洱海湖气界面水汽和二氧化碳通量交换特征

中国科学:地球科学2014年第44卷第11期:2527~2539中文引用格式:刘辉志,冯健武,孙绩华,等.2014.洱海湖气界面水汽和二氧化碳通量交换特征.中国科学:地球科学,44:2527–2539英文引用格式:LiuHZ,FengJW,SunJH,etal.2014.EddycovariancemeasurementsofwatervaporandCO2fluxesabovetheErhaiLake.ScienceChina:EarthSciences,doi:10.1007/s11430-014-4828-1SCIENCECHINAPRESS论文洱海湖气界面水汽和二氧化碳通量交换特征刘辉志①*,冯健武①,孙绩华②,王雷①,徐安伦③①中国科学院大气物理研究所大气边界层和大气化学国家重点实验室,北京100029;②云南省气象科学研究所,昆明650034;③大理国家气候观象台,大理671003*E-mail:[e-mail]收稿日期:2013-12-13;接受日期:2014-05-30;网络版发表日期:2014-10-28国家自然科学基金项目(批准号:41030106,41021004)和国家重点基础研究发展计划项目(编号:2010CB951801)资助摘要基于2012年涡动相关法取得的洱海湖气之间湍流通量资料,计算了湖面反照率、空气动力学粗糙度和整体输送系数等湖气交换过程的基本物理参数;分析高原湖泊表面动量通量、感热通量、潜热通量和二氧化碳通量的变化特征及其主要的控制因子;采用神经网络法对缺失蒸发量数据进行填补,估算了洱海湖面全年蒸发量.2012年全年蒸发量为(1165±15)mm,大于年实际降水量(2012年的年降水量为818mm).洱海局地环流在全年范围内较显著;全年主导风向为东南(谷风/湖风)和西北风(山风/陆风).高原湖泊感热通量通常只有每平方米几十瓦,通常午后感热通量为负值;即湖面向大气输送热量.夏季湖泊大气界面感热通量最大值出现在清晨,与湖气温差的出现时间一致;在白天湖面的有效能量主要分配为潜热通量;湖气温差和水汽压差分别是感热通量和潜热通量日变化的主要控制因子.湖气界面二氧化碳通量除夏季存在弱的吸收外,其余季节(冬季)表现为弱的排放.湖面反照率的季节变化规律与太阳高度角的季节变动有关,同时湖面反照率与水的浑浊度等有关.与实际观测得到的湖面反照率相比,CLM4湖泊模式在冬季低估(夏季高估)了湖面反照率.关键词洱海湖面通量涡动相关法粗糙度整体输送系数湖泊-大气相互作用是气候系统多圈层相互作用的一个重要组成部分.随着数值模式分辨率的提高,湖泊下垫面对天气和气候模拟的影响不可忽略(任晓倩等,2013).湖泊通过其自身物理属性(相对周边区域反照率较低、热容量较大、表面粗糙度较小等)对区域性气候产生重要的影响(Bonan,1995;Long等,2007;Dutra等,2010;Subin等,2012).数值模拟和观测资料表明,湖泊的存在使得所在区域气温日、季节变化幅度减少(Samuelsson和Tjernström,2001).在日尺度上,湖泊在白天具有良好的降温作用,表现出冷湖效应,而在夜晚则具有保温作用,表现为明显的暖湖效应(杨显玉和文军,2012).在季节尺度上,春、夏季湖面温度相对周边环境温度较低,湖气之间热量交换(感热通量和潜热通量)受到抑制(Lofgren,1997;Rouse等,2008;Dutra等,2010).对于深湖,在秋、冬季湖面温度相对周边环境温度较高并开始释放热量,湖气之间热交换强度增加(Lofgren,1997;Long等,2007;Samuelsson和Tjernström,2001).另一方面,气刘辉志等:洱海湖气界面水汽和二氧化碳通量交换特征2528候变化也会使得湖泊的物理、化学属性发生改变.气候变暖则会改变湖泊水体的混合过程,导致湖水热存储过程发生变化,从而影响湖泊的蒸发以及与大气的能量交换(Oswald和Rouse,2004).