1 引言
陆面过程是指发生在大气与陆地下垫面之间水分、 热量和物质交换的过程， 包含了陆面上所有物理、 化学、 生物和水文等过程（孙菽芬， 2002； 王介民， 1999； 戴永久和曾庆存， 1996）。从20世纪50年代以来， 全球气候变暖， 大气中二氧化碳浓度持续显著上升（沈永平和王国亚， 2013）， 而陆面与大气之间相互作用对大气环流和区域及全球气候变化有着重要的影响（Yasunari， 2007； Xue et al， 2010）， 因此， 有必要对陆地生态系统的能量平衡及其与大气之间的能量交换进行研究。森林生态系统占陆地生态系统的31%（同小娟等， 2018）， 是陆地生态系统的重要组成部分， 在全球整体陆地生态系统中， CO2的交换有70%是通过森林生态系统进行的（Waring and Schlesinger， 1985）， 森林生态系统不仅具有改善和维护区域生态环境的功能， 而且在全球陆地碳循环和维持全球陆地生态系统碳平衡中发挥着非常重要的作用（Heimann and Reichstein， 2008； Woodward et al， 1998； Mielnick et al， 2001）。岭南地区人口稠密， 城市化水平高， 受全球气候变暖影响， 该地区极端天气事件发生的频率和强度都在增加， 对经济、 社会及生态环境造成了极大影响， 严重地影响到了人类的生活及安全（韦志刚等， 2016）。因此， 深入研究岭南地区森林下垫面地区的陆气相互作用， 有利于降低气象防灾减灾的难度， 促进陆面模型的发展， 合理应对气候变化。
近几十年以来， 国内外气象学者在世界各地的草地、 稻田和森林等各种陆地表面进行了大量观测研究， 分析了不同下垫面能量交换特征， 为探究不同生态系统的能量平衡特征提供了一定的观测依据。左洪超和胡隐樵（1994）对比分析了绿洲和戈壁的小气候特征及其季节变化， 发现在夏季的晴天， 白天的绿洲存在冷岛效应， 临近绿洲的戈壁上观测到逆湿现象， 在近地面层的能量传输中绿洲以潜热为主， 戈壁以感热为主。在冬季， 绿洲和戈壁的小气候特征相近， 近地面层的能量传输都以感热为主。Randow et al（2004）研究了西南亚马逊地区的牧场和热带森林两个地点的能量和CO2通量的季节性变化， 研究发现在干季， 与牧场相比， 森林的能量分配和 CO2通量的季节性变化很小； 在湿季， 牧场白天的CO2通量绝对值比森林的更低， 但牧场比森林每天吸收更多的CO2。刘辉志等（2006）分析了半干旱地区农田和退化草地两种下垫面物质和能量交换过程的差异， 发现在干季两种下垫面上的有效能量以感热通量为主， 潜热通量很小， CO2通量差别不大； 在湿季， 两种下垫面的潜热与感热通量相当， 但农田下垫面的潜热通量大于退化草原下垫面， 白天农田下垫面吸收CO2通量较退化草原大， 但远小于森林生态系统。王维真等（2009）分析了黑河流域的草地、 森林及农田三种下垫面的水、 热和CO2通量特征， 发现不同下垫面地气交换特征明显不同， 其中处在绿洲中的站点在夏季的晴天白天由于蒸散量大， 出现了负感热， 表现出明显的“绿洲效应”特征； 各站点随气温升高及作物生长， 潜热通量明显增加； 农田站的CO2通量在生长期内呈现明显的U型结构， 草地下垫面的CO2通量相对变化较小， 森林站的变化最不明显。Jha et al（2013）分析比较了冬夏两季印度中部柚木混合落叶林的二氧化碳和能量通量的变化， 发现植被在干旱的冬季是碳汇， 但CO2固定非常少； 在能量方面， 冬季以潜热通量为主， 夏季感热通量占主导地位。