199mg·m－2·s－1，整体表现为碳汇.CO2通量的日变化规律，与生长期的森林、草地等有植被区域下垫面的观测结果大致相同.

（4）通过对夏季戈壁地区近地层的温度、比湿、CO2浓度的湍流统计特征分析可知，在惯性副区，温度归一化标准差σT／T＊与稳定度参数z／L满足－1／3次方律的关系；而比湿归一化标准差σq／q＊和CO2浓度归一化标准差σc／c＊与稳定度参数z／L的关系表现离散，可能的原因之一是比湿和CO2浓度这样的被动标量的规律需要用与温度T这样的主动标量不同的稳定度参数来进行描述，然而具体的参数化公式还有待研究，同时也不排除测量仪器的精度有限.

（5）夏季戈壁地区近地层的温度、湿度、CO2浓度的能谱和uθ、uq、uc、wθ，wq，wc的互谱特征显示：在惯性副区，各能谱均满足－2／3次方律；各互谱均满足－4／3次方律；温度能谱与CO2浓度能谱相似，与Kaimal等［27］给出的Kansas实验温度能谱相近，而湿度能谱则表现出峰值频率略低和低频段谱线较为分散的特征；相对于uq互谱来说，uc互谱与uθ互谱相似，主要表现为不同稳定度情况下谱线的峰值频率较为接近，低频段谱线都集中在较窄的范围内；wc互谱与wθ互谱相似，在惯性副区区间范围、峰值频率和峰值大小等特征上都与平坦草原下垫面的互谱wθ相近；对比uc互谱与wc互谱、uq互谱与wq互谱、uθ互谱与wθ互谱，可知水汽和CO2的输送主要受水平方向湍流的影响，而水平和垂直方向湍流都对热量输送起重要作用.

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