陸氣通量交換觀測(cè)研究進(jìn)展

賈慶宇 周莉 吳瓊 謝艷兵 溫日紅 李榮平 蔡福 王笑影

（1 中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，沈陽(yáng) 121001；2 中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081；3 盤(pán)錦國(guó)家氣候觀象臺(tái)，盤(pán)錦 124000）

0 引言

1895年，Osborne Reynolds爵士提出了雷諾平均的概念，建立了以渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)的理論基礎(chǔ)。1954年，Monin和Obukhov提出了Monin-Obukhov相似理論，渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)開(kāi)始被零星地應(yīng)用于自然生態(tài)系統(tǒng)CO2通量觀測(cè)。1974年，世界氣象組織（WMO）和國(guó)際科聯(lián)（ICSU）首次提出“氣候系統(tǒng)”的概念，為了對(duì)氣候模型進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)行敏感性研究，以評(píng)估大氣對(duì)地表強(qiáng)迫的大規(guī)模異常的反應(yīng)。1984年，世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）開(kāi)始了全球地表陸氣熱量和水收支組成部分?jǐn)?shù)據(jù)的收集工作。在WCRP和國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）的協(xié)調(diào)和組織下，針對(duì)不同的氣候區(qū)域相繼開(kāi)展了大量國(guó)際研究計(jì)劃[1]。隨著陸面觀測(cè)研究計(jì)劃針對(duì)陸氣通量交換項(xiàng)目進(jìn)行的觀測(cè)，開(kāi)展了大量的陸氣相互作用以及對(duì)區(qū)域氣候變化影響的研究[2-5]，獲得的數(shù)據(jù)源推動(dòng)了陸面過(guò)程數(shù)值模擬研究和參數(shù)化方案的發(fā)展[6]。

1 陸氣通量交換研究進(jìn)展

1.1 陸氣通量觀測(cè)技術(shù)

1.1.1 塔基通量觀測(cè)

目前，廣泛應(yīng)用的是基于地面塔站的渦動(dòng)相關(guān)（EC）觀測(cè)和大孔徑閃爍儀（LAS）觀測(cè)。調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)與渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)結(jié)合，在不干擾土壤或植被的情況下，直接和近連續(xù)的測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)尺度陸面與大氣之間的湍流通量交換[7]，被廣泛應(yīng)用于國(guó)際上的各大陸面過(guò)程觀測(cè)試驗(yàn)[8-9]。因?yàn)榫哂休^高的觀測(cè)精度，渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)常被作為驗(yàn)證遙感和陸面過(guò)程模型水熱通量模擬的重要數(shù)據(jù)源。最典型的EC裝置由CO2和H2O氣體分析儀和三維超聲風(fēng)速儀組成，該儀器允許對(duì)CO2通量和能量通量（即潛熱通量（LE）和顯熱通量（H））進(jìn)行高頻測(cè)量。渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)技術(shù)受到主要科技大國(guó)的關(guān)注和重視，建成了區(qū)域和國(guó)家層次的長(zhǎng)期通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，例如FLUXNETORNL（https://daac.ornl.gov/）、European Fluxes（http://www.europe-fluxdata.eu/home）、ICOS（https://www.icos-cp.eu/）、OzFlux（http://www.ozflux.org.au/）、AsiaFlux（http://www.Asiaflux.net）和AmeriFlux（http://ameriflux.lbl.gov）。同時(shí)，中國(guó)通量網(wǎng)ChinaNET（http://www.chinaflux.org）成立于2002年，是國(guó)際通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)源區(qū)僅有幾十到幾百米，僅能獲取局地尺度的陸氣通量結(jié)果[10]。大孔徑閃爍儀觀測(cè)源區(qū)從幾百米到上千米，能獲取更大尺度、非均勻下墊面的通量觀測(cè)結(jié)果[11]，并且能夠與衛(wèi)星遙感像元尺度匹配。許多學(xué)者將大口徑閃爍儀與渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在下墊面相對(duì)均勻的農(nóng)作物植被，觀測(cè)的感熱通量相關(guān)系數(shù)為0.82～0.97，差異較小[12-13]；下墊面非均勻的城市區(qū)，LAS測(cè)量與塔基渦動(dòng)相關(guān)測(cè)量不同方法觀測(cè)結(jié)果差異較大，與安裝位置、通量源區(qū)大小、源區(qū)內(nèi)下墊面類型和占比不同、塔基渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)的能量閉合率等因素相關(guān)[14-15]。LAS觀測(cè)也常出現(xiàn)在國(guó)際上的大型陸面過(guò)程試驗(yàn)中，如SALSA、CASES、EBEX等。雖然LAS具有相對(duì)較大的通量觀測(cè)源區(qū)，但在復(fù)雜通量源區(qū)對(duì)LAS的影響很難定量化。但其因?yàn)榇罂趶介W爍儀建站數(shù)量較少，且其千米級(jí)尺度的觀測(cè)仍然不能滿足衛(wèi)星遙感區(qū)域尺度的地表通量，無(wú)法滿足陸面過(guò)程模式粗網(wǎng)格尺度通量模擬驗(yàn)證的需求。

