韋志剛　胡嘉驄　董文杰　陳光巨　吳忠魁　魏信鄭志遠(yuǎn)　文小航　石文　邢飛　張治國1北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871北京師范大學(xué)珠海分校未來地球研究院，珠海519087

珠海鳳凰山陸氣相互作用與碳通量觀測塔的基本觀測及晴天主要觀測量的日變化特征

韋志剛1, 2胡嘉驄2董文杰1, 2陳光巨1, 2吳忠魁2魏信2鄭志遠(yuǎn)1, 2文小航2石文2邢飛2張治國2
1北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871
2北京師范大學(xué)珠海分校未來地球研究院，珠海519087

韋志剛，胡嘉驄，董文杰，等. 2016. 珠海鳳凰山陸氣相互作用與碳通量觀測塔的基本觀測及晴天主要觀測量的日變化特征 [J]. 大氣科學(xué), 40 (2): 423-436.Wei Zhigang, Hu Jiacong, Dong Wenjie, et al. 2016. Basic observations and diurnal variation of key meteorological variables on clear days in the Phoenix Mountain area of Zhuhai [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (2): 423-436, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1503.15111.

珠海鳳凰山地處北回歸線以南，森林植被覆蓋率達(dá)90%，植被類型為南亞熱帶常綠闊葉林群落，是嶺南地區(qū)典型的城市或村莊周邊的再生森林，我們選擇在鳳凰山麓森林冠層較為平緩的低矮坡地建立了陸—?dú)庀嗷プ饔煤吞纪康挠^測鐵塔塔站。本文詳細(xì)介紹了觀測塔的地理環(huán)境、初步的儀器布設(shè)和基本觀測，并利用已獲得的資料分析了旱季典型晴天主要觀測量的日變化特征。太陽總輻射及其分光輻射和反射輻射的日變化都是比較常規(guī)的中午最高的對稱結(jié)構(gòu)；冠層接收到的長波輻射比向上長波輻射低；氣溫日變化的峰值比太陽輻射滯后，白天達(dá)到最高值前的氣溫是低層高于高層，達(dá)到最高值后到落日前氣溫陡然下降，夜晚的氣溫是低層低于高層。相對濕度凌晨最大，下午最小，夜晚是低層相對偏濕，白天正好相反；11月份，珠海地區(qū)盛行旱季的偏北季風(fēng)，有明顯的海陸風(fēng)的作用，白天的海風(fēng)較強(qiáng)，夜晚的陸風(fēng)較弱；森林冠層向大氣釋放的感熱和潛熱的量值基本相當(dāng)，潛熱基本為正；感熱白天為正，夜晚基本為負(fù)；森林冠層吸收的二氧化碳的最高值出現(xiàn)在午后，此時(shí)空氣中水汽濃度達(dá)到最低，向大氣釋放的二氧化碳在日出后的清晨最大，此時(shí)空氣中的二氧化碳濃度達(dá)到最大，同時(shí)空氣密度也最大；由于森林冠層高、密度大，土壤濕度基本沒有日變化；表層土壤溫度日變化的振幅隨土壤深度加深而變小，土壤熱流的變化是下午高，清晨低。本文還發(fā)現(xiàn)了一些值得深入探討的現(xiàn)象，需要以后根據(jù)充沛的資料分析論證。

1　引言

我國南方人口稠密，城市化水平高，隨著全球氣候變暖，該地區(qū)的極端氣候事件如熱浪、強(qiáng)降雨、跨季節(jié)連旱等事件的頻率和強(qiáng)度都在增加，這些極端事件的發(fā)生及其變化使氣象防災(zāi)減災(zāi)難度不斷加大。而防災(zāi)減災(zāi)水平的提高很大程度上取決于對氣候變異機(jī)理的認(rèn)識(shí)，陸面過程是氣候變異的一個(gè)重要影響因子，陸面和大氣之間的能量和水分交換對區(qū)域和全球氣候變化有重要的影響（Dickinson and Henderson-Sellers, 1988; Yasunari, 2007; Xue et al., 2010；曾紅玲等，2010；蒙偉光等，2012）。目前，關(guān)于陸氣相互作用的研究主要集中在以下方面：選取典型下墊面或關(guān)鍵區(qū)域開展大型野外觀測試驗(yàn)，獲取典型地區(qū)陸面過程的地表特征量，研究陸氣相互作用的重要特征及機(jī)理；利用野外觀測試驗(yàn)核遙感觀測資料，改進(jìn)陸面過程參數(shù)化方案和陸面過程模型；利用耦合陸面過程模型的氣候模式研究陸氣相互作用對氣候的影響。