张翔等（2017）利用涡度系统的观测数据分析了青藏高原三江源区人工草地能量分配季节变化差异明显， 感热最低值在12月， 之后随太阳总辐射的增强而增加， 但进入生长季后呈下降趋势， 7月出现次低值； 而潜热通量在冬季较低， 3月以后迅速增加， 最高值出现在7月。慕文玲等（2017）对塔克拉玛干沙漠中人工绿地与自然沙面感热和潜热通量差异性进行了研究， 发现两种下垫面地表热量输送主要以感热为主， 自然沙面感热通量高于人工绿地， 并且变化幅度较大， 感热通量的正负值改变出现在日出和日落前后； 人工绿地潜热通量高于自然沙面， 自然沙面潜热通量最大值变化范围比人工绿地的大， 且自然沙面潜热通量的变化幅度较大。王宇轩等（2021）对黑河流域多种类型下垫面地表能量收支变化进行了比较， 不同类型下垫面能量收支差异较大， 玉米田下垫面月均潜热峰值可达200W·m-2， 是荒漠下垫面的2倍， 湿地、 混合林和胡杨林的潜热季节变化幅度比荒漠下垫面的更大， 其中湿地最大。任雪塬等（2021）对中国北方四种植被类型的能量分配特征以及环境因子对能量分配特征的影响进行了探讨， 发现荒漠草地、 半干旱草地净辐射主要通过感热形式加热大气， 而高寒草甸、 玉米农田则是潜热通量占主导， 且不同下垫面影响Bowen比的主要气象因子也不同。
然而我国下垫面类型复杂， 对岭南地区森林下垫面的陆气相互作用研究较少， 并且就目前我国对通量观测站研究内容来看， 关于陆气相互作用的研究主要针对森林下垫面的单一站点， 缺乏对不同类型森林下垫面多站点的对比研究， 使得对森林下垫面陆气相互作用的认识有局限性。因此， 选取岭南地区典型次生常绿阔叶林（珠海）及丘陵灌木林（增城）两类森林下垫面对陆气相互作用特征进行对比研究， 以期对岭南地区典型次生常绿阔叶林陆气相互作用特征和森林与大气间的能量、 水汽和二氧化碳交换有深入的认识， 为将来陆面模式的评估和改进提供一些参考。
2 数据来源和方法介绍
2.1 站点和数据来源
本文所用数据来源于珠海凤凰山典型次生常绿阔叶林陆气相互作用通量观测塔和广州增城丘陵灌木林陆面过程观测塔的观测资料。图1 给出了增城丘陵灌木林站和珠海次生常绿阔叶林站的位置， 广州增城丘陵灌木林陆面过程观测站位于23°20′05″N， 113°49′39″E， 海拔为38.5 m， 塔高70 m， 平均冠层高度为8 m， 下垫面类型为亚热带灌木林， 是有一定起伏的丘陵地形。其中辐射观测系统架设在10 m处； 冠层上气象观测系统分别设在10， 14， 18， 23和28 m； 通量观测系统架设在12 m高度处。测站于2014 年10 月完成调试运行， 于11月上旬开始正式观测（刘海坤等， 2017）。文中均采用北京时。
珠海陆气相互作用通量观测塔位于22°21′ 15.5″N， 113°31′34.2″E， 海拔为38.5 m， 森林冠层的坡度大约为5°， 单管塔高60 m， 塔站下垫面是亚热带典型次生常绿阔叶林， 森林冠层平均高度18 m。其中辐射观测系统架设在47.5 m处； 冠层上气象观测系统分别设在25， 40， 47.5， 55和60 m； 两套通量观测系统分别架设在32.5 m和55 m处（韦志刚等， 2016）。经过9月和10 月两个月的调试后， 于2014年11月10日开始正式观测。
本文使用的数据包括辐射观测系统每半小时的向下和向上短波辐射、 向下和向上长波辐射以及日照时数， 通量观测系统每半小时的潜热、 感热和碳通量， 以及摩擦速度， 气象观测系统每半小时的降水量。
两个观测站仪器系统工作时由涡度相关原理计算在线通量， 存储30 min平均的通量数据， 同时系统会对通量进行超声虚温修正和WPL修正等。
