如何观测到复杂下垫面的真实地气交换通量

地气之间的物质和能量交换是地球系统至关重要的物理过程。地气通量观测由来已久，通常在靠近地面的高度上实施观测。然而对于复杂下垫面而言，以这样的方式观测到的地气交换通量是否具有局地代表性，以往的研究对这个问题并未给予充分的关注。最近一项研究表明，在复杂下垫面之上实施通量观测需要在较高的离地高度上进行, 其观测结果才具有较为充分的局地代表性。

相关研究的论文题为“城市和郊区复杂下垫面地气交换湍流通量的观测研究”,发表在《中国科学：地球科学》，由南京大学孙鉴泞教授担任通讯作者撰写。研究者利用复杂下垫面之上的多层观测数据进行分析，揭示了城市近地层湍流通量随高度的变化特征和郊区不同高度通量观测结果的差异。

对于非均匀下垫面而言，观测获得具有局地代表性的湍流交换通量显得尤为重要。这不仅关系到如何认识非均匀下垫面地气交换过程并发展出适用于非均匀下垫面的地气交换湍流通量参数化方案，也关系到如何减少用于检验模式模拟能力的观测数据的不确定性。

该项研究发现，在城市冠层之上的粗糙子层当中，动量通量、感热通量和潜热通量都随高度增加，城市下垫面地表反照率的观测值随高度增加，地表净辐射的观测值随高度减小，造成城市地表能量平衡的收支关系随高度变化。这个结果表明，城市地区在惯性子层中实施观测才能获得具有局地代表性的地气交换通量，粗糙子层中的观测结果会出现系统偏差，观测高度越低则偏差越大。研究同时发现，在地处丘陵地带的南京大学仙林校区SORPES观测站，地面观测场的动量通量、感热通量和潜热通量观测值与铁塔上25m和50m两个高度的观测值存在明显差异，而铁塔上两个高度的观测值很接近。这个结果意味着在复杂下垫面靠近地面观测到的地气交换通量会显著受到微尺度环境的影响，需要架设观测塔在较高的离地高度上实施观测，其通量观测结果才具有局地代表性。

这一研究结果为我们重新审视复杂下垫面之上的已有通量观测结果提供了依据，对如何观测到复杂下垫面的真实地气交换通量具有指导意义。

该项研究得到国家重点研发计划项目(No. 2016YFC0200500)和国家自然科学基金青年项目(No. 41805007)资助。

 

更多详情请阅原文：

中文: 沙杰, 邹钧, 孙鉴泞. 2021. 城市和郊区复杂下垫面地气交换湍流通量的观测研究. 中国科学: 地球科学, 51: 1–14, doi: 10.1360/SSTe-2020-0364

https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SSTe/doi/10.1360/SSTe-2020-0364?slug=fulltext

英文: Sha J, Zou J, Sun J. 2021. Observational study of land-atmosphere turbulent flux exchange over complex underlying surfaces in urban and suburban areas. Science China Earth Sciences, 64(7): 1050-1064, https://doi.org/10.1007/s11430-020-9783-2

https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCES/64/7/10.1007/s11430-020-9783-2?slug=fulltext

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