气候变化导致蒸发量和降水量平衡关系的改变,也会改变湖泊的面积和深度(Schindler,2009;Small等,2001).湖泊生态系统是气候变化的一个重要指示器(Adrian等,2009).据统计,全球不同大小的湖泊共3.04亿个,面积共460万平方公里,约占地球陆地面积的4%(Downing等,2006).近年来,国外湖泊-大气相互作用研究主要集中在高纬度地区,例如北美五大湖、瑞士日内瓦湖等湖泊的能量和水分循环、碳交换特征等研究.我国是一个多湖的国家,面积1km2以上的湖泊2693个(Ma等,2010).与上述西方科学家关注的大湖相比,我国湖泊的深度要小得多,例如鄱阳湖平均深度只有8.4m,青海湖平均深度21m,洱海平均深度10m.国内开展湖泊-大气相互作用研究主要集中在面积较大的湖泊,例如中国科学院青藏高原研究所在纳木错湖(李茂善等,2008)、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在鄂陵湖(李照国等,2012)、南京信息工程大学在太湖(肖薇等,2012)等开展湖泊-大气相互作用研究.然而,到目前为止,我们对低纬度地区高原湖泊下垫面湖气相互作用过程还缺乏系统长期的观测和交换机制的深刻认识.湖泊在陆面与大气进行水汽和能量交换的过程中扮演着重要的角色.湖面与大气的湍流交换主要取决于湖泊的热量存储和湖水的热力学结构(Schertzer,1997).由于水的热容量较大,湖泊可以存储大量的热量并将这些热量与大气进行交换,在不同的季节表现出不同的交换特征(Blanken等,2000;Schertzer等,2000;Spence等,2003;Rouse等,2003,2008;Oswald和Rouse,2004;Nordbo等,2011).湖面-大气之间的感热通量主要取决于湖面与大气的温度差,而潜热通量主要取决于饱和水汽压差和风速(Blanken等,2000;Nordbo等,2011).湖水的热力学结构(包括湖水热力分层范围和温跃层的深度)影响到湖泊对大气强迫的响应和存储热量的能力(Oswald和Rouse,2004).我国大部分湖泊所处的纬度相对较低,深度相对较浅,对大气变化的响应更快捷.由于湖面上固定观测平台的建立较困难,目前对湖气界面物质和能量交换特征的直接观测研究还处于起步阶段.洱海位于云南省西部的大理市,南北长约42.6km,东西最大宽度9.0km,湖面面积256.5km2,平均湖深10m,最大湖深达20.7m.洱海属澜沧江水系,湖水终年不结冰,水源丰富,入湖河溪大小共117条,湖水从西洱河流出,与漾江汇合流入澜沧江.湖区处于云贵高原与横断山脉南端结合部,青藏高原的东南边缘地区,地形地貌复杂,地势高差较大,气候属典型的高原季风气候类型.在与云南省气象科学研究所以及大理国家气候观象台的合作下,中国科学院大气物理研究所于2011年6月在洱海湖面建立了一个湖泊大气间湍流通量长期观测实验站(下文简称洱海站).观测实验利用中日合作JICA项目(Xu等,2008;Zhang等,2012)建立的固定于湖面上的观测平台,采用涡动相关法一年四季连续观测湖面水汽和二氧化碳通量.本文利用2012年在洱海湖面获取的涡动相关观测资料,分析洱海湖面-大气之间的湍流通量的变化特征、湖气相互作用过程的基本物理参数以及估算洱海的蒸发量,试图揭示湖泊-大气间水汽和能量交换特征及其主要控制因子,为高原浅小湖泊模式的发展和改进提供基础数据.1观测场地和仪器洱海水汽和二氧化碳通量观测站(以下简称洱海站)位于洱海西岸大理市磻溪村附近的湖面之上(25°46′N,100°10′E),海拔高度为1978m.洱海东临玉案山,西及点苍山,呈南北走向.洱海站正处于两山之间的狭长峡谷之中(图1).观测站的西侧岸为低矮房屋组成的小村庄.村庄往西为大片的农田,主要种植水稻,地势非常平坦.