通量觀測：認識氣候系統各圈層相互作用的重要橋梁

■ 許小峰

闡述了通量觀測系統在天氣、氣候、生態、環境等領域涉及到不同圈層相互機理研究中的重要性；介紹了陸面通量的特征和觀測機理，及相關觀測方法的發展脈絡；對幾種主要通量觀測方法做了概要說明；并對目前全球陸氣、海氣通量網發展建設概況做了介紹；最后對如何進一步加強通量觀測網建設提出了建議。

研究氣候系統的演變規律，不僅要了解組成氣候系統的各個圈層是如何變化的，更要掌握各圈層之間相互影響、相互作用的過程和機理，這樣才能把握住氣候系統運動的整體規律及演變背后各圈層之間的內在聯系。而研究不同圈層間的相互作用，需要獲取它們之間的物質（如二氧化碳、水汽）和能量（如感熱、潛熱）交換信息，即這些量在不同圈層間的通量變化。得到這些數據需要建立觀測站點或觀測網絡，針對特定的交換要素，對其變化進行監測、跟蹤和分析，掌握相互作用的實際過程與定量變化，并以此為依據做進一步分析預測。不僅對氣候問題如此，在天氣尺度問題的研究中，也同樣需要關注通量變化，如大氣環境問題中的污染擴散、城市化對天氣系統的影響、不同下墊面對陸氣、海（水）氣、冰氣相互作用等，都與各圈層界面間的交互和邊界層的影響密切相關。相關研究和試驗已表明，無論是對短期天氣預報，還是中長期天氣預報，地表通量信息的加入都能對準確率的提升產生正效應。

所謂通量，定義為單位時間通過單位面積氣流對某物理量的輸送。從天氣、氣候研究分析各圈層相互作用的角度，重點關注的是大氣與不同圈層界面間的垂直通量。如水汽通量，指植物蒸騰和土壤蒸發可以造成地表或植被與大氣間向上的水汽通量輸送，而水汽凝結造成的通量方向向下。植被和土壤通過呼出二氧化碳造成與大氣間向上的碳通量，植被通過光合作用提供方向向下的碳通量。這些通量交換過程主要是在大氣邊界層發生的，而湍流運動是大氣在邊界層的重要運動方式，也是下墊面與大氣能量與物質輸送交換的主要載體。因此，要想正確認識陸氣或海氣通量過程，就必須對湍流進行觀測和分析。

當某層大氣上下邊界的動量或熱量輸送有差異時，就會引起層內大氣的風速或溫度發生變化，即大氣物理量上下邊界的差值控制著其在層內的變化。因此，通量測量與分析的基本原理是根據近地面層溫度、濕度、動量及其他物理量存在垂直差異為基礎進行推算的。在處理湍流通量時，有兩個基本假定，一是水平方向上通量輸入與輸出相等，即：

由于湍流運動的復雜性，很難像自由大氣那樣通過閉合方程組推算其運動規律，但通過觀測資料可以發現湍流變化中確實存在某些穩定且可重現的規律性特征存在，這為利用某些變量建立統計經驗關系式提供了可能。利用相似理論，可將相關變量組成無量綱組，利用實測數據確定無量綱數組量值，再通過經驗曲線或回歸方法描述實測數據，從而確定無量綱數組相互間的關系。1954年，蘇聯科學家莫寧（Monin）和奧普霍夫（Obukhov）在總結前人工作的基礎上，提出了湍流運動相似理論（簡稱M-O理論），建立了湍流通量統計量與平均值之間的聯系。該理論以摩擦速度u*，溫度脈動通量(w'T')，浮力因子g/T和高度z為控制參數，構造出新的長度尺度稱為Monin-Obukhov長度，其中T為溫度，T'為脈動溫度，κ為卡門常數，g為重力加速度，w'為垂直脈動速度。M-O相似理論的核心是，以高度z和L構成一個無量綱的相似坐標ζ=z/L，地表層所有湍流統計量在使用基本參量無量綱化后都是相似坐標ζ的普適函數，其中下標*表征具體的物理量，上標'表示無量綱化后的物理量。