1.1.2 走航通量觀測(cè)

地面通量觀測(cè)受到測(cè)量空間尺度的限制，無(wú)法滿足大范圍區(qū)域地表通量研究的應(yīng)用需要[16]，伴隨著激光高度計(jì)、小型飛機(jī)飛行控制、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS的發(fā)展，小型無(wú)人機(jī)平臺(tái)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)＜30 m低空觀測(cè)地面通量。無(wú)人機(jī)（UAV）的通量觀測(cè)方法于1994年被提出[17]，M2AV[18]、Manta[19]、ScanEagle[20]為代表的無(wú)人機(jī)搭載渦動(dòng)相關(guān)儀器觀測(cè)平臺(tái)已經(jīng)成熟，是目前解決更大尺度陸氣通量觀測(cè)的方式之一。根據(jù)無(wú)人機(jī)載荷不同可以對(duì)大氣溫度脈動(dòng)、三維超聲風(fēng)速、水汽濃度進(jìn)行通量觀測(cè)（目前還沒(méi)有對(duì)CO2通量的觀測(cè)），可以搭載凈輻射、地表溫度和反照率等儀器觀測(cè)能量平衡，搭載激光測(cè)高和高分辨率可見(jiàn)光和紅外譜分析儀觀測(cè)海洋表面波和精細(xì)尺度（O（10）cm）表面溫度結(jié)構(gòu)。無(wú)人機(jī)通量觀測(cè)在多個(gè)野外觀測(cè)試驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用，例如BLLAST[19]、MAC[21]、CLOUD-MAP[22]等。我國(guó)走航通量觀測(cè)技術(shù)剛剛起步[23]，2016年中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所采購(gòu)了意大利Magnaghi公司生產(chǎn)的Sky Arrow 650 TCNS通量觀測(cè)飛機(jī)的托管服務(wù)，一些學(xué)者也利用船載渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)對(duì)海洋大氣邊界層湍流特征進(jìn)行了研究[24-25]，船載無(wú)人機(jī)可避免船體運(yùn)動(dòng)和晃動(dòng)對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響[26]。

1.1.3 通量數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

EC方法假設(shè)下墊面均勻并且有充分的湍流交換，為了滿足這些假設(shè)，并消除儀器誤差，通量觀測(cè)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行徹底的數(shù)值質(zhì)量檢查，實(shí)施檢查后數(shù)據(jù)的百分比通常占原始數(shù)據(jù)集的20%～60%，特別在夜間大氣穩(wěn)定條件下，湍流不充分發(fā)達(dá)，刪除數(shù)據(jù)比例很高。在研究較長(zhǎng)時(shí)間尺度（如每日、每月或每年）上的通量特征時(shí)缺失數(shù)據(jù)必須被更有意義的值所取代。ChinaFLUX自主開(kāi)發(fā)了通用性的碳水通量數(shù)據(jù)分析和計(jì)算機(jī)自動(dòng)化處理系統(tǒng)[27-28]。Fluxnet[29]開(kāi)發(fā)了ONEFlux采用統(tǒng)一的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和處理，以提高各站點(diǎn)的一致性和可比性（圖1），并且提供了包含1532個(gè)站點(diǎn)通量數(shù)據(jù)Fluxnet 2015數(shù)據(jù)集。美國(guó)LI-COR公司（https://www.licor.com/）發(fā)展的開(kāi)源式的EddyPro渦動(dòng)相關(guān)通量處理軟件和Tovi軟件質(zhì)量控制軟件，除了實(shí)現(xiàn)通量數(shù)據(jù)預(yù)處理功能之外還集成了能量平衡存儲(chǔ)項(xiàng)修正（EBR）、摩擦風(fēng)速閾值計(jì)算（MPT）、能量平衡分析（EB）、通量源區(qū)分析（FPA）和分配（FFA）繪制、數(shù)據(jù)插補(bǔ)（MDS）、碳循環(huán)分析等數(shù)據(jù)可視化分析功能。德國(guó)馬克斯-普朗克研究所開(kāi)發(fā)了MDS（https://www.bgc-jena.mpg.de/bgi/index.php/Main/HomePage）通量數(shù)據(jù)在線預(yù)處理、插補(bǔ)和制圖工具。這些工具為通量數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和分析提供了方便。

