長(zhǎng)江口九段沙鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)通量貢獻(xiàn)區(qū)分析

陳梓涵 黃穎 唐劍武 田波

摘要：通量貢獻(xiàn)區(qū)分析是基于渦度協(xié)方差法進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)碳、水、熱通量交換研究的必要環(huán)節(jié)。根據(jù)研究區(qū)渦度通量塔上連續(xù)觀測(cè)的2018年全年通量數(shù)據(jù)，基于FSAM（FluxSourceAreaModel）對(duì)長(zhǎng)江口九段沙鹽沼濕地蘆葦生態(tài)系統(tǒng)在不同季節(jié)、風(fēng)向及大氣層結(jié)狀態(tài)下的通量貢獻(xiàn)區(qū)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：①不同季節(jié)通量貢獻(xiàn)區(qū)各不相同，在大氣穩(wěn)定狀態(tài)下，通量貢獻(xiàn)區(qū)的大小關(guān)系為秋季>夏季>春季>冬季;在大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下，通量貢獻(xiàn)區(qū)季節(jié)變化不明顯;通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍有明顯的晝夜變化特征，夜間通量貢獻(xiàn)區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)距離大于白天。②非主風(fēng)向上迎風(fēng)向通量貢獻(xiàn)區(qū)的范圍大于主風(fēng)向上迎風(fēng)向通量貢獻(xiàn)區(qū)的范圍。③各風(fēng)向上，大氣穩(wěn)定狀態(tài)下通量貢獻(xiàn)區(qū)及其峰值所在位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離均大于大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下其對(duì)應(yīng)的距離。

關(guān)鍵詞：九段沙;渦度協(xié)方差技術(shù);FSAM;通量貢獻(xiàn)區(qū)分析

中圖分類號(hào)：P933文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.02.005

FluxfootprintanalysisofasaltmarshecosystemintheJiuduanshaShoalsoftheChangjiangEstuary

CHENZihan1，HUANGYing1，2，TANGJianwu1，2，3，TIANBo1，2，SHENFang1， WUPengfei4， YUANQing1，ZHOUCheng1， WANGJiangtao2，3

（1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200241，China;

2.YangtzeDeltaEstuarineWetlandEcosystemObservationandResearchStation，MinistryofEducation&ShanghaiScienceandTechnologyCommittee，Shanghai200241，China;

3.InstituteofEco-Chongming，Shanghai202162，China;

4.ShanghaiJiuduanshaWetlandNatureReserveAdministration，Shanghai200136，China）

Abstract：Fluxfootprintanalysisisanimportantstepinstudyingthecarbon，watervapor，andheatfluxexchangeofland-atmosphereinteractionsbasedontheeddycovariance（EC）method.Inthisresearch，weusedthefluxsourceareamodel（FSAM）toinvestigateseasonalfluxfootprintswithdifferentwinddirectionsandatmosphericconditionsonthebasisofhalf-hourlyECmeasurementsthroughout2018.Theresultsshowedthat：①Thefluxfootprintareachangeswiththeseasons.Thelargestfluxfootprintarea，orderedhighesttolowest，wasfoundinautumn，summer，spring，andwinterunderstablestratification;meanwhile，underunstablestratification，thefluxfootprintareadidnotchangesignificantlybetweenseasons.Thedailyvariationinthefootprint，moreover，wasobviousandthefootprintwasfoundtobelargercomparativelyatnighttimethanthatobservedduringthedaytime.②Thefluxsourceareaundernon-prevailingwindconditionswaslargerthanthatundertheprevailingwindcondition.③Thefluxsourceareawasmuchlargerunderstablestratification.Thedistancebetweenthelocationofthemaximumvalueofthefluxfootprintandthestationwasalsofoundtobemuchlargerunderstablestratification.