無法由量綱分析直接給出，需要結合理論模型和實驗數據共同獲得。由于大氣浮力參數通常變化不大，實際要解決的問題是熱通量和速度量的表述。盡管在當時條件下，受觀測條件的限制，難以通過實際資料和實驗準確確定無量綱參數量值，相似理論與實際應用尚有距離，但為后期的研究工作提供了理論指導，并在實踐完善過程中得以確認，成為研究邊界層湍流運動規律及間接觀測方法的基礎和依據。

到目前為止，湍流通量的觀測方法正是按照對湍流運動規律的基本認識沿著兩條路徑推進的，即直接觀測與間接觀測。

1 幾種近地層的通量測量方法

常用的通量觀測方法主要有渦動相關法（Eddy Covariance）、波文比法（Bowen Ratio System能量平衡法）、空氣動力學法（Aerodynamic Method，簡稱AM，也稱為梯度法）、總體輸送法（Bulk Transfer Method，簡稱TM）等。

渦動相關法屬于直接觀測法，是1951年澳大利亞科學家Swinbank提出的，通過選擇垂直地表的一個體積單元，利用連續方程研究體積元內的空氣流動，分析其中某物理量的收支變化情況，通過計算風速垂直脈動量與某物理量脈動量的協方差所求得結果。為通量，w'為垂直風速脈動量，c'為某物理量c的脈動量。

這種方法是一種基于直接測量、精度較高的通量觀測方法，利用專門設計的儀器可以相對簡單地測出地表物質通量、感熱通量和潛熱通量，但由于儀器價格和維護成本也高，普遍使用有一定難度。

隨著航空技術和探測技術的發展，近年來利用小型飛機配備渦動相關探測所需儀器裝備的通量觀測法（Aircraft Eddy Covariance）逐步發展成熟，在歐洲、美國的一些區域通量觀測研究項目上得到應用。如在歐洲碳收支區域評估和模擬研究計劃（RECAB）中就使用了飛機在西班牙、意大利、德國、荷蘭和瑞典開展了區域通量觀測（圖1）。飛機上裝有測量各類氣象基本要素、大氣湍流、大氣成分的高頻傳感器，可以獲取計算地表通量的所需變量。

圖1 通量觀測飛機機構示意圖

波文比法也稱為能量平衡法，是1926年英國物理學家Bowen在研究自由水面的能量平衡時提出的。他通過獲取水面與空氣間的亂流交換熱量（感熱通量H）與自由水面蒸發水汽的耗熱（潛熱通量λET）的比值（波文比β），并結合能量平衡公式，求出感熱通量和潛熱通量。下墊面能量平衡方程為：為到達地表的凈輻射通量；λ為水的汽化潛熱；G為土壤熱通量。波文比測量儀就是根據波文比法原理設計的，也是比較常用的地表通量測量方法。

波文比β還可以衡量近地層空氣的穩定度狀況：波文比越大，表明感熱交換越強烈，空氣越不穩定，波文比越小，大氣越穩定。

空氣動力學法測通量也稱為梯度法，根據Monin-Obukhov相似理論，可得到風速、位溫、濕度的垂直廓線，然后可計算出感熱、潛熱通量。

空氣動力學方法物理概念清晰，應用相對簡單，得到較為普遍的應用，但同波文比方法類似，都屬于間接測量方法，在算法上做了簡化，而其中的假定條件會與特定的時空環境密切相關，在不同的下墊面和大氣層結等因素的影響下，測量結果易出現偏差。也有人提出了將波文比法與空氣動力學方法相結合，各取所長的組合法，有一定改進，但無法完全消除計算不穩定問題。

總體輸送法同樣是一種間接計算通量的方法，也是基于Monin-Obukhov相似理論，利用溫度、濕度、風的梯度資料計算地表湍流通量，關鍵問題是要確定經驗常數，即總體輸送系數，建立某地的湍流通量與常規風、溫、濕梯度變化的關系。這種方法從原理到計算都相對簡單，比較適用于臺站業務使用。但由于確定總體輸送系數的參數化方案有不確定性，同時也受到環境條件的影響，容易造成計算結果的差異。