圖1 ONEFlux通量數(shù)據(jù)處理流程[30]Fig.1 ONEFlux flux data processing flow[30]

插補(bǔ)方法根據(jù)通量缺失數(shù)據(jù)的時(shí)間段長(zhǎng)短、不同缺失原因等，分為平均日變化、查表法和非線性回歸法等[30]。缺失時(shí)間≤14 d的通量數(shù)據(jù)使用平均日變化法和查表法[31]，對(duì)缺失時(shí)間＞14 d則使用非線性回歸法。非線性回歸法插補(bǔ)白天缺失數(shù)據(jù)需建立CO2凈交換量與光合有效輻射的Michaelis-Menten光響應(yīng)曲線模型[32]，夜間缺失數(shù)據(jù)建立溫度與生態(tài)系統(tǒng)呼吸的Arrhenius模型等[33-34]。插補(bǔ)通量也是當(dāng)今的前沿研究領(lǐng)域，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、隨機(jī)森林（RF）和支持向量機(jī)（SVM）等機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法在插補(bǔ)缺失通量數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)出良好的性能，為插補(bǔ)通量的缺失提供了新的思路。

1.2 陸氣通量觀測(cè)對(duì)于全球變化研究的作用

1.2.1 陸氣通量的環(huán)境響應(yīng)

通過(guò)長(zhǎng)期渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)，使我們能在時(shí)間和空間尺度上評(píng)估全球生態(tài)系統(tǒng)變化[35-36]。對(duì)多種原生森林和草原生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行的陸氣通量測(cè)量發(fā)現(xiàn)，凈碳交換率隨著光照的增加而飽和[37]。在個(gè)別地點(diǎn)，這種非線性響應(yīng)的程度隨葉面積指數(shù)、土壤水分虧缺和光合能力而變化。目前越來(lái)越多的研究正在量化冠層光合作用與太陽(yáng)誘導(dǎo)熒光[38-39]或植被反射的近紅外輻射[40-41]之間的觀測(cè)，通過(guò)在塔架或衛(wèi)星上測(cè)量這些變量，尋求提高光合作用在時(shí)間和空間上的替代方法。傳統(tǒng)研究認(rèn)為葉片光合作用隨著溫度的升高而增加，直到達(dá)到峰值的溫度（20～30 ℃），最近的數(shù)據(jù)表明，葉片光合作用的峰值溫度不是固定的，是可調(diào)節(jié)的，并且表現(xiàn)出適應(yīng)性[42-43]。陸氣通量觀測(cè)表明在足夠的降水量（＞800 mm/a）的情況下，GPP隨溫度升高而增加，而干燥氣候（＜800 mm/a）的GPP不會(huì)隨著溫度升高而升高。就土壤呼吸而言，降雨對(duì)半干旱生態(tài)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生巨大的二氧化碳脈沖，在降雨事件之后，脈沖大小隨著時(shí)間的推移而減小，最后碳匯會(huì)消失。

1.2.2 陸氣通量觀測(cè)的長(zhǎng)期觀測(cè)

第一次測(cè)量?jī)籼纪亢涂偺纪靠勺匪莸?990年[44]，而早期的凈碳通量和總碳通量都是推測(cè)性的，隨著通量觀測(cè)站點(diǎn)的增加，可以為以后研究提供更多的數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)學(xué)者基于渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)陸續(xù)開(kāi)展了長(zhǎng)白山針闊葉紅松林[45]、帽兒山人工興安落葉松林[46]、伊春闊葉紅松林[47]生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化特征和影響機(jī)理的基礎(chǔ)研究，時(shí)間序列多在2年以下。開(kāi)展了蘆葦濕地的陸氣通量交換研究時(shí)間序列在4年以下[48]。開(kāi)展了東北雨養(yǎng)玉米的連續(xù)3年非生長(zhǎng)季碳通量動(dòng)態(tài)[49]、連續(xù)10年的日－月－年尺度的CO2通量、水分利用效率和控制機(jī)制[50-51]、連續(xù)10年地面蒸散和控制機(jī)制[52]等研究。開(kāi)展水稻田陸氣通量交換觀測(cè)大多在3年以下，連續(xù)3年的水稻的蒸散及其組分進(jìn)行模擬[53]，連續(xù)2年的甲烷排放和控制機(jī)制[54]，連續(xù)3年的大豆田蒸散量[55]。日本2002年開(kāi)始在坎托平原稻田開(kāi)展了連續(xù)13年的蒸發(fā)散測(cè)量[56]，表明ET/EP與降水有很好的相關(guān)性。德國(guó)的常綠針葉林最長(zhǎng)蒸發(fā)散記錄17年，它呈上升趨勢(shì)（+16.6 mm/a）[57]。Ilvesniem等[58]對(duì)芬蘭常綠針葉林蒸發(fā)量進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的研究，也顯示了蒸散量的增加（7.8 mm/a）。長(zhǎng)期觀測(cè)表明水熱交換與作物的產(chǎn)量休戚相關(guān)[59]。其他陸氣通量交換研究多采用靜態(tài)箱－氣相色譜法[60]，但是這些研究是基于單點(diǎn)的，在區(qū)域上是不完整的。