從20 世紀(jì)80 年代中期起，在國際上進(jìn)行了許多大型陸氣相互作用觀測試驗(yàn)，通過這些大型的野外觀測試驗(yàn)獲取了大量有關(guān)不同下墊面陸氣相互作用的觀測資料，同時(shí)也發(fā)展了一系列陸-氣相互作用模式（黃榮輝等，2013）。在亞洲熱帶季風(fēng)地區(qū)，國際上也已開展了一些相關(guān)研究，使我們對這一特殊地域的陸氣相互作用特征有了初步的認(rèn)識(shí)（Toda et al., 2002; Tanaka et al., 2003; Tsai et al., 2007）。最近數(shù)十年，在我國也開展了大量的陸氣相互作用觀測試驗(yàn)。比如自1979年開始的一系列青藏高原科學(xué)試驗(yàn)（QXPMEX、GAME-Tibet、TIPEX、CAMP/ Tibet、第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)等）、“黑河地區(qū)地氣相互作用野外觀測試驗(yàn)研究”(HEIFE)、“亞洲季風(fēng)試驗(yàn)—淮河試驗(yàn)”(GAME-HUBEX)、“內(nèi)蒙古半干旱草原土壤—植被—地氣相互作用觀測試驗(yàn)”(IMGRASS)、“中國西北干旱區(qū)陸氣相互作用”(NWC-ALIEX)等（黃榮輝等，2013；徐祥德和陳聯(lián)壽，2006；王介民，1999；Wen et al., 2009），通過這些試驗(yàn)對陸氣相互特征以及與氣候的相互影響有了比較深入的認(rèn)識(shí)（Liu et al., 2008；張美根等，2008；Zhou and Huang，2011；劉輝志等，2013；姜超等，2013），由這些試驗(yàn)所建立的一些陸氣相互作用的野外觀測塔站也得到了長期維護(hù)和發(fā)展。但是這些觀測試驗(yàn)和站點(diǎn)大多都位于青藏高原和北方地區(qū)，而且較少在森林下墊面進(jìn)行。李梓銘等（2014）分析了草甸草原生態(tài)系統(tǒng)通量的日變化特征，Bi et al.（2007）觀測研究了中國華南草地與大氣的能量交換特征，Ding et al. （2013）觀測分析了華南香蕉林與大氣的相互作用特征，發(fā)現(xiàn)華南地區(qū)的陸氣相互作用有其特殊性，應(yīng)該加強(qiáng)觀測試驗(yàn)和分析。

全球變暖主要?dú)w因于二氧化碳等溫室氣體的增加，全球各類系統(tǒng)二氧化碳的源/匯問題已成為科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。陸地生態(tài)系統(tǒng)受人類活動(dòng)影響最大、碳儲(chǔ)量僅次于海洋，森林約占陸地生態(tài)系統(tǒng)總面積的1/3，森林與大氣碳交換量占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣碳總交換量的90%以上（王妍等，2006）。森林是地球生物圈的重要組成部分，森林綠色植物通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳，森林是重要的碳匯；另一方面, 森林中的動(dòng)物、植物和微生物的呼吸及枯枝落葉的分解氧化等過程以二氧化碳、一氧化碳等形式向大氣排放碳，森林又是碳的釋放源。熱帶森林物種豐富多樣，群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 并且有巨大的生物量, 成為支配全球碳平衡的主要因素，是許多生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域科學(xué)研究的焦點(diǎn)區(qū)。有關(guān)碳通量的研究在溫帶地區(qū)已經(jīng)較為成熟，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為溫帶地區(qū)為碳匯，而熱帶地區(qū)的碳通量研究相對較少（趙雙菊和張一平，2005）。熱帶森林占地球表面7%，但它擁有全球50% 的物種和70%～80% 的樹種，熱帶森林儲(chǔ)存有全球生物量碳的40%，每年通過光合作用吸收的碳相當(dāng)人類通過化石燃料釋放于空氣碳的6倍（曹福祥等，2010）。熱帶森林究竟是碳源還是碳匯？以往的研究存在爭議，祁承經(jīng)等（2010）對此問題專門進(jìn)行了歸納分析，一種觀點(diǎn)認(rèn)為自20 世紀(jì)80 年代后期起熱帶森林的生物量、莖個(gè)體密度、莖個(gè)體周轉(zhuǎn)率均呈現(xiàn)顯著增長，進(jìn)而推斷熱帶森林現(xiàn)今和今后數(shù)十年，它仍然是一個(gè)中等的碳匯；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為熱帶森林生物量并無增加，其森林碳匯已淪落為碳源；未來人類開發(fā)森林及林地利用改變將日益加劇，在自然和人為的綜合影響下，不論是對熱帶森林生物量增加持肯定立場的生態(tài)學(xué)家，或?qū)Υ顺址磳α龅纳鷳B(tài)學(xué)家，都一致認(rèn)為未來退化的熱帶森林系統(tǒng)碳匯必然轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚矗踔潦且淮笠?guī)模的碳源。因此，監(jiān)測和分析熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的碳通量變化對研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)以及全球碳的源/匯具有相當(dāng)重要的意義。

美國、加拿大、蘇聯(lián)、英國、德國、瑞典等國家先后分別進(jìn)行了森林生態(tài)系統(tǒng)的碳通量以及與全球碳循環(huán)之間的相關(guān)性研究，以區(qū)域甚至全球?yàn)橹行牡难芯烤W(wǎng)絡(luò)（FLUXNET）也迅速發(fā)展起來。高塔監(jiān)測系統(tǒng)使得森林與大氣之間的交換通量研究成為可能，隨著微氣象學(xué)原理在通量研究領(lǐng)域的應(yīng)用，森林生態(tài)系統(tǒng)的碳、水和能量通量研究也得到了快速發(fā)展（趙雙菊和張一平，2005）。截至2014 年4月，由各區(qū)域通量網(wǎng)構(gòu)成的全球通量觀測網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)擁有683個(gè)觀測站（http://fluxnet.ornl.gov [2015-01-10]）。中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)（ChinaFLUX）有超過22個(gè)森林、草地、農(nóng)田站，結(jié)合野外植被、土壤生理生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)對碳、水及能量通量進(jìn)行觀測（http://www.chinaflux.Org [2015-01-10]）。目前，ChinaFLUX有9個(gè)森林塔站，其中呼中、大興安嶺、帽兒山和長白山4個(gè)站在東北地區(qū)，代表寒溫帶的不同類型森林；江西的大崗山和千煙洲、以及云南的哀牢山3個(gè)站代表亞熱帶不同類型森林；云南的西雙版納站代表熱帶季節(jié)雨林；位于廣東省肇慶市的鼎湖山站代表南亞熱帶常綠闊葉林。鼎湖山站是北回歸線附近保存完好的南亞熱帶地帶性植被。植物種類繁多，亞熱帶植物類型為優(yōu)勢種，熱帶植物類型也有較多分布。但是嶺南地區(qū)植被種類復(fù)雜，城市或村莊周邊丘陵和坡度的再生森林分布很廣且比較典型。

