不同坐标变换方法对城市复杂下垫面碳通量的影响

郭智明， 赵仲辉，2，3

(1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院， 湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室， 湖南 长沙 410004；3.湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站， 湖南 会同 418307)

不同坐标变换方法对城市复杂下垫面碳通量的影响

郭智明1， 赵仲辉1，2，3

(1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院， 湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室， 湖南 长沙 410004；3.湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站， 湖南 会同 418307)

利用长沙城市森林生态站2013年1—12月的CO2通量数据，分析了三维超声风速的三种坐标变换结果的差异。结果表明：二次旋转(DR)或三次旋转(TR)变换的Pitch角和Roll角变化幅度远大于平面拟合(PF)变换，且都有明显的方向性；DR和TR变换强迫平均垂直风速为0，不符合城市热岛环流引起的平均垂直风速不为0的事实；DR和TR变换明显改变了摩擦速度的大小；TR变换增大了CO2通量的不确定性。因此，本站的倾斜校正宜采用平面拟合变换。

倾斜校正； 碳通量； 涡动相关； 城市下垫面

自18世纪中叶工业革命以来，以CO2为主的温室气体浓度明显增加，造成全球气候变暖[1]。增加的大气CO2中，化石燃料的燃烧和土地利用变化分别贡献了70%～90%和10%～30%[2]。从20世纪90年代以来，欧美及亚洲国家陆续建立了许多用于长期连续观测的通量观测站[3-6]。涡动相关法是目前公认的测量地气间通量交换的最好方法，它可更准确地估算出各种生态系统的物质、能量交换[7]。但是，由于测量仪器和原理的局限性及环境的干扰，如超声风速仪的倾斜和地表下垫面的非均质性，使得涡动相关测量数据仍有一定的误差和不确定性，尤其是对夜间湍流通量的低估[8]。针对现有的仪器及理论计算方法，有些误差是可以进行校正，有些则可以被识得但难以完全校正[9-12]。

由于下垫面的不均匀或仪器安装的非水平，常造成附加的垂直风速分量，使得平均垂直速度不为零，从而不满足涡动相关理论的假设，使得涡动相关法计算的结果产生偏差，这种偏差可以通过适当的坐标变换得以消除。目前的坐标变换方法主要有DR和TR所代表的流线型坐标变换和PF转换。吴家兵等[13]在对长白山阔叶红松林CO2交换的涡动通量修订中得出PF要优于流线型坐标变换。王春林等[14]对鼎湖山南亚热带针阔叶混交林生态系统涡度相关测定的CO2通量数据的研究显示TR会比DR造成更多的通量低估。朱治林等[15]对四种生态系统类型的研究表明，地形情况和坡度的不同会影响倾斜校正方法的选取，如草原站三种方法都可以，地形平坦的农田站则可以忽略，对森林站来说TR是最优的选择。温学发[16]在中亚热带红壤丘陵人工林研究中则得出在高植被复杂地形条件下，PF是倾斜校正的首选。

我们以湖南长沙城市生态站(以下简称城市站)CO2通量观测数据为基础，分析了三种坐标变换方法对通量校正的影响，确定通量计算的最佳校正方法，为城市生态系统碳通量的正确估算提供科学依据。

1 研究地概况

城市站通量观测铁塔位于中南林业科技大学植物园内，塔高30 m，地理坐标为112°59′38.87″E，28°08′8.98″N，塔基海拔99.0 m。该站属典型中亚热带湿润季风气候，年均气温为17.4 ℃，年均降水量1 361.6 mm，主要集中于4—8月，年均相对湿度为80%。地带性植被为常绿阔叶林。通量塔东边约50 m外为7层以下的居民区，100 m外是南北走向的交通干道，南边80 m外为2栋18层的小高层住宅区。塔北部约80 m外为5栋7层以下的住宅区，楼后有400 m2左右的植被覆盖区，西边为中南林业科技大学广场、教学楼及生活区。塔下是1958年人工营造的樟树(Cinnamomumcamphora)人工林，在造林前进行了平梯整地，造林后处于半自然状态，现郁闭度为0.7～0.8。林内还生长有木荷(Mangllietiafordiana)、凹叶冬青(Ilexchampionii)、莽草(Illiciumlanceolautum)、格药柃(Euryamuricata)、杜仲(Eucommiaulmoides)、枫香(Liquidambarformosana)、桂花(Osmanthusfragrams)、 红叶树(Cotinuscoggygria)、醉香含笑(Micheliamacclurei)等乔木树种。林下植物主要有凤尾蕨(Pterismultifida)、小叶女贞(Ligustrumquihoui)、女贞(Ligustrumlucidum)、菝葜(Smilaxchina)、木莓(Rubusswinhoei)、山胡椒(Linderaglauca)、油茶(Camelliaoleifera)、大叶黄杨(Buxusmegistophylla)、南蛇藤(Gelastusorbiculasus)、满树星(Ilexaculeolata)、铁芒萁(Dicranopterisdiclzotoma)等。因此，该通量塔附近是由混凝土地面、柏油马路、城市森林、高低建筑及街道等构成的复杂下垫面。

