基于FSAM模型的小型养殖鱼塘通量源区分析

论文总字数：22712字

目 录

1 引言 1

2 研究地概况与方法 1

2.1 研究地概况 2

2.2 观测方法 2

2.3 FSAM模型介绍 2

3 结果与分析 5

3.1 研究地风速与其他气象条件特征 5

3.2 模型输入参数 8

3.3 主风方向各个季节的通量源区空间分布 9

3.4 全年各个风向上的通量源区空间分布 12

3.5 通量贡献源区的分布特征 15

4 讨论 15

4.1 仪器架设高度对通量源区的影响 15

4.2 通量信号对被观测对象的代表性 16

5 结论 16

参考文献 17

致谢 19

基于FSAM模型的小型养殖鱼塘通量源区分析

秦志昊

，China

Abstract：The source area of the eddy covariance observation system significantly affect on the spatial representation of the flux data. This study based on the flux data observed from March 2016 to February 2017 in a small aquafarm, which is located in Guandu Village, Quanjiao County, Chuzhou City, Anhui Province. Flux source area model (FSAM) was used to calculate the distribution of source area based on the flux data in different stability conditions, different wind directions, and different seasons. And, the factors influencing source region distribution was analyzed. The results showed that source area in stable boundary layer ( are larger than unstable stratification, on the level P of 80% and 90%. And, the point of maximum contribution to flux is closer to the sensor, which calculated by the model. At the level P of 90%, the range of source area in spring, summer, autumn, and winter was 9.49~86.61m. On stable stratification, in main wind direction(348.75°~78.75°), the biggest area was in summer. Under the unstable stratification, the range of source area in all season was 5.48~61.91m, the biggest area is in spring. the source area in different season was not same on unstable stratification. The range of source area under stable condition in all wind direction was 10.47~87.43m. The biggest range was in wind direction of 146.5°~236°. The range of source area in all wind direction was 5.83~54.13m under stable condition. The biggest range is in wind direction of 236°~348.75°. There was 19.5% of flux signal came from the stable condition. 80.5% of the flux signal came from the unstable condition, during the whole observation period. The source area calculated by the FSAM showed that the flux data observed by the sensor can accurately reflect the flux information of the target aquafarm.

Key words：small aquafarm; footprint of flux; FSAM

1. 引言

在经济社会发展迅速的今天，环境问题愈发引起人们的重视，而不断加重的温室效应所造成的全球性变暖，则成为了最为严重的环境问题之一。据IPCC第五次全球气候变化报告，从1983年到2012年的30年是北半球1400年来最热的30年^[1]。温室效应不断加剧的一个主要原因，就是在全球范围内的温室气体排放不断增多。而为了更好的控制以及缓解温室效应，温室气体的排放过程和排放机理已经成为了最热门的研究领域之一^[2]。

当前，涡度相关观测方法已成为获取地表和大气之间温室气体交换数据的重要手段^[3]。但是在使用涡度相关系统进行观测时，为了获得准确的观测数据，采样点获取的数据在研究区域的空间代表性就成为不可忽视的问题^[4]。准确的观测数据是展开进一步研究的基础，随着研究的不断深入，对于数据的准确度提出了更高的要求。因此，评价涡度相关方法获取数据的空间代表性，即明确通量贡献源区，成为获取准确通量观测数据的基础。

通量贡献源区是指对与在某一点所观测到的通量信号有一定水平贡献的源或汇所在下垫面的范围。目前进行通量贡献源区计算，对于不同的大气边界层高度和不同的下垫面类型，存在多种方法和模型。有基于平流扩散方程的解析模型^[6]，以及基于高斯湍流分布假设的拉格朗日随机模型^[7][8][9]，和大涡模拟^[10]以及闭合模型^[11]等。相比较这些方法，Schmid^[5]于1994年所提出的通量源区模型（FSAM），具有简单的数学形式，简洁的输入参数，并且物理机制明确的特点。因此FSAM模型被广泛用于各种下垫面的通量源区范围的计算与评价。如米娜^[12]等人运用FSAM模型对中国通量网的各森林站通量观测的空间代表性进行了研究；赵晓松^[13]等人利用该模型对长白山地区阔叶红松林的通量观测塔连续12个月的观测资料进行分析，得到了该地区森林生态系统涡度相关观测的通量贡献源区信息；袁庄鹏^[14]等人利用上海城市生态通量观测站的涡度相关系统8月至11月的数据，进行了对于城市碳排放通量源区的研究；陈丽萍^[15]等人利用太湖源雷竹林通量观测塔2013年的观测数据，进行了关于雷竹林生态系统碳通量信息的研究。