珠海市位于北緯21°48′～22°27′與東經(jīng)113°03′～114°18′之間，是珠江三角洲南端的一個(gè)重要城市，位于廣東省珠江口的西南部，地勢由西北向東南傾斜，地形多樣，以平原、丘陵為主，兼有低山、灘涂等。土壤由花崗石和沙頁巖發(fā)育而成赤紅壤、三角洲沉積土、濱海沉積土和洪積土等。廣大丘陵山地的上層普遍脊薄, 有機(jī)質(zhì)含量較低, 多露石。珠海屬南亞熱帶季風(fēng)氣候（鄭景云等，2010），常受南亞熱帶季候風(fēng)侵襲，多雷雨；年平均氣溫22.3°C，最低氣溫2.5°C，年降雨量為1770～2300 mm。4～9月盛行東南季風(fēng)，為雨季，降水量占全年的85%；10月至次年3月盛行偏北季風(fēng)，為旱季。珠海大氣相對濕度較高，年平均相對濕度為79%。

珠海原生性森林已不復(fù)存在, 主要植被類型有常綠針葉林、常綠闊葉林、常綠季雨林、紅樹林、灌叢、草叢、濱海沙生植被、沼生植被和人工植被等。地帶性森林植被為常綠季雨林。灌叢是珠海市山地分布較廣的次生植被, 主要分布于山頂或人為破壞較為嚴(yán)重的低海拔山地。草叢在島嶼、海濱或山頂較為干熱的地段較為常見。人工林大都是在20世紀(jì)80年代以后才營建起來的, 主要樹種有臺(tái)灣相思、大葉相思、落羽杉和水松（莊雪影等，2010）。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，同時(shí)也是城市生態(tài)系統(tǒng)賴以維持和循環(huán)的重要條件，在珠海市這種城市快速發(fā)展、企業(yè)高度密集的區(qū)域，森林已經(jīng)成為高強(qiáng)度城市化地區(qū)生態(tài)安全體系構(gòu)建的核心成分。

珠海鳳凰山地處北回歸線以南，位于珠海市城區(qū)北面，屬沿海丘陵地區(qū)，森林植被覆蓋率達(dá)90%，植被類型為南亞熱帶常綠闊葉林群落，樹木種類繁多，天然喬木樹種主要有陰香、山烏桕、鴨腳木、小葉榕、高山榕、孔雀豆、山龍眼、猴耳環(huán)等，人工栽培的喬木樹種主要有馬尾松、濕地松、臺(tái)灣相思、大葉相思、桉樹類等。鳳凰山區(qū)林地已經(jīng)全部劃為國家級生態(tài)公益林。鳳凰山一帶地形地貌豐富多樣，山岳巒峰較多，水源充沛，溪流眾多，水土保持狀況良好，屬環(huán)境空氣一類功能區(qū)。北京師范大學(xué)珠海分校位于珠海市北端唐家灣鎮(zhèn)高新區(qū)大學(xué)園區(qū)內(nèi)，鳳凰山環(huán)繞校園四周。學(xué)校周邊主要為覆蓋森林的丘陵和坡地，是嶺南地區(qū)典型的城市或村莊周邊再生森林，我們通過考察和論證，選擇在學(xué)校西邊鳳凰山麓森林冠層較為平緩的低矮坡地建立了陸氣相互作用和碳通量的觀測鐵塔塔站和觀測系統(tǒng)，觀測到達(dá)森林冠層的太陽輻射、光合有效輻射、太陽分光輻射及其反射輻射，森林冠層與大氣間的二氧化碳通量、感熱和潛熱通量，觀測森林冠層表面和近冠層的風(fēng)、溫度、濕度和其他相關(guān)量，進(jìn)行陸氣相互作用觀測研究，以訂正已有的陸面過程參數(shù)和改進(jìn)陸面過程模式，建立陸面參數(shù)和能量的衛(wèi)星遙感模型。本文詳細(xì)介紹了該塔站的地理環(huán)境、初步的儀器布設(shè)和基本觀測，并利用已獲得的資料分析了主要觀測量的日變化特征。

2　觀測塔、觀測量和觀測儀器精度

珠海鐵塔位置的經(jīng)、緯度為22°21′15.5″N，113°31′34.2″E，海拔高度為38.5 m。具體位于珠海鳳凰山北麓北京師范大學(xué)珠海分校校園西部森林區(qū)，圖1為位置示意圖，鐵塔位置與森林邊界的最短距離為230 m，為東南偏南方向，鐵塔距森林南邊界距離為240 m。森林主要向東、北、西方向展開，鐵塔距森林東、北、西邊界的距離分別為1.2 km、1.0 km和1.1 km。塔站所在位置地表南北向有大約7°的坡度，南低北高，從森林南邊界向北，過塔站位置再向北140 m到海拔最高處。由于地形低處的森林長勢較好，森林冠層的坡度大約為5°。