1.3 陸氣通量與模型、遙感數(shù)據(jù)融合

1.3.1 陸氣通量觀測(cè)與模型、遙感融合

目前陸面過(guò)程模擬中主要通過(guò)“有效參數(shù)”“Discrete”“動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)”三種方式來(lái)參數(shù)化次網(wǎng)格尺度關(guān)鍵參數(shù)的異質(zhì)性。隨著渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)上通量站點(diǎn)的不斷增加，尤其是一些通量觀測(cè)矩陣可以為區(qū)域尺度通量模擬提供更高分辨率的地表驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，對(duì)陸地碳循環(huán)計(jì)算的可靠性也增強(qiáng)。然而，需要擴(kuò)大觀測(cè)范圍，以評(píng)估區(qū)域到全球范圍內(nèi)的二氧化碳通量。經(jīng)驗(yàn)升尺度法基于觀測(cè)通量與解釋變量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，以站點(diǎn)觀測(cè)為基礎(chǔ)升尺度法來(lái)評(píng)估時(shí)空二氧化碳通量，該方法首先在觀測(cè)點(diǎn)建立一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，然后利用遙感觀測(cè)的空間數(shù)據(jù)和氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和外推。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、支持向量回歸（SVR）和模型樹(shù)集成等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這種方法依賴渦動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)集來(lái)確定非線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系[61]可以有效地構(gòu)建目標(biāo)和輸入變量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。這些算法生成的模型用于評(píng)估全球[62-63]和大陸尺度的二氧化碳通量，例如亞洲[64]、美國(guó)[65]、歐洲[66]。以拉斯維加斯為例，使用21個(gè)渦動(dòng)相關(guān)站[67]進(jìn)行的升尺度分析表明，在2000—2011年，阿拉斯加內(nèi)陸北部森林是二氧化碳的“匯”，而北極凍原是二氧化碳的“源”。Fluxcom項(xiàng)目啟動(dòng)了一種新的方法，旨在基于多個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法生成更強(qiáng)大的集成產(chǎn)品，并生成了全球能源和碳通量產(chǎn)品[68]。

近來(lái)，很多研究側(cè)重于模型－數(shù)據(jù)融合（Modeldata Fusion）來(lái)估算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡[69-70]。GONSAMO等[71]基于遙感的LSP數(shù)據(jù)與83個(gè)通量塔（包括針葉林、闊葉林和農(nóng)田）的CO2通量觀測(cè)數(shù)據(jù)融合研究地表物候。Zhang等[72]將通量觀測(cè)與CoupModel模型融合研究格陵蘭CO2通量。Zhang等[73]將通量觀測(cè)與LPJ-GUESS 模型融合研究了歐亞大陸北部CH4通量。

1.3.2 對(duì)陸面過(guò)程模式的參數(shù)化

用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、季節(jié)預(yù)報(bào)和氣候模擬的模型要使用陸地過(guò)程模型（LSM）來(lái)模擬地表和大氣之間的水和能量交換。多年來(lái)，陸地過(guò)程模型已經(jīng)從簡(jiǎn)單的“水桶”模型發(fā)展到包括具有高度物理機(jī)制的土壤－植被－大氣傳輸模型（SVAT）[74]。但陸面過(guò)程模型在準(zhǔn)確評(píng)估和精確模擬陸地與大氣之間的半小時(shí)時(shí)間尺度上的感熱和潛熱相互作用時(shí)，仍有相當(dāng)大的不確定性，不可忽視的問(wèn)題就是模型參數(shù)不確定性的作用[75]。在目前的全球陸面模型中，渦動(dòng)相關(guān)站點(diǎn)可以提供超過(guò)20個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)直接或間接地對(duì)陸面過(guò)程模型中的蒸散模塊起到驅(qū)動(dòng)作用[76]。Chaney等[75]基于渦動(dòng)相關(guān)站點(diǎn)進(jìn)行Sobol敏感性分析，使用1000個(gè)拉丁超立方體樣本對(duì)敏感參數(shù)進(jìn)行徹底采樣，借助數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的渦動(dòng)相關(guān)站點(diǎn)和全球陸地和氣象數(shù)據(jù)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)建立校準(zhǔn)參數(shù)集，超越了經(jīng)典的參數(shù)查找表法。

