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渦度相關(guān)通量介紹與數(shù)據(jù)處理方法

點(diǎn)擊次數(shù):466 發(fā)布時(shí)間:2025-05-23

1       什么是渦度相關(guān)通量(Eddy Covariance Flux)?

能量流動(dòng)與物質(zhì)循環(huán)是地圈、生物圈與大氣圈相互作用的重要紐帶,也是生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容之一。渦度相關(guān)通量技術(shù)(Eddy Covariance, EC)是一種基于微氣象原理的觀測(cè)方法,通過測(cè)量垂直風(fēng)速與氣體濃度的瞬時(shí)變化,估算陸氣界面物質(zhì)(如CO?、水汽)與能量的交換通量。該方法通過計(jì)算垂直風(fēng)速與氣體或能量脈動(dòng)的協(xié)方差,能夠直接獲取植被冠層與大氣之間的能量和物質(zhì)交換,是目前國際上廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)通量觀測(cè)方法。相較于傳統(tǒng)的通量估算方法,渦度相關(guān)技術(shù)具有以下顯著優(yōu)勢(shì):

  1. 整合性強(qiáng):所測(cè)得的通量反映了整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的凈交換總量。例如,對(duì)CO?的觀測(cè)結(jié)果即為光合作用吸收與呼吸釋放的合成值,即凈生態(tài)系統(tǒng)交換量(NEE)。

  2. 時(shí)間連續(xù)性好:可實(shí)現(xiàn)全天候、全年無間斷的自動(dòng)化監(jiān)測(cè),提供從分鐘、小時(shí)到日、月、年及年際等多時(shí)間尺度上的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

  3. 空間代表性強(qiáng):通量塔的感應(yīng)面積"可覆蓋數(shù)百平方米至數(shù)平方千米,遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的小尺度測(cè)量方式。

隨著該技術(shù)在全球碳水循環(huán)研究中的廣泛應(yīng)用,長期、連續(xù)的渦度通量觀測(cè)正為以下研究提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持與機(jī)理理解:生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力評(píng)估、水分與能量平衡分析、生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)反饋、區(qū)域與全球尺度模型的優(yōu)化與驗(yàn)證、以及氣候事件對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響。通過單點(diǎn)長期觀測(cè),可明確不同氣候區(qū)與植被類型下的碳水通量強(qiáng)度基線及其季節(jié)性與年際變異特征;而多站點(diǎn)的聯(lián)網(wǎng)觀測(cè),則有助于揭示生態(tài)系統(tǒng)碳通量在區(qū)域與全球尺度的空間變異規(guī)律,進(jìn)一步探討溫度和降水等氣候因子在區(qū)域尺度上對(duì)碳通量格局的生物地理控制機(jī)制。渦度相關(guān)技術(shù)的原理與應(yīng)用可參考以下文章:



陳世蘋游翠海胡中民陳智張雷明, & 王秋鳳. (2020). 渦度相關(guān)技術(shù)及其在陸地生態(tài)系統(tǒng)通量研究中的應(yīng)用植物生態(tài)學(xué)報(bào), 44(4), 291-304.
祁亞輝, & 王小丹. (2023). 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇——基于渦度協(xié)方差測(cè)定生態(tài)學(xué)報(bào), 43(8), 2979-2994.
渦度相關(guān)技術(shù)通量觀測(cè)示意圖



渦度相關(guān)技術(shù)通量觀測(cè)示意圖(CO2通量觀測(cè)為例)(來源:陳世蘋等,2020

2       渦度相關(guān)通量數(shù)據(jù)處理方法

通量數(shù)據(jù)處理一般遵循以下步驟:

1) 原始數(shù)據(jù)質(zhì)量控制(如去除異常值、儀器錯(cuò)誤)。

2) 通量計(jì)算與坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。

3) 通量修正

WPL 修正:考慮密度波動(dòng)引起的誤差

頻率響應(yīng)修正:補(bǔ)償儀器對(duì)高頻/低頻信號(hào)的衰減

u* 過濾:去除低湍流條件下的數(shù)據(jù)

4) 數(shù)據(jù)插補(bǔ)與間隙填補(bǔ)

5) 年尺度的GPP、Re、NEE推算。主要包括基于夜間NEE與溫度回歸,或者晝夜分割方法等。


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