Keywords：JiuduanshaShoals;eddycovariancetechnique;FSAM;footprintanalysis

0引言

渦度協(xié)方差技術(shù)是通過(guò)高頻觀測(cè)垂直風(fēng)速及大氣中痕量物質(zhì)濃度的變化，最終計(jì)算垂直風(fēng)速與大氣中痕量物質(zhì)濃度的協(xié)方差，從而量化地表與大氣之間物質(zhì)通量的方法，它是一種基于微氣象原理的非破壞性測(cè)定技術(shù)[1-2].與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法相比，渦度協(xié)方差法可以對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)、長(zhǎng)期、連續(xù)的通量觀測(cè)，對(duì)深入了解生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)過(guò)程及其對(duì)環(huán)境因子的反饋機(jī)制，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯能力，以及明確生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的物質(zhì)和能量交換特征等具有重要的意義[3].渦度協(xié)方差法是目前國(guó)際上直接測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)與大氣間物質(zhì)和能量通量的標(biāo)準(zhǔn)方法，已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)學(xué)研究中，成為生態(tài)系統(tǒng)尺度碳水交換通量觀測(cè)的主要技術(shù)。

利用渦度協(xié)方差法準(zhǔn)確測(cè)量碳水通量的假設(shè)前提是下墊面均一、大氣穩(wěn)定條件及垂直風(fēng)速為零[4]，然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不可避免地會(huì)受下墊面的復(fù)雜程度、地形、風(fēng)速風(fēng)向及儀器觀測(cè)高度等因素影響，儀器觀測(cè)到的是周圍某一下墊面的過(guò)程[5-6]，因此，通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間代表性成為碳水通量研究中的一個(gè)重要的問(wèn)題，“通量貢獻(xiàn)區(qū)定量估算是研究生態(tài)系統(tǒng)尺度碳水交換通量及其對(duì)環(huán)境響應(yīng)的必要步驟[7]。通量貢獻(xiàn)區(qū)是指近地面層某一點(diǎn)觀測(cè)到的對(duì)湍流交換過(guò)程有貢獻(xiàn)的有效源（匯）區(qū)，即某一點(diǎn)的觀測(cè)值能代表多大實(shí)際下墊面的通量情況，也就是空間代表性問(wèn)題[8]。通過(guò)通量貢獻(xiàn)區(qū)分析將觀測(cè)所得的區(qū)域進(jìn)行空間定量化，進(jìn)而評(píng)價(jià)通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間代表性[9]。通量貢獻(xiàn)區(qū)分析是正確理解碳水通量數(shù)據(jù)生態(tài)學(xué)意義的基礎(chǔ)[10]。此外，通量貢獻(xiàn)區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果還可以廣泛應(yīng)用到通量數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)、觀測(cè)點(diǎn)選址及能量閉合評(píng)價(jià)等研究中[11]。

近十年，生態(tài)學(xué)家和氣象學(xué)家提出了多種估算通量貢獻(xiàn)區(qū)的模型，目前大致可以分為以下4類：通量解析模型（AnalyticalModel）、拉格朗日隨機(jī)擴(kuò)散模型（LagrangianStochasticSimulation）、大渦模擬模型（LES-basedSimulation）及總體平均閉合模型（Ensemble-averageClosureModel）[12-15]。其中FSAM（FluxSourceAreaModel）是基于二維平流擴(kuò)散的解析模型[16]，因其數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)單、運(yùn)行方式較為簡(jiǎn)便，且考慮了二維下墊面的不均勻性，已得到廣泛應(yīng)用[17]。魏遠(yuǎn)等[18]利用FSAM分析了岳陽(yáng)地區(qū)美洲黑楊人工林通量觀測(cè)源區(qū)，周梅等[19]運(yùn)用FSAM對(duì)城郊草地通量貢獻(xiàn)區(qū)進(jìn)行了分析。

