渦度相關(guān)通量介紹與數(shù)據(jù)處理方法

時間：2025/5/23閱讀：166

1 什么是渦度相關(guān)通量（Eddy Covariance Flux）？

能量流動與物質(zhì)循環(huán)是地圈、生物圈與大氣圈相互作用的重要紐帶，也是生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學研究的核心內(nèi)容之一。渦度相關(guān)通量技術(shù)（Eddy Covariance, EC）是一種基于微氣象原理的觀測方法，通過測量垂直風速與氣體濃度的瞬時變化，估算陸氣界面物質(zhì)（如CO?、水汽）與能量的交換通量。該方法通過計算垂直風速與氣體或能量脈動的協(xié)方差，能夠直接獲取植被冠層與大氣之間的能量和物質(zhì)交換，是目前國際上廣泛采用的標準通量觀測方法。相較于傳統(tǒng)的通量估算方法，渦度相關(guān)技術(shù)具有以下顯著優(yōu)勢：

整合性強：所測得的通量反映了整個生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的凈交換總量。例如，對CO?的觀測結(jié)果即為光合作用吸收與呼吸釋放的合成值，即凈生態(tài)系統(tǒng)交換量（NEE）。
時間連續(xù)性好：可實現(xiàn)全天候、全年無間斷的自動化監(jiān)測，提供從分鐘、小時到日、月、年及年際等多時間尺度上的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。
空間代表性強：通量塔的“感應面積"可覆蓋數(shù)百平方米至數(shù)平方千米，遠超傳統(tǒng)的小尺度測量方式。

隨著該技術(shù)在全球碳水循環(huán)研究中的廣泛應用，長期、連續(xù)的渦度通量觀測正為以下研究提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持與機理理解：生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力評估、水分與能量平衡分析、生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應反饋、區(qū)域與全球尺度模型的優(yōu)化與驗證、以及氣候事件對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響。通過單點長期觀測，可明確不同氣候區(qū)與植被類型下的碳水通量強度基線及其季節(jié)性與年際變異特征；而多站點的聯(lián)網(wǎng)觀測，則有助于揭示生態(tài)系統(tǒng)碳通量在區(qū)域與全球尺度的空間變異規(guī)律，進一步探討溫度和降水等氣候因子在區(qū)域尺度上對碳通量格局的生物地理控制機制。渦度相關(guān)技術(shù)的原理與應用可參考以下文章：

陳世蘋, 游翠海, 胡中民, 陳智, 張雷明, & 王秋鳳. (2020). 渦度相關(guān)技術(shù)及其在陸地生態(tài)系統(tǒng)通量研究中的應用. 植物生態(tài)學報, 44(4), 291-304.

祁亞輝, & 王小丹. (2023). 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量面臨的挑戰(zhàn)與機遇——基于渦度協(xié)方差測定. 生態(tài)學報, 43(8), 2979-2994.

圖1 渦度相關(guān)技術(shù)通量觀測示意圖(以CO2通量觀測為例)（來源：陳世蘋等，2020）

2 渦度相關(guān)通量數(shù)據(jù)處理方法

通量數(shù)據(jù)處理一般遵循以下步驟：

1) 原始數(shù)據(jù)質(zhì)量控制（如去除異常值、儀器錯誤）。

2) 通量計算與坐標旋轉(zhuǎn)。

3) 通量修正

WPL 修正：考慮密度波動引起的誤差

頻率響應修正：補償儀器對高頻/低頻信號的衰減

u* 過濾：去除低湍流條件下的數(shù)據(jù)

4) 數(shù)據(jù)插補與間隙填補

5) 年尺度的GPP、Re、NEE推算。主要包括基于夜間NEE與溫度回歸，或者晝夜分割方法等。

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渦度相關(guān)通量介紹與數(shù)據(jù)處理方法

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