由于珠海地區(qū)是臺(tái)風(fēng)登陸的一個(gè)較活躍地區(qū)，盡管我們的觀測站在鳳凰山的北麓，巍峨的鳳凰山對強(qiáng)勢的臺(tái)風(fēng)有所阻擋，但建立一個(gè)牢固可靠的鐵塔是非常必要的。我們希望建立一個(gè)長期穩(wěn)定的觀測塔站，所以拉線鐵塔也不甚適合需要。最后，我們設(shè)計(jì)了1個(gè)鋼珠單管塔（圖2a），單管塔高60 m，塔底面直徑約1.8 m，塔直徑隨高度遞減。塔體可承受瞬時(shí)風(fēng)速為70 m s?1，在風(fēng)速為40 m s?1下，塔的擺動(dòng)幅度不超過1/300，裹冰7 mm。在58.5、53.5、46、38.5、31、23.5、13.5、6.5 m高處建有共8個(gè)平臺(tái)，以便架設(shè)儀器。塔體采用圓型，平臺(tái)半徑不小于800 mm，平臺(tái)承載不小于150 kg，平臺(tái)防護(hù)圍欄高1.2m，具備安全防護(hù)措施。 在地表和每個(gè)平臺(tái)上方1.5 m處，安裝3根或2根5 m長的橫臂，具體在1.5、25和47.5 m高處有2根橫臂，分別朝向正南和正北方向，在8、15、40、55和60 m高處有3根橫臂，成120°夾角，分別朝向東南、東北和偏西方向。這些橫臂伸向塔體外，用來安裝儀器探頭，高度越高，向塔體外伸的越長。橫臂長度5 m，安裝儀器探頭的橫臂頭部距塔的中心距離為4.2 m，距塔體距離為3.3 m，是塔體底面半徑的3.7倍，塔愈高，該比例值愈大，觀測數(shù)據(jù)受塔體的影響愈小。塔的材料為鋼材，規(guī)格和型號(hào)能夠保證塔身堅(jiān)固耐用。所有鋼材經(jīng)過熱浸鋅處理，并在熱浸鋅外層進(jìn)行噴塑顏料，保證顏色耐久不脫落。珠海地區(qū)雷雨較多，鐵塔建有符合當(dāng)?shù)匾?guī)定的防雷設(shè)施。根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖鈿夂蛱攸c(diǎn)，供電方案選擇電纜加變壓器供電系統(tǒng)。

塔站下墊面（圖2b）為亞熱帶典型森林，以相思類、桉類等林和各種灌叢草坡為主，森林冠層平均高度18 m。由于立塔施工時(shí)對塔體周邊偏西偏北方向約5 m范圍，偏東偏南方向約10 m范圍內(nèi)的樹木有破壞和移除，在塔體建設(shè)完成后，我們對5～10 m范圍內(nèi)的樹木以相同的樹種進(jìn)行了移栽和補(bǔ)種，到儀器安裝完畢調(diào)試試驗(yàn)后的正常觀測期，移植和補(bǔ)種的樹木已經(jīng)有一定長勢和密度，當(dāng)然與周邊林木相比，覆蓋率和高度都仍有較大差別，估計(jì)需要1～2年時(shí)間塔體近旁樹木與周邊才能一致。我們初步架設(shè)了3套觀測系統(tǒng)，來進(jìn)行陸氣相互作用和二氧化碳通量的長期觀測，這3套系統(tǒng)分別是：

（1）氣象觀測系統(tǒng)：觀測森林冠層上、冠層內(nèi)層空氣風(fēng)速風(fēng)向、溫度、濕度；冠層表面溫度、濕度；雨量。土壤溫度、濕度，土壤熱通量。風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度和相對濕度有7層觀測，冠層中2層，分別設(shè)在8 m和15 m高度，冠層上5層，分別設(shè)在25、40、47.5、55和60 m高度。在25 m和1.5 m高度分別用紅外溫度計(jì)測量冠層表面溫度和地表溫度。土壤溫度和濕度觀測分為4層，分別在土壤5 cm、10 cm、20 cm和40 cm深處，土壤熱通量觀測分為3層，分別在土壤7.5、15和30 cm深處。雨量桶分別安裝在25 m和1.5 m高處，觀測降雨量和冠層截留后的降雨量。氣壓計(jì)安裝在約1 m高的采集箱內(nèi)，觀測地表氣壓。另外還選用TCAV型土壤熱平衡傳感器觀測土壤表層溫度。

圖1　珠海南亞熱帶森林陸氣相互作用與碳通量觀測塔位置示意圖Fig. 1　Sketch map of Zhuhai’s tower station, set up to monitor the interaction and CO2flux between land and atmosphere in the south subtropical zone

（2）通量觀測系統(tǒng)：觀測植被冠層和大氣間二氧化碳通量、感熱通量、潛熱通量、二氧化碳濃度等。按照陸氣相互作用和森林通量站的觀測規(guī)范，超聲探頭和二氧化碳/水汽分析儀的儀器探頭必須安裝在冠層上常通量層并且伸向主風(fēng)向，架設(shè)高度與風(fēng)浪區(qū)的比率確定為1:100，在下墊面均一的情況下，儀器安裝高度不應(yīng)低于冠層高度的1.5倍。范紹佳等（1998，2005）根據(jù)氣象臺(tái)站1986～1990 和1995～2000年連續(xù)5 年的常規(guī)觀測資料分別對廣東沿海地區(qū)和珠江三角洲的風(fēng)場特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)珠江三角洲地區(qū)受季風(fēng)影響顯著, 還受海陸風(fēng)、城市熱島環(huán)流、越南嶺下沉氣流等的復(fù)合影響，珠海夏季地面盛行風(fēng)向?yàn)闁|南偏南（SSW），冬季為西北偏北（NNW）。由于珠海觀測場森林冠層的平均高度為18 m，同時(shí)地表面有7°的坡度，森林冠層面的坡度雖然比地表要小，但森林冠層有較大的粗糙度，所以，我們將通量觀測系統(tǒng)的超聲探頭和二氧化碳/水汽分析儀安裝在55 m高度（為冠層高度的3.06倍），面朝155°（SSE）方向，以保證儀器探頭在常通量層內(nèi)并朝向主風(fēng)向。

圖2　珠海南亞熱帶森林陸氣相互作用與（a）碳通量觀測塔和（b）下墊面狀況圖片F(xiàn)ig. 2　Photographs of (a) Zhuhai’s tower station and (b) its underlying surface

（3）輻射觀測系統(tǒng)：觀測太陽總輻射、光合有效輻射、紫外輻射及其它們的反射輻射，向上、向下長波輻射、散射輻射。所有輻射監(jiān)測儀器朝南向安裝，架設(shè)高度比通量探頭低1層，在47.5 m高度，以保證正確觀測森林冠層面的反射太陽輻射和長波輻射。