涡动协方差系统包括三维超声风速仪(CAST3，Campbell Scientific Inc.MS，USA)和开路CO2/H2O红外线分析仪(Li-7500，Li-Cor，Lincoln，NE，USA)，数采为CR3000(Campbell Scientific Inc.MS，USA)。数据采样频率为10 Hz，数据传输给数据采集器进行计算处理，原始数据和30 min的通量计算结果贮存在2G存储卡上。涡动协方差系统安装在高30 m处的延伸臂(指向正南)上，超声风速仪指向盛行风向。自动气象梯度观测系统用于测定土壤温度、湿度、风向及风速以及大气温湿度梯度、短波辐射和光合有效辐射及净辐射、降水量和气压。本文选取城市站2013年全年的观测数据进行分析。

2 研究方法

2.1 数据来源

通量数据和气象梯度数据取自城市站2013年1—12月的观测数据，先按2.2中方法进行三种坐标变换，其中PF变换按8个风向(N、NE、E、SE、S、SW、W、NW)进行变换，计算出相应的物理量。然后对测得的通量数据进行降水剔除、阈值剔除、u*剔除、质量控制剔除和奇异值剔除，剔除后的样本数为11 927个，以下分析仅针对余下的11 927个样本来进行。

2.2 数据处理

(1)

u1=R1um

(2)

(3)

u2=R12u1=R12R1um=R2um

(4)

R2=R12R1=

(5)

DR后的方差(协方差)及标量s的涡动通量分别为：

(6)

(7)

(8)

u3=R23u2=R23R2um=R3um

(9)

(10)

TR后的三维风速方差(协方差)及标量s的涡动通量分别为：

(i，j=1，2，3)

(11)

(12)

2.2.2 平面拟合 由于DR和TR使每个通量平均时段内的垂直风速强制为0，这会导致通量出现显著偏差及长期碳收支平衡中的低估。Wilczak[18]提出了一种适合下垫面平坦有稳定倾斜角的PF法，即对一段时间的观测数据资料拟合出一个新的平面。在新平面上，平均垂直风速为经向和纬向水平风速的函数，使长期平均垂直风速为0，但单个平均周期内的平均垂直风速不为0。

(13)

(14)

up=pum

(15)

对应的三个旋转角θ、φ、ψ分别为：

(16)

PF变换后的三维风速方差(协方差)及标量s的涡动通量分别为：

(i，j=1，2，3)

(17)

(18)

3 结果与分析

3.1 风向与Pitch角、Roll角及平均垂直风速的关系

对于均质水平下垫面来说，DR或TR和PF变换的Pitch角(绕y轴旋转的角度)和Roll角(绕x轴旋转的角度)应该集中在0值附近的狭窄区间内随机变化，与风向无关。但在城市站，DR或TR变换的Pitch角变化相对较大，主要集中在±15°间，并有明显的方向性，尤其在270°附近有跃变(见图1a)，而PF后的Pitch角虽有方向性，但变化幅度明显小于前者(见图1b)；TR变换的Roll角大多集中在±30°间，变化幅度更大，也有明显的方向性，而PF变换的Roll角变化较小，变化于±5°间。由此可见，DR和TR变换会造成修正后的CO2通量具有更大的不确定性，造成这种变化特征应该与下垫面的非均匀性以及观测铁塔对气流的扰动有关。

由图1c可见，观测得到的平均垂直速度并不为0，且与风向有明显的关系，在风向112.5～337.5°间，平均垂直速度非常明显，其它风向的平均垂直速度在0值附近波动。PF变换后的平均垂直速度比测得的平均垂直速度明显减少，与风向的关系也不太明显(见图1d)。基于涡动通量测定的假设，平均周期内的平均垂直速度为0。DR和TR变换能保证任何一个通量平均周期内的平均垂直速度为0，而在PF变换中则强调平均垂直速度的长期平均为0，但不要求每个通量平均周期内平均垂直速度为0，这更接近实际的大气扰动，因为下垫面的不均一(包括观测铁塔及测风探头本身的干扰)产生的动力和热力对流及乱流，尤其在城市的热岛环流作用下，造成平均垂直速度不为0。