九段沙地處長(zhǎng)江入海口，是目前長(zhǎng)江口最年輕、最靠近外海的河口沙洲，潮汐作用影響較強(qiáng)。作為長(zhǎng)江口迅速發(fā)育形成的新生鹽沼生態(tài)系統(tǒng)，九段沙具有強(qiáng)大的固碳潛力，對(duì)沿海經(jīng)濟(jì)帶發(fā)揮著重要的生態(tài)服務(wù)功能和價(jià)值[20]。九段沙大部分區(qū)域的植被演替都在自然狀況下進(jìn)行，具有與其他濕地不同的地形、風(fēng)速、湍流運(yùn)動(dòng)及植被生長(zhǎng)狀態(tài)，是天然濕地的代表。研究九段沙碳收支及其控制機(jī)制，可成為生態(tài)修復(fù)性濕地的參照。本文運(yùn)用FSAM，對(duì)九段沙濕地在不同大氣層結(jié)條件下，不同季節(jié)、不同風(fēng)向上的通量貢獻(xiàn)區(qū)特征進(jìn)行分析，以期為九段沙濕地生態(tài)系統(tǒng)碳通量數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指導(dǎo)、碳匯功能評(píng)估等提供科學(xué)支撐。

1研究區(qū)域概況

九段沙濕地位于長(zhǎng)江口南港南北槽之間，由上沙、中沙、下沙、江亞南沙及附近淺水水域組成[21]。九段沙屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，受大陸性氣候和海洋性氣候雙重影響。九段沙附近屬非正規(guī)半日淺海潮[22]。研究區(qū)域位于九段沙上沙，通量觀測(cè)站點(diǎn)設(shè)在圖1所示位置（31°12′47″N，121°54′25″E）。基于觀測(cè)得到的氣象數(shù)據(jù)，在2018年間，研究區(qū)域夏季盛行西南風(fēng)，冬季盛行東北風(fēng)，年平均風(fēng)速為3.8m/s，年平均氣溫為17.6℃，年降雨量為970.3mm，年均相對(duì)濕度為78.6%。研究區(qū)域下墊面平坦，植被類型均一，以觀測(cè)塔為中心1000m范圍內(nèi)主要植被類型為蘆葦（Phragmitesaustralis），全年平均冠層高度為2.5m，且植被生長(zhǎng)無(wú)人類干擾。本文選取了2018年1月1日至2018年12月31日共12個(gè)月的通量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行通量貢獻(xiàn)區(qū)分析。

2研究方法

2.1渦度相關(guān)通量觀測(cè)系統(tǒng)

九段沙上沙通量觀測(cè)塔站于2017年下半年建成，塔高14m，探頭安裝在距地面10m處。九段沙濕地通量觀測(cè)系統(tǒng)包括開(kāi)路式渦度相關(guān)系統(tǒng)和生物氣象輔助系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)CO2交換和生物氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)的定位觀測(cè)。觀測(cè)塔上架設(shè)有開(kāi)路式CO2/H2O分析儀（LI-7500A，LI-CORInc。，USA）、三維超聲風(fēng)速儀（WindMaster，GillInstrumentsLtd，UK），安裝在距地面以上10m處，觀測(cè)二氧化碳、水汽濃度及三維風(fēng)速等。翻斗式雨量桶（TE-525M，TexasElectronics，Texas，USA）及大氣溫濕度傳感器（HMP155，VaisalaHelsinki，F(xiàn)inland）安裝在距地面8m高度處，分別觀測(cè)降雨量及大氣溫度、濕度。四分量?jī)糨椛鋫鞲衅鳎╢ourcomponentCNR4，Delft，Holland）、光合有效輻射傳感器（LI-190R，LI-CORInc。，USA）、太陽(yáng)總輻射傳感器（LI-200R，LI-CORInc。，USA）安裝在距地面6m高度處，用來(lái)監(jiān)測(cè)凈輻射值、總輻射值及光合有效輻射值等。土壤熱通量板（HuksefluxHFP01，Hukseflux，Delft，Holland）和土壤水分傳感器（StevensHydraProbeII，F(xiàn)ondriestEnvironmentalInc。，USA）各3層分別置于土壤深度為5cm、10cm、15cm位置處，測(cè)量對(duì)應(yīng)深度處的土壤熱通量及溫濕度。原始數(shù)據(jù)的采樣頻率為10Hz，每30min輸出一組平均值。