增城站数据选取时间范围为2014年10月至2015年7月， 此期间增城站下垫面为灌木林， 2015年夏季之后， 由于站点周边开始建造楼宇， 下垫面对灌木林的代表性已变差， 因此， 主要分析比较丘陵灌木林与常绿阔叶林的陆面过程特征， 所以选择增城站2015年夏季之前的数据分析。由于珠海站在立塔施工时对塔下方一定范围内的树木造成了破坏， 因此在塔体建设完成之后， 对该范围用相同的树种进行了移栽和补种， 由于移栽的树木需要一定的生长周期才能与周边一致（韦志刚等， 2016）， 因此珠海站2014年的数据不具有足够的代表性， 同时为了保持两个站点的数据间隔时间相同， 故珠海站选取2015年10月至2016年7月， 与增城站数据同样时间长度的数据。增城站2015年3月、 4月和6月的数据存在部分缺失， 珠海站2015年10月、 2016年3 -6月的数据存在部分缺失。
华南地区雨量多雨期长， 4 -9月是华南降水的集中期， 其中4 -6月是前汛期， 7 -9月称为后汛期（鹿世瑾， 1990； 陶诗言， 1980）。过去， 人们直接将某些特定的月份划分为雨季， 如4 -6月为前汛期， 6 -8月为夏季降水期。近几十年人们开始逐渐定量的来判断进入雨季的时间。林之光（1985）以日降水量占全年降水量大于3%作为雨季的指标， 对我国30年降水资料进行分析， 发现华南前汛期在4月上旬至6月中旬。郭其蕴和王继琴（1981）以候总雨量大于等于25 mm作为华南地区的雨季标准， 定义华南前汛期时间为4月5候到6月6候。本文根据纪忠萍等（2005）根据广州中心气象台中长期科关于广东开汛日的定义， 以每年3月1日起， 全省有二分之一以上的站点日降雨量大于38 mm的日期时间作为标准定义华南前汛期开始的日期。
根据文献资料的记录（廖要明等， 2016； 梅梅等， 2017）， 2015年和2016年两年的华南前汛期开始日期分别为5月5日和3月21日， 我们以华南前汛期开始到夏季风结束的日期定义为湿季， 夏季风结束到华南前汛期开始的日期为干季。根据华南前汛期的定义以及所用的资料时段， 增城站干季指2014年10月17日至2015年5月4日， 湿季指2015年5月5日至7月2日； 珠海站干季指2015年10月17日至2016年3月20日， 湿季指2016年3月21日至7月6日。当然， 两站当年干、 湿季的实际长度要更长， 但或由于下垫面的变化或由于仪器故障， 只能选择有限的资料进行对比分析。
如果从日出到日落的时段内， 每半小时的日照时数都大于25 min， 当日降雨量为零， 那么该日判定为晴天； 如果当日降雨量为零， 但每半小时的日照时数不足25 min， 则判定该日为有云天； 如果当日降水量不为零， 则判定该日为雨天。把一天中从日出到日落的时段内每半小时的日照时数都接近30 min， 以及总辐射日变化曲线为光滑的正弦曲线的晴天确定为典型晴天（王欢等， 2020）。在两个站的干季各选择了1个典型晴天， 增城站典型晴天选择2014年12月20日， 珠海站典型晴天选择2016年2月7日。湿季由于天气多变， 仪器故障等原因， 无法挑选合适的典型晴天， 因此湿季选择云天进行分析， 增城站云天选择2015年6月26日， 珠海站云天选择2016年5月14日。需要说明的是， 两站资料年份不一致， 并不影响对日变化特征等的比较分析。
2.2 数据质量控制方法