3.2 DR、TR和PF变换对摩擦速度u*的影响

DR、TR和PF变换对u*的大小有明显的影响，图2 a、b、c分别表示DR、TR和PF变换后的u*与观测值的关系。比对t检验表明，DR变换后的u*显著的大于观测得到的u*(P=0.000 0)，TR变换后的u*显著的小于观测值(P=0.000 0)，PF变换后的u*与观测值没有明显的差异(P=0.186 6)。

图1 风向与Pitch角、Roll角及平均垂直风速的关系Fig.1 The relationships between wind direction and pitch angel，roll angel and the average vertical wind speed

u*的大小与水平涡动动量的垂直输送有关，可以作为湍流混合强度的指标，被广泛应用于湍流引起的物质、能量通量数据的质量控制，尤其是对夜间弱湍流条件下的通量数据的质量控制。

3.3 DR、TR和PF变换对CO2通量的影响

DR、TR和PF变换后的CO2通量Fc_DR、Fc_TR和Fc_PF与观测得到的CO2通量Fc_measured都具有明显的线性相关性(见图3 a、b、c)。由图3可看出，Fc_DR与Fc_measured的相关性最好，相关系数R2=0.9071，其次是Fc_PF与Fc_measured相关系数为R2=0.879，Fc_TR与Fc_measured相关性最差，数据较分散，R2=0.708。Fc_DR、Fc_PF都与Fc_measured较为符合，数据较集中，且差别不大，Fc_DR与Fc_measured(k=1.034 2)、Fc_PF与Fc_measured(k=0.981)所拟合直线的斜率都接近于1。

图2 坐标变换对u*的影响Fig.2 Inference of coordinate transformation to u*

图3 DR、TR和PF变换对CO2通量的影响Fig.3 Inferences of DR，TR and PF to CO2 flux

4 结论与讨论

DR或TR变换使得Pitch角和Roll角变化幅度大于PF变换，从而造成修正后的CO2通量具有更大的不确定性。DR和TR变换能保证任何一个通量平均周期内的平均垂直速度为0，而在PF变换中则强调平均垂直速度的长期平均为0，但不要求每个通量平均周期内平均垂直速度为0，这与城市热岛环流影响使平均垂直风速不为0的实际情况更一致。DR变换后使u*增大，TR变换使u*减小，PF变换对u*的影响很小。Fc_TR与Fc_measured相关性最差，数据较分散，Fc_DR、Fc_PF都与Fc_measured较为符合，数据较为集中，且斜率接近1。因此，本研究站点CO2通量倾斜校正最好选用PF变换法。

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Impactsofdifferentcoordinatetransformoncarbonfluxinurbancomplicatesurface

GUO Zhiming1， ZHAO Zhonghui1，2，3

(1.Faculty of Life Science and Technology， Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China；2.National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China， Changsha 410004， China；3.Huitong National Research Station of Chinese Fir Plantation Ecosystem in Hunan Province， Huitong 418307， China)

In this paper CO2flux data were collected over one year period from January to December in 2013 at urban forest ecological station in Central South University of Forestry and Technology in Changsha.Based on these data，the variance of the results of three kinds of coordinate transformation of three-dimensional velocity was analyzed.The results indicated that the rangeability of Pitch angle and Roll angle in double coordinate rotation(DR)or triple coordinate rotation(TR)was much larger than these in planar fit(PF)，and both of DR and TR had obvious directivity.DR and TR compelled the average vertical wind speed to be 0，but it was not conformed the fact that the average vertical speed isn’t 0 caused by urban heat island circulation.DR and TR altered the magnitude of the friction velocity obviously.TR increased the indeterminacy of CO2flux.In consequence，PF is appropriate to be used among the tilt corrections in this site.

tilt correction； carbon flux； eddy covariance； city underlying surface

2015-03-18

国家林业公益性行业科研专项(201404316)。

郭智明(1989-)，女，河南省郑州市人，硕士研究生，主要从事城市生态学研究。

P 412.1

A

1003 — 5710(2015)03 — 0039 — 06

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2015. 03. 010

(文字编校：张 珉)