觀測所用儀器和采集器均為目前國際上最先進(jìn)的觀測設(shè)備，風(fēng)速和風(fēng)向用美國RM Young公司的05103型風(fēng)速風(fēng)向傳感器，空氣溫度和濕度用芬蘭Vaisala公司的HMP155A型溫濕度傳感器，冠層表面溫度和地表溫度用美國Apogee儀器公司的SI-111型紅外輻射傳感器，土壤溫度和濕度分別選用美國Campbell公司的109型溫度傳感器和CS616型濕度傳感器，土壤熱通量用美國Hukseflux公司的HFP01SC型土壤熱通量板，土壤表層溫度用美國Campbell公司的TCAV型土壤熱平衡傳感器，雨量用澳大利亞Hydrological Services Pty Ltd公司的TB4MM型雨量桶，地面氣壓用芬蘭Vaisala公司的CS106型大氣壓力傳感器。能量通量、二氧化碳通量和二氧化碳/水汽密度觀測用美國Campbell公司的3維超聲CSAT3A和開路氣體分析儀EC150組成的渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)。太陽總輻射和反射輻射用荷蘭Kipp&Zonen公司的CMP21型短波輻射傳感器，光合有效輻射和反射輻射用美國Apogee儀器公司的SQ-130-L-10型光量子輻射傳感器，紫外輻射和反射輻射用荷蘭Kipp&Zonen公司的CUV5型紫外輻射表，散射輻射用英國DELTA-T公司的SPN1型日照輻射傳感器，冠層向下和向上長波輻射用荷蘭Kipp&Zonen公司的CGR 4型長波輻射傳感器。數(shù)據(jù)采集用美國Campbell公司的CR3000型數(shù)據(jù)采集器。所有儀器都是2013年或2014年出廠的新設(shè)備。表1列出了各觀測量的觀測儀器及其型號(hào)、制造商和觀測精度。氣象和輻射觀測系統(tǒng)的觀測頻率因觀測量或儀器不同有所不同，采集數(shù)據(jù)每30分鐘輸出均值或累積值。渦度相關(guān)系統(tǒng)的觀測頻率為10 Hz，采樣時(shí)間間隔為100 mSec，我們收集了高頻的原始數(shù)據(jù)，也收集了觀測程序初步訂正處理計(jì)算的30分鐘平均的通量數(shù)據(jù)。表中只給出了這些儀器最基本的參數(shù)，詳情可參考相關(guān)公司網(wǎng)站的儀器手冊。

表1　觀測儀器及其型號(hào)、制造商和觀測精度Table 1 Observation instruments and their models, manufacturers and precision levels

3　晴天主要觀測量的日變化特征

珠海亞熱帶森林陸氣相互作用與碳通量觀測塔于2014年8月底建成和安裝好儀器，在經(jīng)過9月和10月兩個(gè)月的試運(yùn)行，并檢查調(diào)試正常后，于2014年11月10日開始正式觀測。10～12月為珠海地區(qū)陰雨天氣較少、氣候宜人的黃金期，2014年11 月21日是珠海地區(qū)連續(xù)10天未下雨的一個(gè)晴好天氣，我們選擇該天為典型晴天的一個(gè)代表，來研究主要觀測量的日變化特征。前面已經(jīng)指出，立塔時(shí)施工影響了塔體5～10 m范圍內(nèi)的樹木密度和高度，盡管我們以相同的樹種進(jìn)行了移栽和補(bǔ)種，此范圍內(nèi)的樹木覆蓋率和高度比周邊要明顯偏小，需要一段時(shí)間才能一致，這對一些量值特別是反射輻射的觀測結(jié)果有一定影響，目前不宜分析計(jì)算反射率等量，但對日變化的影響應(yīng)該較小，所以我們只先分析各量值的日變化。

3.1典型晴天各輻射量的日變化特征

圖3給出2014年11月21日森林冠層凈太陽輻射量及其分量的日變化，可以看出，太陽總輻射及其反射輻射都是比較規(guī)則的，從日出前為0，漸漸升高，12 時(shí)（當(dāng)?shù)貢r(shí)間，下同）最高，然后逐漸降低，到日落后最低為0。冠層向上長波輻射白天高、夜晚低，夜晚的值基本穩(wěn)定，而白天存在峰值，最高值在14時(shí)，這與森林冠層表面溫度的變化（圖略）一致。冠層接收到的長波輻射比向上長波輻射低，白天平緩，夜晚擾動(dòng)較強(qiáng)。凈輻射白天為正值，變化與總輻射基本一致，12 時(shí)最高，表示森林接收輻射能量；夜晚為負(fù)值，是因?yàn)楣趯咏邮盏降拈L波輻射比向上長波輻射低。

圖4為太陽輻射各波段輻射量的日變化，光合有效輻射、紫外輻射及其它們的反射輻射日變化特征與總輻射（圖3）相同，光合有效輻射的量值明顯低于總輻射，中午最高值是總輻射的43.6%；紫外輻射更低，中午最高值是總輻射的4.7%。冠層反射的光合有效輻射與反射總輻射的比值比接收的光合有效輻射與總輻射的比值要小的多，冠層反射的光合有效輻射中午最高值是反射總輻射的13.7%，表明森林冠層對光合有效輻射的反射率比對總輻射的反射率明顯低；而冠層反射的紫外輻射與反射總輻射的比值比接收的紫外輻射與總輻射的比值更小，冠層反射的紫外輻射中午最高值是反射總輻射的0.74%，表明森林冠層對紫外輻射的反射率比對總輻射的反射率明顯更小。關(guān)于森林冠層對總輻射和分光輻射反射率的研究在資料充沛后將深入進(jìn)行，這里不再贅述。散射輻射也隨總輻射而變，但受天氣狀況的影響有擾動(dòng)，最高值并不在12 時(shí)，上午與下午各有一峰值，散射輻射日最高值占總輻射的33.5%。