2.2通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

觀測(cè)站獲取的原始通量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理才能分析使用，包括二次坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)、除趨勢(shì)修正、WPL（空氣密度）校正、超虛溫校正、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、頻譜損失修正及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)記等，上述計(jì)算與校正均在LI-COR公司開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件Eddypro7.0.4上處理完成。同時(shí)，本研究在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制，主要包括：①剔除質(zhì)量控制QC為“2”的通量數(shù)據(jù)。②剔除降雨前后30min的數(shù)據(jù)。降雨會(huì)干擾儀器的響應(yīng)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不正確或不合理。③通量閾值去除。超出一定通量閾值的數(shù)據(jù)缺乏代表性。④剔除夜間NEE值為負(fù)值的數(shù)據(jù)。夜間生態(tài)系統(tǒng)的碳收支總體表現(xiàn)為碳的釋放。⑤去除夜間摩擦風(fēng)速u*<0.15m/s的通量數(shù)據(jù)。風(fēng)速較小時(shí)湍流混合不充分，不能真實(shí)地反映下墊面地氣交換。基于以上數(shù)據(jù)質(zhì)量控制原則，本文保留了65.3%左右的數(shù)據(jù)用于進(jìn)行通量貢獻(xiàn)區(qū)分析，一般來(lái)說(shuō)，剔除率低于50%的數(shù)據(jù)即具有代表性[23]。

2.3FSAM基本原理

FSAM是Schmid[5]在Horst[15]理論的基礎(chǔ)上建立的關(guān)于二維平流擴(kuò)散的解析模型。通量貢獻(xiàn)區(qū)函數(shù)是基于Zm/Z0、Zm/L、sy/u*這3個(gè)輸入?yún)?shù)的復(fù)合函數(shù)，其中Zm、Z0、L、sy、u*對(duì)應(yīng)的含義分別是有效高度、空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度、Monin-Obukhov長(zhǎng)度、橫向風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差、摩擦風(fēng)速。

2.4模型輸入?yún)?shù)

（1）Zm/Z0，Zm=Z–d，式中，Z0為空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，Z為渦度觀測(cè)的高度，d為零平面位移。本實(shí)驗(yàn)中Z為10m;d可根據(jù)Grimmond等[24]發(fā)現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)公式d=2h/3計(jì)算得出，其中h為平均冠層高度，本實(shí)驗(yàn)中h取值2.5m.Z0可以根據(jù)Campell[25]提出的經(jīng)驗(yàn)公式Z0=0.13h計(jì)算得出，Z0=0.325m。計(jì)算得出，Zm/Z0=25.63.

（2）Zm/L，其中Monin-Obukhov長(zhǎng)度L值可利用Eddypro7.0.4根據(jù)不同季節(jié)、大氣層結(jié)狀態(tài)及風(fēng)速風(fēng)向條件下的數(shù)據(jù)來(lái)獲得，進(jìn)而計(jì)算得到參數(shù)Zm/L。

（3）σy/u*，其中摩擦風(fēng)速u*和橫向風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差σy均可由Eddypro7.0.4計(jì)算得到。

2.5通量貢獻(xiàn)區(qū)計(jì)算

本文使用由Klujn[26]等人基于FSAM開(kāi)發(fā)的二維足跡預(yù)測(cè)參數(shù)化工具（FluxFootprintPrediction，F(xiàn)FP）來(lái)確定通量貢獻(xiàn)區(qū)，該模型根據(jù)由Eddypro直接計(jì)算得到的平均風(fēng)速、風(fēng)向、Monin-Obukhov長(zhǎng)度、摩擦風(fēng)速和橫向風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差等參數(shù)預(yù)測(cè)通量貢獻(xiàn)區(qū)空間范圍及相對(duì)貢獻(xiàn)。

