环境生态学课件8

ChineseEcosystemResearchNetwork第第99章章海洋、陆地生态系海洋、陆地生态系统碳循环和通量观测研究统碳循环和通量观测研究方法方法\nChineseEcosystemResearchNetwork第一节背景与科学问题第二节全球碳的研究方法第三节观测方法和设备第四节结果\nChineseEcosystemResearchNetwork第一节、背景与科学问题\nChineseEcosystemResearchNetworkCharacteristicsofSurfaceOcean-LowAtmosphere(SOLA)\nChineseEcosystemResearchNetwork\nChineseEcosystemResearchNetwork60亿吨碳30亿吨碳10亿吨碳？？30亿吨碳20亿吨碳！J全球GO海FS洋研究表通量联明合，研究大洋至多能吸收（JGO20FS亿）吨开的始碳之，有初，认10亿为人多吨类碳每去年处排不放的明，即所谓60多亿吨“碳中丢失，碳汇有一”半（留mi在ssi大气ngsi，另nk）问题。一半则被大洋吸收。\nChineseEcosystemResearchNetwork科学问题2:陆架垂直碳通量的关键过程和传输机理?\nChineseEcosystemResearchNetwork科学问题1:陆架海向大洋的碳输送过程与贡献?\nChineseEcosystemResearchNetworkTheRoleoftheOceanintheGlobalCarbonCycle\nChineseEcosystemResearchNetwork(Theroleofterrestrialecosystemincarboncycle)\nCO关键科学问题关键科学问题33：典型海域垂直碳：典型海域垂直碳2通量的关键过通量的关键过程程和传输机理和传输机理CO2浮游植物溶解无机碳浮游动物物理混合颗粒有机碳水平混合溶解有机碳沉积物再悬浮溶解碳沉积物有机碳底栖生物活动成岩作用\n温ChineseEcosystemResearchNetwork度升高\n过去140年间全球温度的距平变化ChineseEcosystemResearchNetwork(按1961-1990年的平均)DeparturesintemperatureinºCfromthe1961-1990average\n各种模型对未来气温变化的预测\nChineseEcosystemResearchNetworkArcticSeaIcewilldisappearby2080HadleyCentreforClimateChangeNovember2000\nChineseEcosystemResearchNetwork冰拉森冰架架龙尼冰架崩裂2002、3、52002、1、311998、3、231998、2、15\nChineseEcosystemResearchNetwork各种设备探测冰层厚度变化\nChineseEcosystemResearchNetwork3、观测方法和设备采用各种设备探测冰层厚度和CO2浓度变化，扑捉气候变化证据\nChineseEcosystemResearchNetwork全球大气CO2分压的纬度分布8月－北极－上海7月－上海－北极11月－上海－南极390380)mt370aμ(2O360Cp350340-80-60-40-20020406080纬度（“－”代表南纬）\nChineseEcosystemResearchNetwork减少温室效应的科学设想1、在平流层中释放反射粒子；2、向太空释放太阳光反射装置；3、采取措施增加海洋对大气层中碳的吸收。\nChineseEcosystemResearchNetworkq《联合国气候变化框架公约，UNFCCC》于1992年签署生效。q《京都议定书（1997）》拟订了各国的碳排放指标，可以通过“造林、再造林、森林和农田管理”等措施增加的碳吸收量，来抵消本国的碳排放指标。q发达国家都在加大陆地碳有效储存时间和增汇技术的研究力度，评价各种植被和土壤的固碳能力以及土地管理措施的成本效益。\nChineseEcosystemResearchNetwork国家京都议定书波恩协议COP3COP6日本-6-2.1EU各国-8-7.6罗马尼亚-8-6.5美国-7-5.3加拿大-6+1.2新西兰0+1俄罗斯0+2.1挪威+1+3.8澳大利亚+8+8\n朱镕基宣布中国核准《京都议定书》本报约翰内斯堡９月３日电（人民日报9月4日第三版）中国国务院总理朱镕基9月３日在约翰内斯堡可持续发展世界首脑会议上讲话时宣布，中国已核准《〈联合国气候变化框架公约〉京都议定书》。朱镕基指出，这显示了中国参与国际环境合作，促进世界可持续发展的积极姿态。\n全球碳循环研究中的三大科学问题(IGBP、IHDP和WCRP)(1)目前碳源/碳汇的时空格局；(2)碳循环过程的控制因素(人类和自然)与相互作用机理；(3)未来碳循环的动力学过程及趋势。