2 我國(guó)陸氣通量觀測(cè)站點(diǎn)建設(shè)現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)站點(diǎn)不斷增加，截至2017年在Fluxnet 注冊(cè)（http://fluxnet.fluxdata.org/about/history/）的有全球914個(gè)站點(diǎn)（超過(guò)1500個(gè)通量塔），其中較多站點(diǎn)為森林生態(tài)系統(tǒng)CO2通量觀測(cè)站點(diǎn)，且多分布于溫帶地區(qū)。自2000年以來(lái)，我國(guó)先后依托中國(guó)生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）、國(guó)家生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)（CNERN）、中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)（CFERN）和中國(guó)氣象監(jiān)測(cè)站網(wǎng)等，長(zhǎng)期投入通量觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)并產(chǎn)生了長(zhǎng)序列生態(tài)系統(tǒng)尺度大量的觀測(cè)資料。自開(kāi)始研究人員依托CERN于2001年建立了中國(guó)通量觀測(cè)研究聯(lián)盟ChinaFLUX，2014年建立了陸面過(guò)程觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（CAS-Lason），覆蓋了森林、草地、濕地、干旱區(qū)、荒漠、農(nóng)田、城市和水域等幾個(gè)主要生態(tài)系統(tǒng)，組成了站點(diǎn)－樣帶－組網(wǎng)的陸－氣相互作用聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)和試驗(yàn)平臺(tái)。目前ChinaFLUX進(jìn)行陸氣通量觀測(cè)站點(diǎn)有79個(gè)（觀測(cè)塔83座）[77]，而東北僅有8個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，可以看出陸氣通量觀測(cè)站點(diǎn)在東北分布較少，使得對(duì)東北地區(qū)陸氣相互作用的認(rèn)識(shí)具有局限性。

3 東北地區(qū)陸氣通量觀測(cè)站點(diǎn)建設(shè)現(xiàn)狀

東北地區(qū)糧食商品率高達(dá)55%以上，商品糧占全國(guó)總量的1/4左右[78]，被視為中國(guó)糧食市場(chǎng)的“壓艙石”和“商品糧戰(zhàn)略后備基地”[79]，關(guān)系我國(guó)糧食生產(chǎn)安全[80]。氣候變化引起的氣溫升高使東北地區(qū)春玉米播種期提前、成熟期推遲，種植范圍北移東擴(kuò)、東北部產(chǎn)量增加[81]。區(qū)域氣候模式A2和B2情景，東北水稻生長(zhǎng)季有效積溫升高，產(chǎn)量高產(chǎn)年出現(xiàn)的概率明顯提高[82]。氣溫升高伴隨降水減少，干旱可能加重，可能對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。根據(jù)情景模擬分析結(jié)果增溫對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的正影響超過(guò)負(fù)影響，所以東北地區(qū)未來(lái)糧食增產(chǎn)潛力巨大。東北地區(qū)的森林對(duì)維護(hù)碳平衡具有重要的作用，受氣候變化影響最為顯著[83]。受全球氣候變化和人類活動(dòng)影響，近30年?yáng)|北濕地呈現(xiàn)面積減少、斑塊數(shù)量增加、景觀破碎指數(shù)增加[84]。近30年?yáng)|北草地整體穩(wěn)定性差，黑龍江東北部和內(nèi)蒙古東部的草地劇烈退化[85]。全球氣候變暖引發(fā)高緯度生態(tài)系統(tǒng)地表物質(zhì)能量通量急劇變化，深層凍土溫度升高，凍土融化釋放更多的有機(jī)碳[86]，凍融交替變化也會(huì)加速溫室氣體的釋放[87]。因此急需陸表水文、能量平衡、地表及土壤水熱傳輸?shù)汝憵馔拷粨Q方面的觀測(cè)。

3.1 東北地區(qū)通量觀測(cè)臺(tái)站建設(shè)