3結(jié)果與分析

3.1觀測(cè)點(diǎn)主風(fēng)向分析

生態(tài)系統(tǒng)通量貢獻(xiàn)區(qū)的分布范圍與風(fēng)速和風(fēng)向密切相關(guān)，因此計(jì)算通量貢獻(xiàn)區(qū)時(shí)需考慮各時(shí)期風(fēng)速和風(fēng)向的分布情況。圖2和表1所示為觀測(cè)點(diǎn)一整年的風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)速風(fēng)頻統(tǒng)計(jì)結(jié)果。春季各月（3月、4月、5月）和夏季各月（6月、7月、8月）均在112.5°～202.5°方向上風(fēng)向頻率最大，分別為50.34%、50.28%、50.54%，59.79%、68.93%、56.12%。秋季各月（9月、10月、11月）和冬季各月（12月、1月、2月）在22.5°～112.5°方向上的風(fēng)向頻率最大，分別為48.13%、62.03%、51.23%，51.24%、56.74%、45.61%。因此，將風(fēng)向112.5°～202.5°定為九段沙春季和夏季的主風(fēng)方向，把風(fēng)向22.5°～112.5°定為秋季和冬季的主風(fēng)方向。春季的平均風(fēng)速整體相對(duì)較高，而秋季平均風(fēng)速在各個(gè)方向上都相對(duì)較低。全年最大風(fēng)速在夏季，風(fēng)速最大可達(dá)到13.55m/s，最小風(fēng)速發(fā)生在秋季非主風(fēng)方向112.5°～202.5°，最小風(fēng)速僅為0.05m/s.

3.2不同大氣層結(jié)狀態(tài)下的通量貢獻(xiàn)區(qū)分布

Zm/L參數(shù)是劃分大氣層結(jié)狀態(tài)的依據(jù)，Zm/L>0代表大氣穩(wěn)定狀態(tài)，Zm/L<0代表大氣不穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)Zm的含義，本文用L>0表示大氣穩(wěn)定狀態(tài)，用L<0表示大氣不穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)用FSAM，輸入不同大氣層結(jié)狀態(tài)下各風(fēng)向的參數(shù)值，繪制出不同貢獻(xiàn)率水平的通量貢獻(xiàn)區(qū)分布圖（見(jiàn)圖3—6）。圖中貢獻(xiàn)率水平由內(nèi)向外依次為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9，本文是基于貢獻(xiàn)率P=0.9的通量源區(qū)分布結(jié)果進(jìn)行貢獻(xiàn)區(qū)分析的。圖中實(shí)線為大氣穩(wěn)定狀態(tài)下的通量貢獻(xiàn)區(qū)分布曲線，虛線為大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下的通量貢獻(xiàn)區(qū)分布曲線。由圖3—6可知，大氣穩(wěn)定狀態(tài)下的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍整體上大于大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍。

因主風(fēng)方向上風(fēng)頻率最高，故以主風(fēng)方向上的通量貢獻(xiàn)區(qū)分布為例分析不同大氣層結(jié)狀態(tài)下通量貢獻(xiàn)區(qū)的分布。在春季（3—5月）各月中，如圖3所示，在大氣穩(wěn)定狀態(tài)主風(fēng)方向上（112.5°～202.5°），通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍依次為距離觀測(cè)塔529.4m、559.8m、511.6m處，而在大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下，貢獻(xiàn)區(qū)分布范圍依次為494.9m、498.3m、418.6m，對(duì)比之下，大氣穩(wěn)定狀態(tài)下的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍比大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下的范圍遠(yuǎn)34.5m、61.5m、93m。同時(shí)，春季各月通量貢獻(xiàn)區(qū)峰值位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離（大氣穩(wěn)定狀態(tài)下）分別為39.8m、37.1m、28.8m，均大于大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下的距離（其距離依次為28.3m、25.6m、16.7m）。同樣在夏季（6—8月）各月中，在大氣穩(wěn)定狀態(tài)的主風(fēng)方向上（22.5°～112.5°），通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍分別為距離觀測(cè)塔506.1m、639.5m、555.2m處，大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下其范圍依次為499.1m、469.1m、496.1m，在大氣穩(wěn)定、不穩(wěn)定狀態(tài)下，通量貢獻(xiàn)區(qū)峰值位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離分別為30.2m、28.8m、29.7m，28.2m、22.1m、25.7m。在秋季（9—11月）及冬季（12月、1月、2月）各月中，如圖5、圖6所示，在大氣穩(wěn)定狀態(tài)下主風(fēng)方向上（22.5°～112.5°），通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍分別為距離觀測(cè)塔642.4m、804.5m、595.2m及501.3m、507.1m、592.5m處，在大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下，通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍為494.8m、484.9m、480.9m及497.3m、472.4m、431.4m。在大氣穩(wěn)定狀態(tài)下，通量貢獻(xiàn)區(qū)峰值位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離分別為32.8m、39.8m、27.4m，30.7m、32.7m、34.3m，在大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下，通量貢獻(xiàn)區(qū)峰值位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離分別為26m、23.5m、21.2m，28.9m、31.2m、32.3m。