\nChineseEcosystemResearchNetwork第二节、全球碳的研究方法\nChFLinesUeEXcoNsyETstem的Re观测系统searchNetwork\nChineseEcosystemResearchNetwork日本的FLUXNET观测系统\nChFLinesUeEXcNosyETstem的Re组织系统searchNetwork\nChineseEcosystemResearchNetworkSatelliteremotesensingobservationplanComparableObservationalMobileobservationplanoftypicalobservationamongecosysteminplandifferentecosystemtowertypesChinaFluxOObbservservaationationallPlPlaansonsoffTheTheCChinhinaaFLUXFLUX\nChineseEcosystemResearchNetworkPPoositisitioonofnofttheheCChinahinaFFluxluxSSiitestes\nChineseEcosystemResearchNetwork碳通量观测站点和样带\nC微气象学hineseEcosys的tem直接测定法ResearchNetwork空气动力学法热平衡法涡度相关法在群落上部，测定风速和CO浓度，直接计算群落－大2气间的CO通量。2这种方法是能够直接测定大气与群落CO交换量的唯一2方法，已经成为检验各种模型估算精度的最为权威的方法，也是验证以上各方法精度的标准方法。\n涡度相关法原理ChineseEcosy鉛直風速stemR赤e：正search水平風速Netwo赤rk：強（上図）青：負（下図）青：弱鉛直(ｘ－ｚ)断面乱流运动LAI=2\nChineseEcosystemResearchNetworkFluxandwindeddyhighCO2eddyCOtransport2lowCO2Flux=nettransportratePhotosynthesisperunitareaandunittime\nChineseEcosystemResearchNetworkEquationsofEddyCorrelationMethodSensibleHeatFlux:H=rqCpw''LatentHeatFlux:E=rLvwq''CO2HeatFlux:F=rwc¢¢\nChineseEcosystemResearchNetwork式中:N11Tw'=w-ww=»òowdtwåiTNi=1TN11q'=q-qq=»òqqdtåiTN0i=1TNq'=q-qq=»11òqdtqåiTN0i=1TN11c¢=-ccc=»òcdtcåiTN0i=1\nChineseEcosystemResearchNetworkBowenRatio/EnergyBalanceMethodThedefinitionoftheBowenratiowasmadewithrespecttofluxesasfollows(Bowen1926):(1)b=H/EThetheoreticalbaseofBowenratiomethodissurfaceenergybalance.IfApresentsthesumofHandE,then.(2)A=H+E=R--GSnFrom(1)and(2),wecangetìbH=Aïïb+1(3)í1ïE=Aïîb+1\nChineseEcosystemResearchNetworkBowenRatio/EnergyBalanceMethodTheBowenratiocanbeexpressedafterapproximatingthefluxesbygradientsinthefollowingmannerH.CpDqb==(4)ElDqWithequation(4),theBowenratiocanbecalculatedusingprofiledata.Thenintroducesbintoequation(3),andsoHandEarecalculated.\nChineseEcosystemResearchNetwork空气动力学方法空气动力学方法是根据近地面层空气动力学特征，计算能量和物质通量的输送过程。