在東北地區(qū)，中科院系統(tǒng)、林業(yè)系統(tǒng)以及高校已建成與陸氣通量觀測(cè)相關(guān)的野外科學(xué)試驗(yàn)站有25個(gè)，其中農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)4個(gè)占16%，森林生態(tài)系統(tǒng)12個(gè)占48%，濕地生態(tài)系統(tǒng)2個(gè)占8%，草地生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)占12%、沙地生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)占12%、堿地生態(tài)系統(tǒng)1個(gè)占4%[88-89]①中國(guó)科學(xué)院野外臺(tái)站發(fā)展?fàn)顩r調(diào)查報(bào)告（http://www.cas.cn/ggzy/kycx/ywtz/）；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院園區(qū)基地網(wǎng)（http://www.caasbase.cn/index.Aspx）；中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)已建生態(tài)站名錄（http://www.cfern.org/wjpicture/upload/gycf/gycf 2011-10-21-7-52-15.swf）。，基本涵蓋了東北主要的生態(tài)系統(tǒng)類型。其中草地系統(tǒng)在1979年（錫林郭勒盟）開(kāi)始觀測(cè)，森林系統(tǒng)在1974年（帽兒山）開(kāi)始觀測(cè)，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在1978年（海倫）開(kāi)始觀測(cè)，濕地生態(tài)系統(tǒng)在1986年（三江平原）開(kāi)始觀測(cè)，荒漠生態(tài)系統(tǒng)在1985年（奈曼旗）開(kāi)始觀測(cè)，沙地生態(tài)系統(tǒng)在1988年（大青溝）開(kāi)始觀測(cè)，各試驗(yàn)站的觀測(cè)內(nèi)容已經(jīng)從原來(lái)的單一觀測(cè)內(nèi)容和目的轉(zhuǎn)向多圈層多系統(tǒng)相互作用綜合、聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)，陸續(xù)補(bǔ)充或加強(qiáng)了陸氣通量觀測(cè)內(nèi)容。

中國(guó)氣象局在2018年1月批準(zhǔn)21個(gè)中國(guó)氣象局野外科學(xué)試驗(yàn)基地序列中，東北地區(qū)共有2個(gè)野外基地（觀測(cè)站點(diǎn)8個(gè)）入選（表1），其中東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地以陸氣通量聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)為核心。圖2中“旗幟”代表氣象部門(mén)野外基地位置，“氣球”代表氣象部門(mén)以外野外站位置，東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地和龍鳳山大氣本底野外科學(xué)試驗(yàn)基地的建設(shè)提升了東北野外觀測(cè)試驗(yàn)站的建設(shè)水平。

圖2 東北地區(qū)長(zhǎng)期定位野外試驗(yàn)站分布Fig.2 Distribution of long-term fixed-site field experimental stations in Northeast China

表1 氣象部門(mén)東北地區(qū)野外基地（臺(tái)站）列表Table 1 Field bases (stations) of China Meteorological Adminstration in Northeast China

東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地依托各地氣象部門(mén)的野外觀測(cè)場(chǎng)，建設(shè)在東北地區(qū)具有代表性的森林、濕地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的中心區(qū)域，觀測(cè)場(chǎng)開(kāi)展陸氣通量觀測(cè)，以及同步的氣象綜合，統(tǒng)一觀測(cè)內(nèi)容和觀測(cè)儀器，通量觀測(cè)包括CO2/H2O和CH4等物質(zhì)濃度，三維風(fēng)向風(fēng)速，計(jì)算CO2/H2O通量、CH4通量、潛熱通量、感熱通量和動(dòng)量通量。其中錦州玉米農(nóng)田觀測(cè)場(chǎng)陸氣通量觀測(cè)數(shù)據(jù)始于2004年，已經(jīng)形成連續(xù)17年時(shí)間序列的通量觀測(cè)數(shù)據(jù)集。盤(pán)錦濕地觀測(cè)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)始于2004年，但在2009—2012年數(shù)據(jù)中斷。五營(yíng)森林觀測(cè)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)始于2006年，已經(jīng)形成15年的數(shù)據(jù)集。

自東北地區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地成立以來(lái)開(kāi)展東北典型下墊面陸－氣相互作用分析和模擬，氣候變化對(duì)遼河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)固碳功能的影響，東北水稻甲烷排放及環(huán)境因子貢獻(xiàn)率等研究。構(gòu)建基于生物因子和環(huán)境因子的蘆葦冠層阻力模型，實(shí)現(xiàn)蘆葦濕地冠層尺度蒸騰與蒸發(fā)過(guò)程模擬。利用作物生長(zhǎng)發(fā)育觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和通量結(jié)果，對(duì)作物生長(zhǎng)模型進(jìn)行校正、驗(yàn)證和改進(jìn)。針對(duì)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程影響機(jī)理問(wèn)題，開(kāi)展作物生長(zhǎng)模型對(duì)災(zāi)害反應(yīng)的敏感性檢驗(yàn)。玉米根系吸水過(guò)程控制機(jī)制及其對(duì)陸－氣水熱交換過(guò)程的影響、氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力影響等方面研究。