观测站距离西侧的点苍山约5km.观测站的东侧为开阔的湖泊水域,距离东岸的玉案山约6km.观测站以一个距岸约70m、直径约2m的水泥平台作为观测平台(图1).平台与水面的平均距离约1.5m,并随着洱海水位的变化而变化,变化范围为1~2m.涡动相关系统主要由超声风速温度仪(CSAT3,CampbellScientific)和开路式的CO2/H2O气体分析仪(IRGA,LI-7500A,Li-Cor)组成,并对IRGA每6个月进行一次标定.仪器探头安装在距平台2m高度处的钢管之上,并指向主导风方向(东南).观测项目还包括一层风速风向(2m(与平台的距离,下文中国科学:地球科学2014年第44卷第11期2529图1洱海水汽和二氧化碳通量水上观测平台图相同),034B,MetOne)及温湿度(1.5m,HMPC45,Vaisala)、辐射四分量(向下和向上短波辐射、向下和向上长波辐射,1.5m,CNR1,Kipp和Zonen)、光合有效辐射(向下和向上光合有效辐射,1.5m,LI-190SB,CampbellScientific)、红外水面温度(1.5m,SI-111,CampbellScientific)以及水温廓线(水面以下5,20,50,1,2,4,6,8m,109-L,CampbellScientific).水温测量线系在浮标之上,并随着水位的变化上升或下降,以确保每层探头距离水面的位置基本上不变.湍流数据的采样频率为10Hz,平均场(慢响应)采样频率为1min,采用CR3000(CampbellScientific)数据采集器.水温数据采样频率为1min,采用CR1000(CampbellScientific)数据采集器.整套观测系统采用交流电转直流电的方式供电,并通过水底电缆传输至仪器.该实验利用GPRS通讯模块对观测系统进行远程监控,并且每月将原始数据取回实验室作进一步的分析.2数据处理方法2.1原始资料后处理和质量控制10Hz湍流原始资料采用EddyPro(Li-CorInc.,2013)软件进行后处理,采用30min的平均时间.首先,剔除采样时段内由于仪器故障、天气影响等因素造成明显超出合理范围的野点(Vickers和Mahrt,1997).其次,对处理后的资料进行二次坐标轴旋转(Kaimal和Finnigan,1994),利用涡动相关法计算湍流通量:2*,u(1),pHCwT(2),LEwq(3),cFwc(4)式中,,H,LE和Fc分别为动量通量(kgm1s2)、感热通量(Wm2)、潜热通量(Wm2)和CO2通量(μmolm2s1);ρ为空气密度(kgm3);Cp为定压比热,取为1004Jkg1K1;λ为汽化潜热,取为2440kJkg1.然后,对湍流通量进行频率订正(Moore,1986)、WPL订正(Webb等,1980).最后,利用Foken等(2004)提出的方法进行资料质量控制,包括物理上的合理范围检验、湍流平稳性检验和湍流发展充分性检验.基于解析解模型的印痕分析(footprintanalysis,Kormann和Meixner,2001)结果表明,来自东面扇区的通量印痕累积至90%的距离在稳定和不稳定情况下分别为872和446m,来自西扇区的结果分别为307和209m.由于观测平台离岸较近,来自西扇区的通量受到陆地的影响,因此本文在数据分析时过滤了西扇区的通量结果(图2).刘辉志等:洱海湖气界面水汽和二氧化碳通量交换特征2530图2洱海站2012年全年平均累积通量印痕图(a)东扇区(0°~180°,湖面),(b)西扇区(180°~360°,陆地)2.2粗糙度和整体输送系数空气动力学粗糙度z0可由涡动相关资料计算获得(陈家宜等,1993).在近地面层,含层结修正函数的风速廓线可表示为*0()ln(),muzuzkz(5)式中,u为水平风速(ms1),z0为空气动力学粗糙度(m),()m为稳定度修正函数,/zL为稳定度因子,湖面