3.2典型晴天氣溫、濕度和風(fēng)的日變化特征

氣溫、相對濕度和風(fēng)是最基本的氣象要素，對這些量都是分層觀測的，以便將來對其近地層廓線進(jìn)行深入研究。與太陽輻射的日變化相比，氣溫的最高值往往是滯后在下午的，該塔站也不例外。圖5為各層氣溫的日變化，可以看出，氣溫的日變化呈現(xiàn)單峰特征，最高值在15～16時(shí)，冠層內(nèi)8 m 和15 m的日最高溫度出現(xiàn)在15時(shí)，冠層上25 m的出現(xiàn)在15時(shí)30分，40、47.5、55和60 m的出現(xiàn)在16時(shí)，高處的最高值比低處滯后。最低值出現(xiàn)在凌晨。白天達(dá)到最高值前的氣溫是低層高于高層，達(dá)到最高值后到落日前氣溫陡然下降。夜晚的氣溫是低層低于高層。另外，在白天，冠層上40、47.5和55 m氣溫值接近，冠層內(nèi)8 m和15 m的氣溫值也很接近，氣溫隨高度變化不明顯；在夜晚，60 m高處的氣溫與47.5 m處的接近，低于55 m處的；這些微小的特征可能具有季節(jié)性，需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。相對濕度（圖6）與氣溫的日變化正好相反，是凌晨最大，14～16時(shí)最小。夜晚是低層相對偏濕，高層相對偏干；白天正好相反。

圖7為各層風(fēng)速和風(fēng)向的日變化，11月份，珠海地區(qū)開始盛行旱季的偏北季風(fēng)，在我們選擇的代表日，凌晨開始時(shí)為西北風(fēng)，后轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，從上午到下午，由東北風(fēng)轉(zhuǎn)東南風(fēng)，傍晚到夜間又從東南轉(zhuǎn)為西南風(fēng)到偏西風(fēng)，珠海地區(qū)東南為海，西北為陸，有明顯的海陸風(fēng)的作用。風(fēng)速呈現(xiàn)白天和高層高、夜晚和低層低的特征，白天的海風(fēng)較強(qiáng)，夜晚的陸風(fēng)較弱。由于森林的作用，冠層內(nèi)風(fēng)向比較雜亂，風(fēng)速明顯減弱。

3.3典型晴天森林冠層與大氣間能量和二氧化碳

交換的日變化特征

在珠海干季的11月份，森林冠層向大氣釋放的感熱和潛熱（圖8）的量值基本相當(dāng)，都是白天高，夜晚低，因?yàn)轱L(fēng)、溫、濕等因素日變化的作用，它們的變化并不平緩，有多個(gè)峰值；潛熱基本為正，僅夜晚個(gè)別時(shí)次為負(fù)值，表明森林向大氣釋放潛熱通量；感熱白天為正，夜晚基本為負(fù)，表明森林白天向大氣釋放感熱通量，夜晚大氣反而向森林輸送感熱，這是由于夜晚森林冠層上空氣的溫度高于冠層表面氣溫的緣故。圖8也給出了凈輻射的日變化（圖3中紅線），根據(jù)能量平衡特征，冠層的凈輻射主要用于感熱、潛熱和冠層表面的向下熱流。冠層表面的向下熱流沒有直接測量，需要進(jìn)一步根據(jù)土壤熱流和冠層內(nèi)其他補(bǔ)充觀測量進(jìn)行分析計(jì)算，這里不進(jìn)行它的分析研究。

圖3　2014年11月21日森林冠層凈輻射及其分量的日變化。TSR：總太陽輻射；RTSR：冠層反射的總太陽輻射；LR_UP：冠層向上長波輻射；LR_DN：天空向下的長波輻射；RN：森林冠層的凈輻射Fig. 3　Diurnal variation of net radiation and its components over the forest canopy on 21 November 2014. TSR, total solar radiation; RTSR, reflection radiation of TSR; LR_UP, upward longwave radiation; LR_DN, downward longwave radiation; RN, net radiation

圖4　2014年11月21日各波段太陽輻射量的日變化。PAR：光合有效輻射；RPAR：冠層反射的光合有效輻射；UVR：紫外輻射：RUVR：冠層反射的紫外輻射；DSR：散射輻射Fig. 4　Diurnal variation of the solar spectral radiation over the forest canopy on 21 November 2014. PAR, photosynthetically active radiation; RPAR, reflection radiation of PAR; UVR, ultraviolet radiation; RUVR, reflection radiation of UVR; DSR, diffuse solar radiation

圖5　2014年11月21日氣溫的日變化。ta_8m表示距地8 m高處的氣溫，余類推Fig. 5　Diurnal variation of air temperature on 21 November 2014. The term ta_8m indicates temperature at 8 m above the ground, and the rest may be deduced by analogy

圖6　2014年11月21日相對濕度的日變化。rh8m表示距地8 m高處的相對濕度，余類推Fig. 6　Diurnal variations of relative humidity on 21 November 2014. The term rh8m indicates relative humidity at 8 m above ground, and the rest may be deduced by analogy

圖7　2014年11月21日（a）風(fēng)速和（b）風(fēng)向的日變化。ws8m、wd8m分別表示距地8 m高處風(fēng)速、風(fēng)向，余類推Fig. 7　Diurnal variation of (a) wind speed and (b) wind direction on 21 November 2014. The terms ws8m and wd8m indicate wind speed and wind direction at 8 m above the ground, respectively, and the rest may be deduced by analogy