3.2 東北陸氣通量觀測(cè)存在的問(wèn)題

3.2.1 觀測(cè)試驗(yàn)待完善

雖然各部門(mén)在東北的農(nóng)田、森林、濕地等典型生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)展了通量觀測(cè)和試驗(yàn)，但是，陸氣通量站點(diǎn)的空間布局還不夠合理、完善[90]，缺少覆蓋東北針對(duì)濱海濕地、針對(duì)落葉闊葉林生態(tài)系統(tǒng)、城市復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)型科學(xué)觀測(cè)。大多停留在分析單個(gè)站點(diǎn)的陸氣通量動(dòng)態(tài)及環(huán)境控制機(jī)制上，或玉米農(nóng)田、稻田、蘆葦?shù)炔煌湫蜕鷳B(tài)系統(tǒng)相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)未形成成果。對(duì)于不同生態(tài)系統(tǒng)之間陸氣通量的比較研究還相對(duì)缺乏，從而制約著對(duì)陸氣通量特征及其控制機(jī)制的深入理解。缺少對(duì)陸面過(guò)程相關(guān)的云和輻射、邊界層等項(xiàng)目觀測(cè)，缺少基于觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)陸面過(guò)程模式、數(shù)值預(yù)報(bào)的優(yōu)化、調(diào)整、改進(jìn)方面研究。觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)“生態(tài)文明建設(shè)”“應(yīng)對(duì)氣候變化”“溫室氣體減排”等國(guó)家需求方面的大型科研項(xiàng)目的數(shù)據(jù)支撐較少。基于觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)氣候系統(tǒng)各圈層間物質(zhì)和能量交換、海陸氣相互作用對(duì)天氣氣候和生態(tài)系統(tǒng)的影響、不同下墊面對(duì)天氣氣候的影響等科學(xué)問(wèn)題的還需進(jìn)一步闡述。

3.2.2 缺乏野外站的規(guī)范化管理

前期野外基地建設(shè)和觀測(cè)內(nèi)容缺乏頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)一規(guī)劃，為后期規(guī)范化管理造成很大困難，導(dǎo)致觀測(cè)指標(biāo)和數(shù)據(jù)可比較性差。觀測(cè)目標(biāo)不明確就可能無(wú)法形成長(zhǎng)期、連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于缺少對(duì)國(guó)際前沿了解、與相關(guān)領(lǐng)域一流專家的溝通，采購(gòu)的儀器先進(jìn)性、科學(xué)性有待論證。輻射、氣象觀測(cè)的儀器設(shè)備、觀測(cè)指標(biāo)及觀測(cè)方法等方面不一致，致使觀測(cè)數(shù)據(jù)和傳輸方式千差萬(wàn)別，使這些數(shù)據(jù)較難利用和比較。各類觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸格式與儲(chǔ)存方式不統(tǒng)一，不利于觀測(cè)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、分析與管理。同一觀測(cè)項(xiàng)目，儀器型號(hào)不一致或重復(fù)觀測(cè)，獲取的數(shù)據(jù)比對(duì)困難。

研究人員處理通量觀測(cè)數(shù)據(jù)一般采用個(gè)人擅長(zhǎng)的技術(shù)方法，處理過(guò)程缺乏統(tǒng)一和規(guī)范性，導(dǎo)致不同人處理結(jié)果可能無(wú)法比較。目前通量觀測(cè)數(shù)據(jù)采集器還可以通過(guò)編程嵌入在線數(shù)據(jù)的處理模塊，輸出結(jié)果可直接使用，但下墊面和氣象條件較復(fù)雜的情況下，在線輸出結(jié)果就可能會(huì)出問(wèn)題[91]。

3.2.3 通量觀測(cè)數(shù)據(jù)在陸面模式科研業(yè)務(wù)中的應(yīng)用水平較低

基于通量野外基和地天－空－地多源觀測(cè)數(shù)據(jù)的整合與分析，建立了長(zhǎng)時(shí)間序列的高時(shí)空分辨率的陸面模擬系統(tǒng)所需的大氣圈、陸地表層、自然資源、遙感等各類數(shù)據(jù)集[2]。但是由于時(shí)間不匹配、空間不匹配等問(wèn)題，還沒(méi)有針對(duì)野外基地通量數(shù)據(jù)的陸面資料同化系統(tǒng)，缺乏高質(zhì)量的陸面同化分析數(shù)據(jù)集[92]，使東北陸面模式業(yè)務(wù)還沒(méi)有應(yīng)用通量數(shù)據(jù)。東北陸面過(guò)程模式參數(shù)化方案的改進(jìn)還沒(méi)有利用通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，不能應(yīng)用于大氣數(shù)值模式。制約了陸氣通量野外站作為中國(guó)氣象局科技創(chuàng)新支撐平臺(tái)作用的發(fā)揮。