观测数据会受到天气因素、 地形条件的影响以及仪器自身系统的限制， 由于仪器故障或者在数据的传输和记录过程中的其他原因， 会出现一些异常数据， 必须对这些异常数据进行修正或者剔除， 否则在理论分析中会出现许多问题（陈明和洪钟祥， 1993）。因此需要对通量数据进行进一步质量控制（李祎君等， 2007； Zhang et al， 2016）。具体步骤包括： （1）剔除夜间摩擦速度小于0.1 m·s-1的数据； （2）剔除明显超出合理范围的数据； （3）使用差分法进行异常值剔除。（4）剔除降水天的数据； （5）对短时间（2 h内）的缺失数据使用线性内插的方法进行插补。
差分法（Papale et al， 2006）是基于每个半小时值相对于前后值的位置， 应用于13天的数据块， 并分别用于日间和夜间数据。对于每间隔半小时的数据， 先按下式计算di 值：
式中： NEE表示某一观测值； 下标i表示某一观测时刻。如果该值满足式（2） 或式（3） 条件则被视作异常值剔除。
式中： Md为这些差值的中位数， MAD被定义为：
z是阈值， z越大敏感性越低， 剔除的数据也越少， 它的参考取值通常为4、 5.5或者7（李春等， 2008）。
3 结果分析
3.1 感热和潜热通量的变化特征
为进一步比较两站通量特征， 计算了两站干湿季各通量占比和干湿季平均的日变化特征（图5 ）。在干季， 增城站感热日平均占净辐射日平均的比例约为40%， 珠海站感热占比分别为27%， 潜热占比分别为38%和48%。湿季各站感热占净辐射比例分别为增城站14%， 珠海站18%， 潜热在增城站和珠海站分别占净辐射比例为55%和53%。与湿季相比， 干季的两站的平均感热和潜热通量差异不大， 其中增城站感热略大于潜热， 而珠海站的潜热略大于感热； 增城站净辐射正午时分最大值大于珠海站， 这是由于增城站在所选年份干季的降水量少于珠海站所选年份干季的降水量（见图4 ）， 且增城站晴天和云天天数占比多于珠海（见表1 ）。在湿季， 受充足水汽的影响， 两个站点白天的潜热远大于感热， 潜热占据主导地位。
图4 增城站和珠海站日降水量变化Fig.4 The daily precipitation changes at Zengcheng Station and Zhuhai Station.The black asterisk is the dividing point between wet and dry seasons |
图5 两站干季和湿季平均感热和潜热日变化Fig.5 Diurnal variation of the average sensible heat and latent heat in the dry and wet seasons of the two stations |
表1 两站资料在干湿季节晴天、 云天和总天数的统计Table 1 Statistics of sunny days， cloud days and total days of the two stations in the dry and wet seasons |
| 季节 | 站点 | 总天数/d | 晴天/d | 云天/d |
|---|---|---|---|---|
| 干季 | 增城 | 200 | 36 | 52 |
| 珠海 | 156 | 19 | 39 | |
| 湿季 | 增城 | 59 | 3 | 12 |
| 珠海 | 108 | 3 | 25 |
3.2 波文比的变化和冠层表面负感热
夜晚， 感热和潜热值都很小， 波文比波动较大。波文比夜晚为负值是由于负感热现象所造成， 夜间森林降温快， 大气降温慢， 并且城市下垫面的热量流入森林， 导致大气温度高于森林冠层， 热量向下传输形成负感热。文中选择有明显负感热发生的典型时段作感热日变化（图7 ）， 在所选取的时段内两个站点基本每晚都有负感热产生。