风速、温度、湿度、二氧化碳或氧化亚氮输送的梯度表达式为：¶uu*(5)=jm¶zkz(-d)¶q-H=jh(6)¶zrCPkuz*(-d)¶q-LE=jw(7)¶zrLVku*(z-d)¶C-FN2O,CO2N2O,CO2=(8)¶zku*(z-d)\nChineseEcosystemResearchNetwork由（5）—（8）可得222æ¶uö2(9)t=rk(z-d)ç÷jmè¶zø22¶u¶q-1(10)H=-rCkP(z-d)(jjmh)¶z¶zLE=-rLk2(z-d)2¶u¶q(jj)-1(11)Vmw¶z¶z22¶u¶CN2O,CO2-1FN2O,CO2=-rk(z-d)(jjmN2O,CO2)(12)¶z¶zCPP0-1g==0.67hapC式中k为Karman常数；g为湿度表常数，eLv;d为j，j，，jj位移长度(d=0.63h,h为植被高度）；mhwN2O,CO2分别为风速、温度、湿度和二氧化碳及氧化亚氮的稳定度通用函数，它们的表达式为\nChineseEcosystemResearchNetworkæzözz(13)jmç÷=1+bm,当³0èLøLL1-æzzöæö4z(14)jgç÷=ç÷1-£,0当mmèLLøèøLæzöæzöæzözzjhçè÷ø=jwçè÷ø=jN2O,CO2çè÷ø=1+bh,当³0(15)LLLLL1-æzöæzöæzöæzö2zjhçè÷ø=jwçè÷ø=jN2O,CO2çè÷ø=çè1-gh÷ø,当£0(16)LLLLL系数bm,gm和bh,gh见下表.\nChineseEcosystemResearchNetwork表6.5风、温、湿稳定度函数表达式系数____________________________________________________________________________来源bbkmgmh_____________________________________________________________________________Businger(1971)4.715.06.49.00.35Panison(1970)7.016.07.016.0---Weeb(1970)5.218.05.29.00.41DyerandHicks(1970)---16.0---16.00.40_____________________________________________________________________________ìRR,0£ziizï的计算:=íRiLL,0R³ïiî15-RiR为数Richardson;L为Moni-Obukhov长度i¶q3gzrqCu¶p*R=;L=-i2qæö¶ukgHç÷èø¶z\nChineseEcosystemResearchNetwork热量平衡方法这是一种以能量守衡定律为基础的计算方法。实际上是一种余项法。在环境生态研究中如有辐射平衡观测资料时，使用此法较好。地表面热量平衡方程为R=H++LEGn或¶q¶qR=-rrCK-+LKGnPV(6.48)¶¶zz其中Rn为辐射平衡，其余符号都是已知量。如果以差分代替微分，并从中解出K，可得(Rn-DGz)K=rCDqr+DLqPV\nChineseEcosystemResearchNetwork¶qq¶qqDD将和写成差分形式和则¶z¶zDDzzDDqq(Rn-G)=--rrCpvKLKDDzz或直接求出湍流热通量和蒸发耗热项，则有¶qq(Rn-DGz)DRGn-H=-rrCKC==PP¶zzrCDqr+LDDqqDLpv1+vCDqp¶qq(Rn-DGz)DRGn-LE=-rrLKL==Vv¶zzrCDq-rqLqDDDCpvP+1LDqV\nChineseEcosystemResearchNetwork第三节、观测方法和设备\nChineseEcosystemResearchNetworkEBEX2000试验场地\nChineseEcosystemResearchNetworkAbAbovoveeCCaannooppyySSoonicnicAnAneemmoommeettererss//TTheherrmmoommeetteerrssaandndCOCO2/H/H2OOAnAnaallyyzzerer\nChineseEcosystemResearchNetworkBBeleloowwCCaannooppyySSoonicnicAnAneemmoommeetteerrss//TTheherrmmoommeetteerrssaandndCOCO2/H/H2OOAnAnaallyyzzerer\nChineseEcosystemResearchNetworkEddyCorrelation7-LevelCO2ProfileMethodAnalyzingSamplingandsystemAnalyzingsystem\nChineseEcosystemResearchNetworkSensorsofRoutineMeteorologicalFactors\nChineseEcosystemResearchNetworkNNeettRRadadiiaattiiononPPyyrranoanommeetterer\nChineseEcosystemResearchNetworkF1Site:DiagramofChangbaiMountainForestSiteT,RH,U;CO2,H2OT,RH,U;CO2,H2OT,RH,U;CO2,H2OCPECOPECRp,PAR,Sn,Rn,Ta,Ts,RH,LW,SW,CO2,H2OT,RH,U;CO2,H2OPhotosynthesisMeasurementSystemT,RH,U;CO2,H2ORp,PAR,Sn,Rn,Ta,Ts,RH,OPECLW,SW,CO2,H2ORpChamberMeasurementTsWsG\nChineseEcosystemResearchNetworkHeight:62.8mBroadleavedKoreanForestInChangbaiMountain\nChineseEcosystemResearchNetworkF2Site:DiagramofQianyanzhouForestSite地面遥感测定系统和LAS观测系统涡度相关测定系统微气象移光合作用测定系统动观测箱式法测定系统\nChineseEcosystemResearchNetworkObservationTowerinQianYanZhou\nChineseEcosystemResearchNetwork7-LevelCO2ProfileSamplingSystem\nChineseEcosystemResearchNetworkF3andF4Site:DiagramofDinghuMountainandXishuangbannaForestSiteT,RH,U;CO2,H2OT,RH,U;CO2,H2OT,RH,U;CO2,H2OOPECRp,PAR,Sn,Rn,Ta,Ts,RH,LW,SW,CO2,H2OPhotosynthesisT,RH,U;CO2,H2OMeasurementSystemT,RH,U;CO2,H2ORp,PAR,Sn,Rn,Ta,Ts,RH,OPECLW,SW,CO2,H2OChamberRpMeasurementTsWsG\nChineseEcosystemResearchNetwork\nChineseEcosystemResearchNetworkC1andC2Site:DiagramofYuchengFarmlandandHaibeiGrasslandSiteEC0Rp,Q,Q,Ql,QlPAR反反EC0T、RH、U、D,HW,CO2Ph光合作otos用测ynth定esis系统MeasurementT,RH,U;COPAR2,PChamberMeasurementTsWsGSOIL\nChineseEcosystemResearchNetworkExperimentinYuchengFarmlandStation\nChineseEcosystemResearchNetworkHaibeiGrasslandStation\nChineseEcosystemResearchNetwork第四节、结果\n长白山Chine的se观测结果Ecosystem:RCesO2earch浓N度et梯work度长白山9月11日7层CO2廓线70m2002-9-110:00602002-9-113:002002-9-116:00502002-9-119:00402002-9-1112:00302002-9-1115:00202002-9-1118:00102002-9-1121:0002002-9-120:00290295300305310315320325330335340345ppm\n长白山数据:C冠hi/ne气碳通量seEcosys(2te002m/08R/2e5s-e2002arch/09/1N8)etwork冠/气碳通量(2002/08/25-2002/09/18)显著的日动态，白天冠层为碳汇，夜间为碳源，平均而言为碳汇。交换强度在-1.5mgm-2s-1~0.9mgm-2s-1之间。\n长白山数据Chine:se涡Ec度osy相stem关R技术esearch的N比对etworkOPEC与CPEC结果比较(2002/08/25-2002/09/18)从数据动态（图4）上看OPEC与CPEC结果吻合的很好\n3C个hine涡se相Ec关osy系ste统m的比较ResearchNetwork(8月25日—8月27日)2.58月25-26日开、闭路CO2通量对比Fc21.510.50t04896144192-0.5-1-1.5-2-2.5cpec(40.0m)opec_1(2.5m)opec_2(40.0m)\n长白山的观测结果:显热和潜热通量ChineseEcosystemResearchNetwork(OPEC与CPEC结果比较)500latentheatflux300sensibleheatflux400250opecopeccpeccpec300)2002)-2m-150200Wm(100WE(100L50sH00-50-100-1002002-8-252002-8-252002-8-252002-8-262002-8-262002-8-272002-8-252002-8-252002-8-252002-8-252002-8-262002-8-262002-8-260