森林冠層向大氣釋放的二氧化碳通量（圖9）白天為負(fù)值，夜晚為正值，表明森林白天吸收二氧化碳，夜晚釋放二氧化碳。白天，森林進(jìn)行光合作用，吸收的二氧化碳在14時(shí)30分有一極大值，比光合有效輻射最強(qiáng)的12時(shí)滯后?？磥?，森林吸收的二氧化碳通量的值除光合有效輻射外，還與其他因素比如水汽密切相關(guān)，地方時(shí)14時(shí)30分空氣中水汽濃度達(dá)到最低（圖10a）。森林向大氣釋放的二氧化碳在日出后的清晨07時(shí)30分有一極大值，此時(shí)空氣中的二氧化碳濃度達(dá)到最大（圖10b），同時(shí)空氣密度也最大（圖10c）。珠海森林吸收的二氧化碳極大值達(dá)到2.7 mg m?2s?1。而這個(gè)季節(jié)北方長白山紅松針闊混交林在白天吸收的二氧化碳已很?。P(guān)德新等，2006），最大值不到0.2 mg m?2s?1。同為嶺南地區(qū)的鼎湖山常綠闊葉混交林在旱季（1月）吸收的二氧化碳極大值為0.8 mg m?2s?1（王春林等，2006）。相比之下，珠海森林吸收值偏大，但它與水汽、二氧化碳等的極值一致或相近，并非一個(gè)異常值。森林冠層與大氣間的二氧化碳通量日變化與水汽濃度、二氧化碳濃度和空氣密度的關(guān)系有待通過大量的資料來深入分析。

森林冠層上水汽濃度是夜晚高，白天低，08時(shí)和23時(shí)各有一極大值，14～16時(shí)為極小值，最小值時(shí)段與空氣相對濕度一致。二氧化碳濃度清晨日出前后最高，子夜前最低，濃度值在700～750 mg m?3之間，相當(dāng)于390～400 ppm。空氣密度是夜晚和上午高，最高值出現(xiàn)在07時(shí)30分，下午低，最低值在15～16時(shí)。

圖8　2014年11月21日到達(dá)森林冠層的凈輻射（RN）和森林冠層輸向大氣的感熱（Hs）、潛熱（LE）通量的日變化Fig. 8　Diurnal variation of the net radiation (RN), sensible heat flux (Hs) and latent heat flux (LE) over the forest canopy on 21 November 2014

圖9　2014年11月21日森林冠層輸向大氣的二氧化碳通量的日變化Fig. 9　Diurnal variation of the CO2flux over the forest canopy on 21 November 2014

3.4典型晴天森林土壤溫度和土壤熱通量的日變化特征

在森林下面土壤中我們有4層土壤溫度和土壤濕度觀測，3層土壤熱流觀測，另外還有土表溫度的觀測。由于森林冠層較高，該地區(qū)連續(xù)10天未下雨，土壤濕度（圖略）基本沒有日變化，5 cm和10 cm深土壤的體積含水量分別為13%和15%，20 cm和40 cm深土壤的體積含水量都為21%。圖11給出2014年11月21日土壤溫度（a）和土壤熱流（b）的日變化，其中表層土壤溫度由TCAV型土壤熱平衡傳感器觀測得到，可以看出，表層土壤溫度波動(dòng)較大，夜晚到上午低，下午高，最高值出現(xiàn)在16時(shí)30分。5、10和20 cm深土壤溫度與表層土壤溫度的變化特征類似，但最高值隨著土壤越深，越滯后，且日變化的振幅也隨土壤深度加深而變小。40 cm深處的土壤溫度已無日變化，是定值。40 cm深處的土壤溫度比5、10和20 cm深的值要高。這可能是由于森林密而高，森林下土壤吸收的太陽能很有限所導(dǎo)致。

表層7.5 cm和15 cm深處的土壤熱流（圖11b）的變化也是下午高，清晨低。7.5 cm深處的土壤熱流在14～21時(shí)為正，表示向土壤深處傳送熱流，其他時(shí)間為土壤向上輸送熱流。15 cm深處的土壤熱流在15～21時(shí)30分為正，特征與7.5 cm的相同，但正值的時(shí)間滯后減短。30 cm深處的土壤熱流全為負(fù)值，土壤向上輸送熱流。隨深度加深，土壤熱流的振幅變小。土壤深處熱流的來源是夏季儲(chǔ)存，還是從森林周邊平流而來，也需要進(jìn)一步觀測分才能理清。

圖10　2014年11月21日55 m高度大氣中的（a）水汽濃度、（b）二氧化碳濃度、和（c）空氣密度的日變化Fig. 10　Diurnal variation of (a) water vapor concentration, (b) CO2concentration, and (c) air density at 55 m above the ground on 21 November 2014

4　結(jié)論和討論

本文詳細(xì)介紹了珠海鳳凰山陸氣相互作用與碳通量觀測塔的地理環(huán)境、初步的儀器布設(shè)和基本觀測，并利用已獲得的資料分析了旱季典型晴天主要觀測量的日變化特征。結(jié)果表明：

（1）太陽總輻射及其分光輻射和反射輻射的日變化都是比較常規(guī)的中午最高的對稱結(jié)構(gòu)；光合有效輻射、紫外輻射的最高值分別是總輻射的43.6% 和4.7%；散射輻射隨總輻射而變，但受天氣狀況的影響有擾動(dòng)，散射輻射日最高值占總輻射的33.5%；冠層接收到的長波輻射比向上長波輻射低；凈輻射白天為正值，變化與總輻射基本一致，夜晚為負(fù)值。