根據總體輸送理論，總體輸送系數可表示為：

式中，CD、CH、CE分別為動量、熱量和水汽的總體輸送系數，k是Karman常數，Pr0（0.74）為中性層結時的湍流Prandtl數，ψM、ψH和ψE是動量熱量和水汽廓線函數從Z0到Z的積分形式，Z0、Z0H、和Z0E分別是地面風速、氣溫和水汽的粗糙度，可假定三者近似相等。L為Monin-Obukhov穩定度參數，需要根據大氣層結情況通過經驗函數或迭代方法計算。有了總體輸送系數，按照總體輸送理論，地面動量、感熱和潛熱通量可以表示為：

式中ρ為地面空氣密度，與海拔高度有關；Tg為地面溫度；LE潛熱系數；qgS是地面飽和比濕；β為土壤濕度蒸發系數。

輸送系數與湍流輸送強度密切相關，由于算法不同，成為影響地面通量計算結果最不確定的因素。具體算法可分為直接法和間接法兩種。直接法包括渦旋相關法、廓線—通量法和經驗函數參數化方法等3種；間接法也稱倒算法，先利用空氣動力學方法、組合法、波文比能量平衡法或變分法等結合風、溫、濕等氣象要素的梯度觀測資料，計算出地面動量、感熱和潛熱通量，再通過總體輸送公式反算出總體輸送系數。如果氣象臺站能增加溫度、濕度、風的梯度觀測，采用總體輸送法估算地表通量應是值得選擇的方案，實現會相對簡單。

還有其他一些測定通量的方法，如蒸滲儀法（Lysimeter Method），通過稱重的方式確定不同時間土壤水分的差異，確定通量；大孔徑閃爍儀法（Large Aperture Scintillometer，LAS），通過發射器與接收器之間光速隨湍流通量變化而產生的折射變化推算通量強度。

衡量通量數據質量的重要標準之一是能量閉合度CR，定義為：

式中，CR越接近1，能量閉合度越高，表示凈輻射與土壤熱通量之差越接近等于感熱通量與潛熱通量之和。

2 全球陸氣、海氣通量觀測發展概況

從天氣、氣候到生態、環境領域，都離不開對相關要素通量交換的分析研究，建立通量觀測系統逐步在國際相關領域形成共識。隨著通量觀測技術的發展，20世紀80年代開始，美國、歐洲、日本等開始逐步建立通量監測站，對碳、熱、水汽等要素的陸面交換過程進行通量觀測，并伴隨開展了一些試驗研究項目，對觀測數據進行分析研究，如“北方生態系統-大氣研究（BOREOS）”、“北半球氣候-陸面過程試驗（NHCPLSE）”。

1995年，在意大利阿爾卑斯山的La Thuile舉行的通量觀測國際研討會上，各國同行討論并提出了建立國際通量觀測網（FLUCNET）的建議，成為促進全球和區域范圍通量觀測站的建設的重要轉折點。此次會議后，通量觀測網建設加速，大約經歷了8～10年時間，全球范圍的通量站從幾十個發展到400多個。在各國政府和科學界的支持下，在歐洲、北美、亞洲區域逐步形成了EuroFlux、AmeriFlux和AsiaFlux，為建立全球性的網絡FLUXNET奠定了基礎。

1998年，美國國家航空航天局（NASA）決定正式成立全球通量監測網FLUXNET，將其作為檢驗對地觀測系統衛星（EOS）產品的地面驗證支持系統，并在美國蒙大拿州的波爾森召開了第一屆FLUXNET研討會，在會上討論并提出了將通量數據和衛星遙感信息相結合，提供全球碳總量和凈量交換評估產品的構想，這一構想以論文的形式發表在1999年Remote Sensing of Environment期刊上。

