隨著渦度相關(guān)法被廣泛用來測(cè)定地表與大氣間物質(zhì)和能量交換，通量貢獻(xiàn)區(qū)分析的概念和方法也應(yīng)運(yùn)而生。在地氣交換研究中，基本方法都是基于單個(gè)空間點(diǎn)的連續(xù)觀測(cè)，并以此來獲得感興趣區(qū)域的湍流參數(shù)的定量描述［1］。對(duì)于面積足夠大、下墊面均一的生態(tài)系統(tǒng)而言，來自各方向的通量是相同的，因此通過測(cè)定冠層上方的湍流通量可以很好地反映真實(shí)的地氣交換情況，其渦度相關(guān)的觀測(cè)值可以反映生態(tài)系統(tǒng)真實(shí)的凈生態(tài)系統(tǒng)交換量。然而由于實(shí)際觀測(cè)中并不能保證觀測(cè)區(qū)域的均質(zhì)性，不可避免會(huì)有下墊面不均一、地形相對(duì)復(fù)雜等情況，這就增加了觀測(cè)難度和不確定性，給湍流數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及數(shù)據(jù)信息解讀等帶來困難。通量貢獻(xiàn)區(qū)函數(shù)恰好反映了地表通量來源，即“源強(qiáng)”與觀測(cè)點(diǎn)之間的函數(shù)關(guān)系，因此，可以利用通量貢獻(xiàn)區(qū)分析定性或定量研究通量信息與地面狀況之間的關(guān)系。

通量貢獻(xiàn)區(qū)分析首要是求解通量貢獻(xiàn)函數(shù)，目前適合不同大氣條件和地表植被狀況的通量貢獻(xiàn)區(qū)模型主要包括解析模型、拉格朗日隨機(jī)模型、大渦模擬模型［2-3］。其中FSAM(FluxSourceAreaModel)是由Schmid［4］提出的歐拉解析模型，該模型通過平流擴(kuò)散的解析解建立起來，依據(jù)大氣擴(kuò)散學(xué)中的倒置煙羽擴(kuò)散理論，假設(shè)風(fēng)向沿X軸負(fù)方向、側(cè)風(fēng)向的擴(kuò)散遵從高斯分布，不考慮垂直方向的通量擴(kuò)散，同時(shí)忽略沿風(fēng)向的擴(kuò)散，各風(fēng)向上的擴(kuò)散相互獨(dú)立，該模型假設(shè)通量觀測(cè)位于常通量層并且通量均來自地面，且氣流水平均勻［5］。由于該模型原理簡(jiǎn)單并考慮下墊面的不均勻性，因而得到了廣泛的應(yīng)用［6］。

本文利用FSAM模型［4，7］對(duì)位于北京市大興區(qū)永定河沿河沙地的楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的渦度相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行通量貢獻(xiàn)區(qū)分析，其目的包括:(1)確定觀測(cè)塔周圍通量貢獻(xiàn)區(qū)的時(shí)空分布特點(diǎn);(2)分析和解釋觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間代表性。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)林場(chǎng)(39°31'50″N，116°15'07″E)。該地區(qū)是海河水系永定河洪積沖積平原，海拔30m，地勢(shì)平坦。研究區(qū)為楊樹人工林，主要營造于1998、2001、2003年，總面積為0．8km2，平均胸徑為14．5cm，平均樹高為16．2m，平均栽植密度為3m×2m。林下植被種類較少，主要為紫苜蓿(MedicagosativaLinn)，尖頭葉藜(ChenopodiumacuminatumWilld)，黃花蒿(ArtemisiaannuaL．)等。每年4—10月為生長季。

2研究方法

2．1通量與小氣候測(cè)定系統(tǒng)

研究區(qū)觀測(cè)儀器包括渦度相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)和微氣象梯度觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)塔高37m，主要觀測(cè)儀器包括:開路式H2O/CO2紅外氣體分析儀(LI-7500，Li-Cor，NE)，三維超聲風(fēng)速儀(CSAT3，CS)，凈輻射儀(Q7．1，REBS)，安裝高度均為20m;氣壓計(jì)(CS105，CS，USA)，翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)(TE525-L，CS，USA)，安裝高度分別為21m和22．5m;4層空氣溫濕度傳感器(HMP45Cprobe，CS，USA)，安裝高度為5、10、15m和20m;3個(gè)土壤溫度傳感器(TCAV107，CS，USA)和3個(gè)土壤熱通量板(HFT3，Seattle，WA)，均置于地表以下5cm、10cm和20cm處;兩個(gè)土壤水分觀測(cè)儀TDR(CS616，CS，USA)置于地表以下5cm和20cm處。