（2）氣溫日變化的峰值比太陽輻射滯后，最高值在15～16時(shí)，鐵塔高處的最高值比低處滯后，最低值出現(xiàn)在凌晨；白天達(dá)到最高值前的氣溫是低層高于高層，達(dá)到最高值后到落日前氣溫陡然下降；夜晚的氣溫是低層低于高層。相對濕度與氣溫的日變化正好相反，是凌晨最大，下午最??；夜晚是低層相對偏濕，高層相對偏干；白天正好相反。11月份，珠海地區(qū)盛行旱季的偏北季風(fēng)，有明顯的海陸風(fēng)的作用；風(fēng)速呈現(xiàn)白天和高層高、夜晚和低層低的特征，白天的海風(fēng)較強(qiáng)，夜晚的陸風(fēng)較弱。

圖11　2014年11月21日（a）土壤溫度和（b）土壤熱流的日變化。t_surface表示森林冠層下的土壤表面溫度；t_soil-5cm表示5 cm深處的土壤溫度，G7.5cm表示7.5 cm深處的土壤熱流，余類推。土壤熱流正值表示方向向下Fig. 11　Diurnal variation of (a) soil temperature and (b) soil heat fluxes on 21 November 2014. The term t_surface indicates surface soil temperature under the forest, t_soil-5cm indicates soil temperature at 5 cm underground, G7.5cm indicates soil heat flux at 7.5 cm underground, and the rest may be deduced by analogy. The positive values of soil heat fluxes indicate the transport direction is downward

（3）森林冠層向大氣釋放的感熱和潛熱的量值基本相當(dāng)，它們的變化并不平緩，有多個(gè)峰值；潛熱基本為正；感熱白天為正，夜晚基本為負(fù)，原因是夜晚冠層的氣溫低于上層的空氣溫度。森林冠層向大氣釋放的二氧化碳通量白天為負(fù)值，夜晚為正值。白天，森林進(jìn)行光合作用，吸收的二氧化碳的最高值出現(xiàn)在午后，此時(shí)空氣中水汽濃度達(dá)到最低；森林冠層向大氣釋放的二氧化碳在日出后的清晨最大，此時(shí)空氣中的二氧化碳濃度達(dá)到最大，同時(shí)空氣密度也最大。

（4）由于森林冠層高、密度大，土壤濕度基本沒有日變化。表層和淺層土壤溫度夜晚到上午低，下午高，最高值出現(xiàn)時(shí)間隨著土壤越深，越滯后，日變化的振幅隨土壤深度加深而變小。表層土壤熱流的變化是下午高，清晨低；隨深度加深，土壤熱流的振幅變小。

（5）本文還發(fā)現(xiàn)了一些值得深入探討的現(xiàn)象，例如森林冠層對光合有效輻射、紫外輻射的反射率比對總輻射的反射率都明顯低，白天冠層上空氣氣溫梯度小，深層土壤溫度比表層高，土壤熱流無論白天夜晚都向上輸送，森林吸收的二氧化碳極值偏高等，需要以后根據(jù)充沛的資料分析論證。

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Basic Observations and Diurnal Variation of Key Meteorological Variables on Clear Days in the Phoenix Mountain Area of Zhuhai

WEI Zhigang1, 2, HU Jiacong2, DONG Wenjie1, 2, CHEN Guangju1, 2, WU Zhongkui2, WEI Xin2, ZHENG Zhiyuan1, 2, WEN Xiaohang2, SHI Wen2, XING Fei2, and ZHANG Zhiguo2
1 State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875
2 Future Earth Research Institute, Beijing Normal University, Zhuhai 519087

Zhuhai’s Phoenix Mountain, where the forest vegetation coverage rate has reached 90%, is located just south of the tropic of cancer. The vegetation type is evergreen broadleaf forest, which represents the typical secondary forest type around cities and villages in Linnan in the south subtropical zone. A tower station for monitoring the interaction andCO2flux between land and atmosphere has been built in the forest land at the foot of Phoenix Mountain. In this paper, the geographical environment, instruments and basic observations of this tower station are introduced in detail. The diurnal variations of key meteorological variables on a typical clear day in the dry season are analyzed. For total and spectral radiation and their reflection radiation values, results reveal a conventional symmetric structure, with the highest values at noon. Downward longwave radiation is lower than upward longwave radiation for the forest canopy. The peak value of air temperature lags that of solar radiation. The air temperature is lower in the upper layer than in the lower layer before its maximum; and then, after decreasing precipitously from this maximum to sunset during the day, it is lower in the lower layer than in the upper layer at night. For relative humidity, the maximum occurs in the early hours of the morning and the minimum occurs in the afternoon. The air is relatively wet in the lower layer at night, and vice versa during the day. In November, Zhuhai experiences a mainly northerly-blowing monsoon. The land and sea breezes play an obvious role, with the sea breeze being strong and the land breeze weak. The sensible heat fluxes are similar to the latent heat fluxes over the forest canopy, with the latter being basically positive. The sensible heat fluxes are positive during the day and negative at night. The maximum CO2uptake by the forest canopy occurs in the afternoon, when the water vapor concentration is smallest. The maximum CO2emission by the forest canopy occurs in the morning, after sunrise, when the CO2concentration and air density are largest. The soil moisture content is almost constant in the same layer under tall and dense forest. The amplitudes of surface soil temperatures become smaller with soil depth. The soil heat flux is stronger in the afternoon and weaker in the morning. Some of the phenomena revealed in this paper should be analyzed and verified in future work as the datasets of these variables grow.

CO2flux, Interaction between land and atmosphere, South subtropical zone, Evergreen broadleaf forest, Diurnal variation

Funded byNational High-Tech R&D Program of China (863 Program, Grant 2013AA122003), National Important Project on Science (Grant 2014CB953903)

碳通量陸氣相互作用南亞熱帶常綠闊葉林日變化

1006-9895(2016)02-0423-14

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1503.15111

2015-01-16；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-03-11

韋志剛，男，1966年出生，教授，理學(xué)博士，主要從事陸氣相互作用和氣候動(dòng)力學(xué)的研究工作。E-mail: wzg@bnu.edu.cn

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目2013AA122003，國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目2014CB953903