3.3 碳通量的变化特征
从干季和湿季平均的碳通量日变化（图10 ）中可以看出， 在干季和湿季， 增城站白天碳通量最低值都大于珠海站， 表示增城站下垫面的丘陵灌木林对CO2的吸收能力没有珠海下垫面的典型次生常绿阔叶林的吸收能力强， 即珠海下垫面的典型次生常绿阔叶林的固碳能力更强。湿季碳通量波动较干季大。干湿季增城站的碳通量白天的最低值接近， 都在-0.25 mg·m-2·s-1左右， 但是二氧化碳吸收的大值区域时间跨度明显更大， 因此干季的碳通量小于湿季。珠海站湿季白天碳通量最低值约为-0.5 mg·m-2·s-1， 干季接近-0.6 mg·m-2·s-1， 湿季的碳通量略小于干季， 这是干季和湿季平均的结果， 原因很复杂， 需要进一步探讨。珠海站下垫面为常绿阔叶林， 干季和湿季都有很强的光合作用， 但干季基本为晴天， 湿季多云和阴雨天较多， 可能是湿季的碳通量略小于干季的一个原因， 另外湿季盛行西南和东南风， 通量贡献区域一部分来自校园湖泊下垫面， 而干季的风向主要是北风或者东北风， 基本来自森林区域， 也可能干季的碳通量会稍大于湿季。关于这一现象， 将在以后的研究中深入分析。
4 结论
选用增城和珠海两个站点的陆气相互作用通量观测塔的观测数据对两类森林下垫面的能量通量、 波文比、 碳通量特征进行了分析。得出以下结论：
（1） 典型晴天条件和干湿季日平均状态下， 两站感热和潜热的变化特征类似， 干季增城站的感热占主导地位， 珠海站感热和潜热基本相当， 在干季丘陵灌木林的感热和潜热的平均日变化波动比次生常绿阔叶林的波动稍平缓一些； 而湿季随着降水增多， 两站的潜热占据主导， 湿季两站云天净辐射变化呈现锯齿状， 波动较大， 相应的感热和潜热波动也比干季典型晴天条件下的波动更大， 两站在干湿季的夜间都出现了负感热， 个别时刻有逆湿现象出现。干季和湿季波文比在夜间波动较大， 白天波文比为正值， 波动较小。干季白天两个站波文比的值在1附近变化， 证明干季的潜热和感热相当； 白天珠海站的波文比略小于增城站的波文比。湿季白天波文比基本都小于1， 表明湿季的白天以潜热为主。夜晚， 感热和潜热值都很小， 波文比波动大。在所选取的时段内两个站点基本每晚都有负感热产生。
（2） 次生常绿阔叶林的碳通量变化范围比丘陵灌木林更大； 两个站点白天的碳通量为负值， 夜间碳通量都为正值； 珠海站白天碳通量最低值明显小于增城站， 表明增城站下垫面的丘陵灌木林对CO2的吸收能力没有珠海下垫面的典型次生常绿阔叶林的吸收能力强， 即珠海下垫面的典型次生常绿阔叶林的固碳能力更强。干季增城站的碳通量小于湿季； 珠海湿季的碳通量略小于干季， 这可能与珠海站的天气状况和通量贡献区域方向有关。
本文主要对通量的变化特征进行了分析， 关于岭南地区森林下垫面的能量闭合情况有待进一步讨论。分析所选数据时间范围由于限制不满一年， 两站所选的年份也不同， 没有考虑大气候背景， 这可能会对特征分析造成一定影响。且只选取了两个站点作比较， 还可以选取中国通量网络中岭南地区其他森林下垫面的站点数据与本文的特征进行比较分析。此外， 通量变化具有一定的平稳性和一致性， 对2 h以内缺测时刻的数据进行线型插补， 一定程度上考虑了通量数据的特性， 但线性插补只使用了缺测点前后相邻点的数据， 使用的数据较少； 而平均日变化法虽然使用的数据较多， 但是并没有考虑天气变化导致的数据差异， 希望之后能有兼顾各种数据插补优点的方法。