FLUXNET歷史上另一個重要事件是2000年在美國加州馬可尼召開的研討會。會上，30名科學家在一起首次分享了各自的通量數據，并計劃以此為基礎，共同撰寫一組綜合性論文，體現FLUXNET觀測的科學成果和應用價值，約十幾篇論文發表在了2002年Agricultural and Forest Meteorology期刊上。

大約間隔1～2年，都會舉辦一次FLUXNET國際研討會，隨著巴西、加拿大、中國和澳大利亞等國的區域網絡建設和加入，FLUXNET覆蓋范圍和站點數都在持續增長。FLUXNET第二階段發展得到了美國國家科學基金會（NSF）“研究協調網絡計劃（Research Coordination Networks Program 2007-2011）”的支持，一些著名企業、大學和實驗室也給與了技術和設備支持，從而加快了數據庫和網絡建設，使信息共享與分發的能力明顯增強。

2009年，在美國加利福尼亞州阿西洛瑪（Asilomar）召開的研討會上，關注的問題不再僅限于觀測網和數據庫的建設，而是探討如何使這些珍貴的資料在地球系統模擬研究中得到應用。例如，代表們著重分析了利用通量數據在改善對地表、氣候以及碳循環建模工作中的作用，并將研討成果應用到了正在發展的地球系統模式的最新版本中。這次研討會的成果發表在2013年Ecosystems雜志上，主要內容是關于干旱條件如何影響生態系統通量模擬的準確性。

2014年，美國能源部向FLUXNET網站托管地加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室提出進一步改進和擴展FLUXNET建議，以解決好全球生物地球科學界面臨新的不斷增長的科學問題，提出應努力像科學界提供自由開放、公平共享的數據集，并提供計算資源和支持科研人員定期生成更新數據集，而不是每7年左右才生成一個新數據集的傳統做法。這項提案促進了站網管理者在改進數據管理、開放共享數據、提高數據質量等方面進行了改進和提升，方便了全球相關領域科學家對數據庫信息的獲取和使用，在氣候、生態、環境、農業、林業、城市發展等領域產生了大量基于FLUXNET資料的科研成果。目前FLUXNET站點已覆蓋了全球主要陸地區域，共有800多個活躍通量測站，可以反映大部分區域的通量交換狀況，涵蓋了各類林地、草原、濕地、農田、冰雪、裸地等不同下墊面狀況，還有些特殊區域站點相對缺乏，如我國的青藏高原地區、格陵蘭地區和非洲的部分區域（圖2）。

圖2 FLUXNET站點分布，藍色圓點表示測站，暗黑色部分表示尚不能很好反映的區域（來自FLUXNET網站）

中國陸地生態系統通量觀測研究網絡（CHINAFLUX）創建于2001年，由中國科學院牽頭負責，依托國家生態系統觀測研究網絡（CNERN）和中國生態系統研究網絡（CERN），以研究生態系統變化規律為主要目標。站點選擇以我國植被地理分布特征生態區劃為依據，選取在東北樣帶（NECT）、東部南北樣帶（NSTEC）和草原樣帶（CGT）區域布設觀測站點。2014年，中國通量觀測研究聯盟成立，在北京舉辦了第一次學術研討會，除中國科學院外，來自農業、林業、水文、氣象等部門和高等院校，及從事通量觀測研究的學術團體的代表加入了聯盟，相關的通量觀測站也并入到CHINAFLUX。目前CHINAFLUX已擁有近百個針對農田、草地、森林、濕地、荒漠、城市、水域等不同類型生態系統的通量測站， 成為全球通量網FLUXNET的重要組成部分。