2．2渦度相關(guān)通量觀測(cè)數(shù)據(jù)處理

本文選取大興觀測(cè)站2009年1—12月連續(xù)的渦度相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。塔上數(shù)據(jù)為10Hz實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和30min在線平均數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)采集器(產(chǎn)自美國，型號(hào)為CRR5000)采集，塔下常規(guī)氣象數(shù)據(jù)為30min平均數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)采集器(產(chǎn)自美國，型號(hào)為CR23X)進(jìn)行采集。采集到的數(shù)據(jù)利用SAS軟件進(jìn)行后處理，處理方法包括:野點(diǎn)剔除、趨勢(shì)去除、平面坐標(biāo)擬合［8］、空氣密度效應(yīng)修正［9］、湍流脈動(dòng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)測(cè)試［10］和缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)，最后得到完整的通量序列。根據(jù)本文研究需要，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之前，還要進(jìn)行如下的數(shù)據(jù)剔除:1)由于降雨時(shí)儀器響應(yīng)問題會(huì)出現(xiàn)測(cè)量值的不準(zhǔn)確或不合理的現(xiàn)象，所以剔除降雨量不為零的數(shù)據(jù);2)由于風(fēng)速較小時(shí)湍流混合發(fā)展不充分，因此剔除風(fēng)速小于1m/s的數(shù)據(jù);3)由于摩擦風(fēng)速小于臨界值時(shí)大氣湍流混合程度弱，湍流發(fā)展不充分，因此剔除u*＜0．15m/s的數(shù)據(jù);4)根據(jù)模型適用范圍要求，剔除強(qiáng)穩(wěn)定條件(ξ＞1)和強(qiáng)不穩(wěn)定條件(ξ＜－1)下的數(shù)據(jù)。基于本文剔除數(shù)據(jù)的原則，約保留了60%的數(shù)據(jù)用于通量貢獻(xiàn)區(qū)分析，一般情況下50%以上數(shù)據(jù)就很有代表性。

2．3通量貢獻(xiàn)區(qū)模型

通量貢獻(xiàn)區(qū)(footprint)是指對(duì)近地面層某一點(diǎn)所觀測(cè)到的對(duì)湍流交換過程有貢獻(xiàn)的有效源(匯)區(qū)域或者說對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的通量大小產(chǎn)生主要影響的表面區(qū)域［11］。通量貢獻(xiàn)函數(shù)或源權(quán)重函數(shù)是描述表面源或匯空間分布與觀測(cè)高度zm處觀測(cè)到的通量信息之間關(guān)系的函數(shù)，其函數(shù)值可以解釋為表面區(qū)域某一點(diǎn)對(duì)觀測(cè)值的相對(duì)權(quán)重［7］。為了方便獲得某一觀測(cè)點(diǎn)測(cè)定的某一特定源權(quán)重的通量來源的最小可能范圍，模型引入P水平概念，它表示在通量貢獻(xiàn)達(dá)到P時(shí)的最小區(qū)域上的源權(quán)重函數(shù)的積分相對(duì)于整體的比值。本文根據(jù)Yang等［13］提出的最小化成本函數(shù)的計(jì)算公式，利用單層三維超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)定數(shù)據(jù)和湍流相似性理論求解動(dòng)力學(xué)粗糙度z0。隨著渦度相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，該方法已經(jīng)為許多微氣象學(xué)者所應(yīng)用［14］。本文依據(jù)全年風(fēng)向風(fēng)速分布狀況確定該年的主風(fēng)方向，再計(jì)算不同風(fēng)向和大氣穩(wěn)定度情況下的地表粗糙度。通常假設(shè)連續(xù)10d的z0值是常數(shù)，每10d算1個(gè)z0值，取連續(xù)3個(gè)z0的算術(shù)平均值作為該月的z0值，再根據(jù)需要將結(jié)果按生長季和非生長季計(jì)算出z0多月平均值。

3結(jié)果與分析

3．1風(fēng)場(chǎng)分析及模型輸入?yún)?shù)

2009年全年39．6%的風(fēng)來自146．25°—213．75°方向，24．55%的風(fēng)來自326.25°—33．75°風(fēng)向(圖2)，可視這兩個(gè)方向?yàn)樵撃甑闹黠L(fēng)方向，這主要是因?yàn)闃拥厮诘貐^(qū)處于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，盛行風(fēng)向隨季節(jié)變化而變化，冬季主要受到來自高緯度內(nèi)陸極地大陸氣團(tuán)影響，盛行偏北風(fēng)，而夏季主要是受到變性熱帶海洋氣團(tuán)的影響，盛行偏南風(fēng)。此外，19．06%和16．79%的風(fēng)分別來自33．75°—146．25°和213．75°—326.25°兩個(gè)方向，相對(duì)很小。全年1m/s附近的風(fēng)速最多，其次是2m/s附近，個(gè)別時(shí)間風(fēng)速較大，大約在11m/s，較大風(fēng)速發(fā)生在偏北風(fēng)方向上(圖3)。年平均風(fēng)速是1．86m/s。模型輸入?yún)?shù)均在模型要求的變化范圍之內(nèi)(表1)。生長季時(shí)的zm/z0略小于非生長季，說明在生長季粗糙元以上的測(cè)量高度較小，即動(dòng)力學(xué)粗糙度較大，雖然粗糙元高度和動(dòng)力學(xué)粗糙度不完全相等，但是高大粗糙元和單位面積粗糙元數(shù)量多時(shí)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)粗糙度就大［16］。在生長季，植物正處于生長階段植物葉片茂盛，粗糙元平均垂直范圍較高，而且單位面積上粗糙元的數(shù)量較多，導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)粗糙度較大。此外穩(wěn)定條件下的zm/z0小于不穩(wěn)定條件下，這可能是因?yàn)椴环€(wěn)定條件下風(fēng)速較大，而一般而言，隨著風(fēng)速的增大，z0增大［16］。比較不同穩(wěn)定度條件下的zm/L的絕對(duì)值可知，不穩(wěn)定條件時(shí)其值較小，而L可視作湍流混合的垂直尺度，因此可見不穩(wěn)定條件下湍流混合的垂直尺度較大。此外，146．25°—213．75°風(fēng)向非生長季時(shí)和213．75°—326.25°風(fēng)向時(shí)的σv/u*值較大，說明在這兩種情況下橫向風(fēng)湍流對(duì)通量貢獻(xiàn)區(qū)的影響比較大。