以上通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)大氣穩(wěn)定狀態(tài)下通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍及通量貢獻(xiàn)區(qū)峰值所在位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離均大于大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下的值。在圖中發(fā)現(xiàn)相較于大氣不穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)下通量貢獻(xiàn)區(qū)迎風(fēng)向和橫風(fēng)向?qū)挾仍龃螅暙I(xiàn)區(qū)面積相應(yīng)增大。這是因?yàn)榇髿夥€(wěn)定狀態(tài)下，湍流作用較弱，垂直方向物質(zhì)傳輸速度慢，這時(shí)儀器可以監(jiān)測(cè)到更遠(yuǎn)地方的通量，因此貢獻(xiàn)區(qū)范圍大;但當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，垂直方向物質(zhì)傳輸運(yùn)動(dòng)劇烈，通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍相對(duì)較小，且隨著湍流垂直輸送活動(dòng)的增強(qiáng)，通量貢獻(xiàn)區(qū)的最大值位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離也會(huì)隨之減小[27]。

3.3非主風(fēng)方向上的通量貢獻(xiàn)區(qū)分布

在大氣穩(wěn)定狀態(tài)下的春季各月中（見(jiàn)圖3），在22.5°～112.5°方向上，通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍距觀測(cè)塔站依次為511.2m、607.4m、615.2m。在202.5°～292.5°方向上，通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍距觀測(cè)塔站依次為584.5m、683.5m、661.3m，在此風(fēng)向上，通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍均大于主風(fēng)向上貢獻(xiàn)區(qū)范圍。在292.5°～22.5°方向上，通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍距觀測(cè)塔站依次為529.6m、540.3m、544.6m。在夏季各月中（見(jiàn)圖4），在22.5°～112.5°方向上，通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍距觀測(cè)塔站依次為615.4m、778.6m、660.8m，在此風(fēng)向上，通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍均大于主風(fēng)向上的貢獻(xiàn)范圍。在202.5°～292.5°方向上，通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍距觀測(cè)塔站依次為504.5m、511.8m、535.8m。在292.5°～22.5°方向上，通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍距觀測(cè)塔站依次為505.8m、776.3m、537.2m。在秋季各月中（見(jiàn)圖5），在非主風(fēng)方向（b）、（c）、（d）方向上通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍依次為836.2m、596.1m、614.2m，641.5m、645.8m、670.7m，617.8m、804.9m、615.5m。在冬季各月中，如圖6所示，在非主風(fēng)方向（b）、（c）、（d）方向上通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍依次為540.8m、541.3m、511.4m，520.3m、504.8m、529.8m，534.4m、512.6m、674.5m，其中，在292.5°～22.5°方向上的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍均大于主風(fēng)向上的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍。在大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下的春季各月中，在圖3（a）、（c）、（d）風(fēng)向上，通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍距觀測(cè)塔站依次為379.6m、390.8m、407.6m，424.7m、500.3m、455.5m，497.3m、505.4m、454.3m。在夏季各月中，在圖4（a）、（c）、（d）風(fēng)向上，通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍距觀測(cè)塔站依次為480.5m、496.7m、497.5m，460.4m、408.6m、490.6m，499.7m、493.2m、500.3m。在秋季各月中，在圖5（b）、（c）、（d）風(fēng)向上通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍依次為462.4m、494.3m、496.3m，407.5m、359.6m、382.5m，495.2m、485.0m、495.8m。在冬季各月中，在圖6（b）、（c）、（d）風(fēng)向上通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍依次為486.6m、470.2m、508.7m，494.5m、456.2m、497.5m，499.7m、494.6m、500.8m。在以上4個(gè)季節(jié)中，292.5°～22.5°方向上的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍均大于其主風(fēng)向上的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍。