4 展望

4.1 通量觀測(cè)與其他技術(shù)結(jié)合

通量觀測(cè)應(yīng)依托長(zhǎng)期觀測(cè)和研究平臺(tái)，作為系統(tǒng)、長(zhǎng)期、重要的觀測(cè)內(nèi)容，向長(zhǎng)期業(yè)務(wù)觀測(cè)方向轉(zhuǎn)變。隨著渦動(dòng)理論的進(jìn)步，通量觀測(cè)儀器原只能在均一下墊面安裝，現(xiàn)根據(jù)需要可以在復(fù)雜下墊面安裝。以長(zhǎng)期通量觀測(cè)樣地為基礎(chǔ)，結(jié)合環(huán)境氣象、水文學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)觀測(cè)，增加光譜觀測(cè)、太陽(yáng)誘導(dǎo)熒光等與衛(wèi)星遙感相結(jié)合的地面觀測(cè)，結(jié)合碳、氮、氫、氧的穩(wěn)定同位素等觀測(cè)拆分碳水循環(huán)和溯源分析，以擴(kuò)大通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域。為了能實(shí)時(shí)評(píng)估通量，通量觀測(cè)必須增加與新一代高光譜和高分辨率衛(wèi)星之間的聯(lián)合，并通過(guò)深度學(xué)習(xí)的方法解釋這些數(shù)據(jù)。

4.2 觀測(cè)規(guī)范化、數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化

研究[33]發(fā)現(xiàn)通量數(shù)據(jù)的異質(zhì)性主要是由于數(shù)據(jù)收集、通量計(jì)算和提交前數(shù)據(jù)整理的差異造成的，突出了對(duì)數(shù)據(jù)不確定性的估計(jì)和對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的統(tǒng)一評(píng)估的必要性，下一步急需研究、制定通量觀測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸、數(shù)據(jù)剔除、差補(bǔ)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，建立具有氣象特色的標(biāo)準(zhǔn)通量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集和氣象、植被、土壤、水文數(shù)據(jù)集。按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和協(xié)議存儲(chǔ)管理數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)共享與網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，具備數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、共享功能。服務(wù)于陸面過(guò)程模式驗(yàn)證、生態(tài)學(xué)領(lǐng)域、科學(xué)試驗(yàn)和聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)研究，服務(wù)于重大科技需求的專題性觀測(cè)和科學(xué)研究。

4.3 區(qū)域聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)期研究

建立和維護(hù)通量站需要大量的財(cái)政投資，氣象部門(mén)建設(shè)的通量站數(shù)量雖逐年增加，但在空間上仍非常稀疏，部分站點(diǎn)的空間代表性存在問(wèn)題，氣象部門(mén)應(yīng)發(fā)揮高密度氣象觀測(cè)站的優(yōu)勢(shì)，將通量站與氣象站結(jié)合能捕捉到極端氣象事件和罕見(jiàn)氣象事件。目前CNERN、CERN、CFERN等許多臺(tái)站通量積累的數(shù)據(jù)的持續(xù)最長(zhǎng)的已達(dá)20年，氣象部門(mén)臺(tái)站可以與其合作對(duì)通量觀測(cè)持續(xù)支持，構(gòu)建面向全社會(huì)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化的通量科學(xué)數(shù)據(jù)管理與共享服務(wù)體系，通過(guò)更長(zhǎng)期的觀測(cè)會(huì)揭示新的和重要的問(wèn)題，提高相關(guān)創(chuàng)新能力和服務(wù)國(guó)家建設(shè)的支撐能力。

4.4 后續(xù)的數(shù)據(jù)同化工作

陸面過(guò)程參數(shù)化是陸面模式的核心內(nèi)容，在以往的研究中僅做了局部地區(qū)參數(shù)化，通量觀測(cè)對(duì)我國(guó)的陸面過(guò)程參數(shù)化方案改進(jìn)并沒(méi)有實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)，需要進(jìn)一步開(kāi)展結(jié)合陸氣通量做好參數(shù)化方案的的改進(jìn)工作[93]。由第3.1和第3.2節(jié)的介紹可知，目前已有不少的陸氣通量觀測(cè)數(shù)據(jù)和與生物圈相關(guān)的觀測(cè)數(shù)據(jù)集，通量數(shù)據(jù)集的原始頻率是10 Hz，原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)一系列質(zhì)量控制變成半小時(shí)數(shù)據(jù)，把這些信息融合進(jìn)陸面模型，可提高模型的準(zhǔn)確性，并可補(bǔ)充衛(wèi)星遙感驗(yàn)證數(shù)據(jù)集。再把局部地區(qū)觀測(cè)的高分辨率陸面過(guò)程模擬逐步轉(zhuǎn)化、升尺度耦合到大氣數(shù)值模式的網(wǎng)格上預(yù)測(cè)氣候變化[91]。