洱海湖气界面水汽和二氧化碳通量交换特征

中国科学:地球科学2014年第44卷第11期:2527~2539www.scichina.comearth.scichina.com中文引用格式:刘辉志,冯健武,孙绩华,等.2014.洱海湖气界面水汽和二氧化碳通量交换特征.中国科学:地球科学,44:2527–2539英文引用格式:LiuHZ,FengJW,SunJH,etal.2014.EddycovariancemeasurementsofwatervaporandCO2fluxesabovetheErhaiLake.ScienceChina:EarthSciences,doi:10.1007/s11430-014-4828-1《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS论文洱海湖气界面水汽和二氧化碳通量交换特征刘辉志①*,冯健武①,孙绩华②,王雷①,徐安伦③①中国科学院大气物理研究所大气边界层和大气化学国家重点实验室,北京100029;②云南省气象科学研究所,昆明650034;③大理国家气候观象台,大理671003*E-mail:huizhil@mail.iap.ac.cn收稿日期:2013-12-13;接受日期:2014-05-30;网络版发表日期:2014-10-28国家自然科学基金项目(批准号:41030106,41021004)和国家重点基础研究发展计划项目(编号:2010CB951801)资助摘要基于2012年涡动相关法取得的洱海湖气之间湍流通量资料,计算了湖面反照率、空气动力学粗糙度和整体输送系数等湖气交换过程的基本物理参数;分析高原湖泊表面动量通量、感热通量、潜热通量和二氧化碳通量的变化特征及其主要的控制因子;采用神经网络法对缺失蒸发量数据进行填补,估算了洱海湖面全年蒸发量.2012年全年蒸发量为(1165±15)mm,大于年实际降水量(2012年的年降水量为818mm).洱海局地环流在全年范围内较显著;全年主导风向为东南(谷风/湖风)和西北风(山风/陆风).高原湖泊感热通量通常只有每平方米几十瓦,通常午后感热通量为负值;即湖面向大气输送热量.夏季湖泊大气界面感热通量最大值出现在清晨,与湖气温差的出现时间一致;在白天湖面的有效能量主要分配为潜热通量;湖气温差和水汽压差分别是感热通量和潜热通量日变化的主要控制因子.湖气界面二氧化碳通量除夏季存在弱的吸收外,其余季节(冬季)表现为弱的排放.湖面反照率的季节变化规律与太阳高度角的季节变动有关,同时湖面反照率与水的浑浊度等有关.与实际观测得到的湖面反照率相比,CLM4湖泊模式在冬季低估(夏季高估)了湖面反照率.关键词洱海湖面通量涡动相关法粗糙度整体输送系数湖泊-大气相互作用是气候系统多圈层相互作用的一个重要组成部分.随着数值模式分辨率的提高,湖泊下垫面对天气和气候模拟的影响不可忽略(任晓倩等,2013).湖泊通过其自身物理属性(相对周边区域反照率较低、热容量较大、表面粗糙度较小等)对区域性气候产生重要的影响(Bonan,1995;Long等,2007;Dutra等,2010;Subin等,2012).数值模拟和观测资料表明,湖泊的存在使得所在区域气温日、季节变化幅度减少(Samuelsson和Tjernström,2001).在日尺度上,湖泊在白天具有良好的降温作用,表现出冷湖效应,而在夜晚则具有保温作用,表现为明显的暖湖效应(杨显玉和文军,2012).在季节尺度上,春、夏季湖面温度相对周边环境温度较低,湖气之间热量交换(感热通量和潜热通量)受到抑制(Lofgren,1997;Rouse等,2008;Dutra等,2010).对于深湖,在秋、冬季湖面温度相对周边环境温度较高并开始释放热量,湖气之间热交换强度增加(Lofgren,1997;Long等,2007;Samuelsson和Tjernström,2001).另一方面,气刘辉志等:洱海湖气界面水汽和二氧化碳通量交换特征2528候变化也会使得湖泊的物理、化学属性发生改变.气候变暖则会改变湖泊水体的混合过程,导致湖水热存储过程发生变化,从而影响湖泊的蒸发以及与大气的能量交换(Oswald和Rouse,2004).气候变化导致蒸发量和降水量平衡关系的改变,也会改变湖泊的面积和深度(Schindler,2009;Small等,2001).湖泊生态系统是气候变化的一个重要指示器(Adrian等,2009).据统计,全球不同大小的湖泊共3.04亿个,面积共460万平方公里,约占地球陆地面积的4%(Downing等,2006).近年来,国外湖泊-大气相互作用研究主要集中在高纬度地区,例如北美五大湖、瑞士日内瓦湖等湖泊的能量和水分循环、碳交换特征等研究.我国是一个多湖的国家,面积1km2以上的湖泊2693个(Ma等,2010).与上述西方科学家关注的大湖相比,我国湖泊的