:009:3619:12time4:4814:240:000:007:1214:2421:364:4812:0019:12time\n千烟洲数据ChineseE:co不同观测高度的碳通量systemResearchNetwork1OPEC1OPEC2)0.5s2m/gm(0xul9-69-69-79-79-8F-0.5Time-1MeasurementresultsofoftheCO2fluxwithOPECsysteminQianyanzhousite(Alldatumarecollectedin2002)\nChineseEcosystemResearchNetwork千烟洲数据:开路系统测定的能量平衡1000RnOPEC1:41mGLEH2500m/w08-308-319-19-29-39-4Time-500\n千烟洲Chinese数据Ecos:ysCOtem2,,R风e速sea等垂直廓线rchNetwork5040A400:30)6:30）m(309:30m30thg12:30（tih0:30eH2015:30ige206:3018:30H1012:300:001018:3000:003403904404900012345Concentration(ppm)WS(m/s)BC40400:300:30）6:30）m306:30m3012:3012:30（t（th18:30h18:300:0020ig20ige0:00HeH1010005565758595202428RH（%）Temperature（'C）\n海北数据Chine:seEcCOosysteflmuxRe观测结果searchNetwork20.6Fc_shrub0.5Fc_wetland0.40.3)s2m0.2/gm(0.1cF0-0.1-0.2-0.3time2002-9-2002-9-2002-9-2002-9-2002-9-2002-9-2002-9-2002-9-2002-9-2002-9-2002-9-240:002412:00250:002512:00260:002612:00270:002712:00280:002812:00290:00ComparisonofCO2fluxbetweenshrubandwetland,obtainedatHaibeistationduringSep.24-29th,2002(1)\n海北数据Chine:seEcCOosysteflmuxRe观测结果searchNetwork20.50.4Fc_shrubFc_wetland0.3)s2m0.2/gm(0.1cF0-0.1-0.22002-9-240:002002-9-246:002002-9-2412:002002-9-2418:002002-9-250:00timeComparisonofCOfluxbetweenshrubandwetlandecosystem,2obtainedatHaibeistationduringSep.24-25th2002(2)\nChine鼎湖山seEcosCyO2ste通量mRe的se观测结果archNetwork0.2)1-0.1s2-m0gm(xul-0.1fedixo-0.2idnob-0.3raCLevel2(height:8m)-0.42002-10-132002-10-142002-10-142002-10-152002-10-1512:000:0012:000:0012:00Time0.8)0.61-s0.42-0.2mgm0(xul-0.2fe-0.4dixo-0.6id-0.8nob-1ralevel5(height:27m)C-1.2-1.42002-10-112002-10-122002-10-132002-10-142002-10-152002-10-160:000:000:000:000:000:00Time\n鼎湖山不同高度Chinese的E风速和cosystem问R土es温ear度分布chNetwork2002-10-14404012:002002-10-142002-10-143512:003515:002002-10-1415:002002-10-1430302002-10-1418:0018:00)m252002-10-14)252002-10-14(21:00m(21:00tth2002-10-15hg202002-10-15g200:00i0:00ie2002-10-15eHH152002-10-15153:003:002002-10-156:00102002-10-15102002-10-156:009:005风速分布2002-10-155温度分布9:0000001234Ws(ms-1)202224262830Ta(C)\nChineseEcosystemResearchNetwork致谢声明在制作本讲座所用资料过程中，得到中国生态网络系统、中国海洋大学胡敦欣院士等同志和单位的帮助，谨表示衷心感谢。\n谢谢大家TheEnd