綜上，通過(guò)對(duì)比通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍，可以發(fā)現(xiàn)在非主風(fēng)方向上，大氣穩(wěn)定狀態(tài)下的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍均大于大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍，這與主風(fēng)向下情況一致。大氣穩(wěn)定狀態(tài)下，非主風(fēng)方向上四季最大通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍分別為春季683.5m、夏季778.6m、秋季836.2m、冬季674.5m，大于大氣穩(wěn)定狀態(tài)下的主風(fēng)向通量貢獻(xiàn)區(qū)分布，具體分布范圍為春季559.8m、夏季639.5m、秋季804.5m、冬季592.5m。大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下，非主風(fēng)方向上四季最大通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍分別為春季505.4m、夏季500.3m、秋季495.2m、冬季508.7m，大于大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下主風(fēng)方向上四季最大通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍，范圍為春季505.3m、夏季499.1m、秋季494.8m、冬季497.3m，這說(shuō)明非主風(fēng)方向上的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍大于主風(fēng)方向上的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍。

3.4通量貢獻(xiàn)區(qū)的日變化特征

本研究選取了無(wú)降水且太陽(yáng)輻射呈單峰型曲線的典型晴天，以半個(gè)小時(shí)通量數(shù)據(jù)為步長(zhǎng)對(duì)通量貢獻(xiàn)區(qū)的日變化特征進(jìn)行分析。由表2中白天和夜間的模型輸入?yún)?shù)可以看出白天大氣為不穩(wěn)定狀態(tài)，夜間大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中白天（7：00—17：00）和夜間時(shí)間由光合有效輻射（PAR）來(lái)區(qū)分。典型日期（4月25日）通量貢獻(xiàn)區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離每半個(gè)小時(shí)的分布情況如圖7所示：夜晚大氣穩(wěn)定狀態(tài)下，通量貢獻(xiàn)區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離波動(dòng)較大，距離主要分布在484.5～921.5m;從5：00到7：00由夜間大氣穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為白天大氣不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，通量貢獻(xiàn)區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離急劇下降;7：00到17：00白天大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下通量貢獻(xiàn)區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離較其他時(shí)間穩(wěn)定，且穩(wěn)定在440m左右;17：00之后大氣逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，通量貢獻(xiàn)區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離開(kāi)始增大。

4討論

基于FSAM的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，研究站點(diǎn)通量貢獻(xiàn)區(qū)分布隨著大氣層結(jié)狀態(tài)的改變有著明顯的不同，具體表現(xiàn)為大氣穩(wěn)定狀態(tài)下通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍及通量貢獻(xiàn)區(qū)最大值的位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離較大，這與已有的很多研究結(jié)論[2，28]一致。通量貢獻(xiàn)區(qū)的范圍除了受大氣層結(jié)狀態(tài)的影響，實(shí)際上還與觀測(cè)塔高度、地表粗糙度等多方面因素有關(guān)。與長(zhǎng)江口其他站點(diǎn)通量貢獻(xiàn)區(qū)的研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)：2006年崇明東灘通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍最遠(yuǎn)為438.8m[27]，2013年、2014年崇明圍墾東灘[2]，通量貢獻(xiàn)區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)距離為378.2m，均小于本研究的通量貢獻(xiàn)區(qū)的最遠(yuǎn)分布范圍836m。分析發(fā)現(xiàn)這很可能是因?yàn)橛^測(cè)的高度不同導(dǎo)致的。本研究站點(diǎn)的觀測(cè)高度為10m，而前兩者的觀測(cè)高度分別為4.8m、6m，觀測(cè)高度增加，可以觀測(cè)到更遠(yuǎn)地方的通量信息。從表3中發(fā)現(xiàn)對(duì)冬小麥的貢獻(xiàn)區(qū)[29]研究中觀測(cè)高度為3.5m，在相同的貢獻(xiàn)水平下，其在表3中通量觀測(cè)范圍是最小的。劉郁玨等[30]的研究也表明通量觀測(cè)范圍與觀測(cè)高度呈正相關(guān)。

