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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)
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