圖3 廣東電白/博賀國家氣候觀象臺海洋觀測平臺

中國氣象局2006年開始啟動了國家氣候觀象臺建設試點工作，在內蒙古、安徽、廣東、云南、甘肅選擇反映不同氣候帶特點的5個站點作為氣候觀象臺。在試點的基礎上，2018年在全國遴選了首批24個站正式成為國家氣候觀象臺，在這些臺站建設中，大都設計了通量觀測項目，將成為我國氣候系統業務、科研工作的重要支撐。若能在未來的氣象臺站規劃中，適當增加梯度觀測項目，可為擴充通量觀測奠定基礎。實際上，我國不少單位在研究氣候問題過程中也都布設了不少通量觀測點，如中國科學院青藏高原所在青藏高原、新疆沙漠氣象研究所在新疆沙漠地區、廣東生態氣象中心在南海一帶（圖3）也都建設了區域通量觀測網；國家氣候中心通過氣候變化科研項目的支持也在湖南洞庭湖區和東北大興安嶺林區、南甕河沼澤濕地等地建有二氧化碳、甲烷等通量觀測站；還有許多科研項目也都建立了獨立的通量站網，如能整合好這些資源，將有助于我國生態、環境、天氣、氣候科研與業務水平的提高。

以上通量觀測方法或站網建設以陸面為主，只有在陸面或近海一帶有條件設置較完備的探測站點，而要解決全球大范圍通量觀測問題，還應從空間對地觀測角度考慮，探索利用衛星資料的解決方案。在這一方向上已取得顯著進展，通過反演海面溫度、濕度、風場垂直變化廓線來推算通量變化，不少網站已能提供衛星通量數據產品，但仍需要設法克服衛星探測存在的弱點，如精度、云雨衰減、時間分辨率等，才有可能獲取滿意的結果。有學者2006年曾發表文章，對5類公開發布的通過衛星資料制作的海洋通量產品進行評估檢驗，當時得出的結論是衛星通量產品尚不適合在全球海洋氣候研究中定量使用，精度不夠，與實測資料相比存在20%～30%的誤差，但可以在區域數值模式中使用，使用效果取決于具體模式對通量資料的同化能力。

2 0 1 6年1 2月1 5日，NASA成功發射了CYGNSS測風小衛星星座，由8顆6U-Cubesat星組成，每顆星可以同時接收至少4顆GPS衛星的折射和反射信號，折射信號用來確定CYGNSS衛星自身的位置，反射信號來自海洋表面，通過測量反映海面風浪運動的粗糙度變化，分析確定風速、風向等級和變化。8顆小衛星協同觀測，可以在40°N—40°S任一觀測點每3 h重復一次。由于GPS的微波信號具有穿透云雨的全天候特征，CYGNSS星座可以捕捉到在廣闊的海洋上完整的風場信息，而不受天氣系統發生時云系和降雨的影響。這一成果為氣象學家獲取海氣通量產品提供了技術條件，將海面風場信息與模式大氣溫濕分析場信息結合，利用空氣動力學方法，可以推算出海面潛熱和感熱通量。圖4為利用CYGNSS海面測風信息結合NASA的高分辨再分析資料MERRA-2的溫度、濕度資料計算的全球海洋潛熱、感熱通量分布。

3 結論

圖4 2018年1月29日通過CYGNSS測風小衛星星座計算的全球海洋通量數據

1）無論是對生態系統、氣候系統還是大氣運動的研究，通量都是最重要的基礎信息。從目前的觀測業務能力看，還遠不能滿足需求，在未來的科研項目或業務建設中，都應更加重視這一環節，加快彌補這一短板，從而掌握各圈層相互作用過程中能量、物質交換的實際情況和影響。

2）從技術層面，通量觀測已比較成熟，直接觀測相對精準，但成本高一些。間接觀測直接投入成本低，但需要的在數據處理方面做更多的工作，有可能在更多的觀測臺站實現。對于廣闊的海洋，可以通過浮標、鐵塔等方式觀測。但最終解決大范圍的觀測，衛星遙感信息有更大的潛力。對一些特殊性的區域性觀測，也可以嘗試通過飛機（包括無人機）實現。

3）盡管目前的測站從觀測密度和覆蓋面都尚不能滿足需求，但分布在各部門、各單位所建設的測站通量信息也還未能實現完全共享，CHINAFLUX網整合了一些站點，還應協調更廣泛的合作，使有限的資源發揮更大效益。

4）通量信息的應用相對要復雜一些，不像應用一般要素那么直接，需要加強相關的研究、學習和培訓。通過在應用中產生效益，將會進一步促進對通量觀測重要性的認識。

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