就FSAM而言，模型的基本輸入?yún)?shù)特別是空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度Z0及零平面位移d的計(jì)算，有多種經(jīng)驗(yàn)公式，不同的計(jì)算方法會(huì)影響輸出結(jié)果。這就需要我們根據(jù)研究需求，結(jié)合實(shí)際下墊面和生態(tài)系統(tǒng)選擇合適的計(jì)算方法，以求更精準(zhǔn)地了解通量貢獻(xiàn)區(qū)分布。

FSAM計(jì)算九段沙鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍最大為836m，應(yīng)用經(jīng)典風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度（fetch）與觀測(cè)高度100∶1的經(jīng)驗(yàn)法估測(cè)得到本文站點(diǎn)風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度1000m。研究站點(diǎn)風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度滿足通量貢獻(xiàn)區(qū)的要求，可認(rèn)為通量觀測(cè)站點(diǎn)選址合理，即本研究站點(diǎn)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)均真實(shí)有效地反映了九段沙鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)的通量信息。

5結(jié)論

本文選取九段沙通量塔2018年12個(gè)月的渦度觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用FSAM對(duì)九段沙鹽沼濕地蘆葦生態(tài)系統(tǒng)的通量貢獻(xiàn)區(qū)分布進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①FSAM計(jì)算的通量貢獻(xiàn)區(qū)可以很好地反映九段沙蘆葦生態(tài)系統(tǒng)下墊面的通量信息。②2018年九段沙春季和夏季的主風(fēng)方向是112.5°～202.5°，秋季和冬季的主風(fēng)方向是22.5°～112.5°。③各風(fēng)向上，大氣穩(wěn)定狀態(tài)下通量貢獻(xiàn)區(qū)及其最大值所在位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離均大于大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下其對(duì)應(yīng)的值。在主風(fēng)向上大氣穩(wěn)定狀態(tài)下春、夏、秋、冬通量貢獻(xiàn)區(qū)及其峰值所在位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離分別為559.8m、37.1m，639.5m、28.8m，804.5m、39.8m，592.5m、34.3m，大于大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下通量貢獻(xiàn)區(qū)及其峰值所在位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離505.3m、28.3m，469.1m、22.1m，484.9m、23.5m，431.4m、32.3m。在非主風(fēng)方向上大氣穩(wěn)定狀態(tài)下春、夏、秋、冬通量貢獻(xiàn)區(qū)及其最峰值所在位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離分別為683.3m、39.8m，778.6m、38.9m，804.9m、39.8m，541.3m、22.1m，大于大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下通量貢獻(xiàn)區(qū)及其峰值所在位置距觀測(cè)點(diǎn)的距離500.3m、27.2m，496.7m、26.5m，485.0m、23.5m，470.2m、20.8m。④非主風(fēng)方向上迎風(fēng)向通量貢獻(xiàn)區(qū)的范圍大于主風(fēng)向上迎風(fēng)方向的通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍。春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)非主風(fēng)方向上最大通量貢獻(xiàn)區(qū)的范圍分別為683.5m、778.6m、836.2m、674.5m，均大于主風(fēng)方向上通量貢獻(xiàn)區(qū)的范圍559.8m、639.5m、804.5m、592.5m。⑤不同季節(jié)通量貢獻(xiàn)區(qū)各不相同，大氣穩(wěn)定狀態(tài)下，春、夏、秋、冬四季90%的最大通量信息分別來(lái)源于683.5m、778.6m、836.2m、674.5m范圍內(nèi)，其大小關(guān)系為秋季>夏季>春季>冬季;大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下，春、夏、秋、冬四季90%的最大通量信息分別來(lái)源于505.4m、500.3m、495.2m、508.7m范圍內(nèi)，季節(jié)變化不明顯。⑥通量貢獻(xiàn)區(qū)日變化特征明顯，夜間通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍大于白天。夜間通量貢獻(xiàn)區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)距離主要分布在484.5～921.5m且波動(dòng)較大;白天通量貢獻(xiàn)區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)距離比較穩(wěn)定，穩(wěn)定在440m左右。

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（責(zé)任編輯：李萬(wàn)會(huì)）