在使用FSAM模型对各种类型下垫面的通量源区进行分析的研究中，可以发现大部分的研究是针对于陆地生态系统。近些年来，利用涡度相关观测方法对湖泊，水库等内陆水体的通量观测也得到了广泛开展。与陆地生态系统下垫面相比，水生生态系统下垫面平坦，均一，对于这样的下垫面进行通量观测时，同样需要评价其通量贡献源区范围。然而相关研究却略有欠缺，因此对水生生态系统的通量贡献源区的研究成为了准确获取水-气界面通量信息的关键。

而在各类水体的温室气体排放的研究中，小型养殖鱼塘的排放不可忽视，对该类型水体的温室气体排放的观测也成为了关注的焦点^[16]。本论文的目的在于应用FSAM模型^[5]对小型养殖鱼塘涡度相关观测数据进行分析，以得出在不同风向及大气稳定程度状态下，通量源区的分布以及其随时间的变化特征，以此解释通量观测的空间代表性，为今后的通量计算和分析奠定基础。

1. 研究地概况与方法
   1. 研究地概况

研究地点设立在安徽省滁州市全椒县官渡村的一处由大量小型鱼塘连并组成的养殖区中（31.97°N，118.26°E），如图 1所示。涡度相关系统所朝向的鱼塘面积为3720m²，鱼塘平均深度为1.5m。

图 1 研究区域示意图

注：红色标记为仪器所指向的鱼塘

• 1. 观测方法

本研究使用开路式涡度相关观测系统，系统中有如下设备：开路式CO₂/H₂O气体分析仪（EC150,Campbell Scientific Inc.,Logan,UT,USA），用以获取大气中CO₂/H₂O浓度数据；三维超声风速仪（CSAT3A,Campbell Scientific Inc., Logan,UT,USA），用以获取风速以及超声虚温数据，测量频率为10Hz，观测系统架设高度距离地面1.5m。同时还有其他辅助观测设备：温湿度传感器（HMP155,Vaisala Inc.,Helsinki,Finland）测量大气温度和湿度，风速风向传感器（05103,R M Young Inc.）测量大气风速和风向，自动翻筒式雨量计（TR-525M, Texas Electronics Inc.）测量雨量。温湿度传感器架设高度为1.5m，风速风向传感器和自动翻筒式雨量计架设高度为2.5m；开路式气体分析仪结合三维超声风速仪的测量值依据涡度相关理论由在线处理程序计算气体半小时通量，所有辅助观测的数据全部由在线处理程序计算为半小时数据（其中风速和风向数据为30min的矢量平均）。观测期为2016年3月25日至2017年2月19日。

• 1. FSAM模型介绍

FSAM模型是Schmid于1994年在Horst^[8][9]等的研究基础上，利用van Ulden^[17]和Grying^[18]等所提出的运用K理论以及指数风速廓线的方法求解二维表面上平流-扩散方程所得出的模型。在模型中，假定传感器相对于地面的安装高度为z_m，安装位置为(0, 0, z_m)，这时该传感器得到的通量值为传感器位置迎风方向一定区域下垫面的源或汇的强度，这个区域被称为通量源区。传感器的通量值可以表示为：

式中，x轴的方向与风向平行，但是方向相反，是通量的源或汇的强度，将(0, 0, z_m)处的η和地面上源的分布相关联，因此，被称为通量贡献函数或源权重函数，函数的值可以理解为通量源区范围内一个给定源对于通量观测值的贡献程度或P水平的大小，P水平表示该区域范围对观测值的贡献率。由相同的P水平大小的点所连接成的闭合等值线所围成的区域被称为P水平源区，在研究中，一般选取P=0.8或P=0.9的点所构成等值线所围的区域来表示通量信号观测值的来源范围。

假设在(x_s,y_s,z_s)处存在一单位点源，该点源的强度可以表示为：

式中，是下垫面上单位点源强度的常数，用以确保空间尺度的一致和连续性，η是狄拉克δ(Dirac-delta)分布函数。如果使用（2）式对（1）式在等号两端进行卷积运算，可以得到：

由上式可得，的值与通量贡献函数f成正比。

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