长江三角洲SORPES站陆气交换通量与气象要素廓线长期观测数据集介绍

《Atmospheric and Oceanic Science Letters》：Dataset descriptions for long-term observations of land–atmosphere exchange fluxes and meteorological element profiles at SORPES in the Yangtze River Delta

　　

本文介绍了位于长江三角洲西部的地球系统区域过程观测站（SORPES）陆气交换通量与气象要素廓线的长期观测数据集。SORPES旨在研究气候变化的关键参数，并理解地球系统区域过程之间的相互作用。该站点位于复杂下垫面上，已连续运行超过14年。观测内容包括利用涡动相关系统在三个高度观测的动量通量、感热通量、潜热通量和CO₂通量，利用近地面辐射仪观测的净辐射，利用地下传感器观测的土壤热通量，以及安装于75米塔上的系统所观测的风速、温度和湿度廓线。湍流通量表现出典型的日变化和显著的季节变化。地表能量平衡不闭合，剩余项达到100 W m^?2。近地面气温呈现0.15°C yr^?1的上升趋势（p = 0.349），年高温日数也呈现增加趋势。比湿呈现0.05 g kg^?1 yr^?1的上升趋势（p = 0.648），但相对湿度呈现?0.42% yr^?1的下降趋势（p = 0.013）。近地面风速以?0.06 m s^?1 yr^?1的速率减小（p < 0.001）。此外，本文还讨论了不同高度通量测量的代表性。该长期数据集为区域陆气相互作用研究提供了宝贵支撑。

标题：长江三角洲SORPES站陆气交换通量与气象要素廓线长期观测数据集——站点特征、数据质量与科学发现

一、研究背景与科学意义

长江三角洲（Yangtze River Delta, YRD）位于长江下游地区，是中国城市化水平最高、人口最密集的区域之一，同时处于典型的东亚季风区。在全球变暖背景下，季风与人为强迫的复杂相互作用对该区域的极端天气和空气污染具有重要影响。过去几十年间，长江三角洲地区传统的梅雨（misty rain）特征逐渐被频繁的暴雨和干旱所取代；2013至2017年间，包括长江三角洲在内的中国东部重污染地区PM_2.5浓度显著下降，而臭氧浓度显著上升。因此，在该区域开展长期观测有助于理解大气、生物圈与人类活动之间的复杂相互作用。

陆气之间的物质与能量交换是地球系统中的重要过程。地表通量观测不仅是理解陆气交换过程的重要手段，也是优化数值模式中地表通量描述的主要依据。为应对气候变化、空气污染、极端天气事件和碳平衡等国家需求提供科学支撑，南京大学建立了地球系统区域过程观测站（Station for Observing Regional Processes of Earth System, SORPES）。该平台旨在基于长江三角洲区域观测，刻画气候变化关键因子的时间变化，并理解中国东部地球系统不同区域过程之间的相互作用，重点关注快速工业化与城市化背景下人为强迫对气候变化和大气环境的影响，涵盖陆气交换过程、空气污染与天气/气候相互作用、大气-生态系统相互作用以及水文与水循环四大关键过程。

本文介绍了SORPES站陆气交换通量和气象要素廓线的长期观测数据集，包括观测设置、数据采集、数据覆盖情况、初步测量结果以及通量测量的代表性分析。

二、研究方法概述

SORPES站位于南京大学仙林校区中心（118°57′10″E，32°07′14″N），地处南京市东北部郊区，距市中心约20公里。站点于2011年建成并于同年夏季开始观测，总体位于南京市上风方向，可视为区域大气过程与环境变化研究的区域背景站。2021年，该站成为江苏南京长江三角洲大气过程与环境变化国家野外科学观测研究站。站点位于复杂地形之上。

观测系统包括：观测场内设置了一套地表能量平衡系统，包含四分量辐射仪（CNR4，Kipp & Zonen）和安装在2.6 m高度的开路涡动相关系统（Campbell），以及埋设于地下的土壤热通量板（HFP01，Campbell）。75米气象塔上安装了六层风、温、湿廓线测量系统，测量高度分别为4、9、18、36、54和72 m，每层配备二维超声风速仪（WindSonic1，Campbell）和温湿度探头（HMP155A，Campbell）。塔上25 m和50 m高度分别安装了两套开路涡动相关系统（Campbell），由三维超声风速仪（CSAT3，Campbell）和开路H₂O/CO₂传感器（EC150，Campbell）组成，据此可基于涡动相关（eddy-correlation, EC）方法计算动量通量（??）、感热通量（??_??）、潜热通量（??_??）和CO₂通量（??_CO2）。

湍流通量由10 Hz高频测量数据以30分钟为间隔通过EC方法计算，处理流程与Sha et al.（2021）和Zou et al.（2023）一致，包括剔除异常值（Vickers and Mahrt, 1997）和坐标旋转等步骤；虚温采用Schotanus et al.（1983）方法由超声虚温导出，用于计算感热通量；CO₂通量计算中应用了WPL（Webb-Pearman-Leuning）校正。数据质量控制基于仪器规格和当地环境条件设定物理合理范围进行筛选。

三、主要研究结果

3.1 不同高度的湍流通量

基于2012至2025年三个高度（2.6 m、25 m、50 m）的湍流通量观测，感热通量在三个高度上数值接近且年际变化不显著；潜热通量的季节变化比感热通量更明显，夏季显著高于冬季，表明净辐射在夏季主要分配给潜热通量，冬季主要分配给感热通量，但夏季多年平均感热通量可能被低估。25 m和50 m高度的潜热通量在2022年前数值接近且均系统性小于2.6 m高度，此后25 m高度通量显著增大、2.6 m高度也略有增加，而50 m高度基本不变，最可能的原因是仙林校区的灌溉效应——25 m高度的主要源区覆盖了校园大部分区域，因此对灌溉响应强烈。摩擦速度在三个高度呈现典型日变化且随高度增大，这与不同高度源区的地表粗糙度特征有关：2.6 m高度源区主要为观测场内平地，摩擦速度较小；25 m高度源区覆盖校园建筑区，摩擦速度显著增大；50 m高度源区扩展至校园外，受丘陵地形影响使其最大。CO₂通量在三个高度数值接近，呈现郊区典型的日变化特征——夜间为较小正值、白天为较大负值，其季节变化与潜热通量相似。

3.2 地表能量平衡

基于2012至2021年的通量观测数据，净辐射夏季最大、冬季最小，但夏季峰值仅略大于春季，这与长江三角洲夏季（尤其是梅雨期）多云雨天气有关。感热通量与潜热通量在春季和秋季相当，但夏季潜热通量显著大于感热通量，冬季则相反。土壤热通量较小，但能量平衡剩余项较大，量级可达约100 W m^?2。净辐射、感热通量和潜热通量的峰值出现在正午，土壤热通量峰值出现在午后，而剩余项峰值出现在正午前。地表能量不闭合的主要原因可归因于中尺度或亚中尺度运动，从非局地角度看剩余项由弥散通量引起，从局地角度看则由平均流平流和水平通量散度引起。

3.3 气象要素的长期变化

基于2012至2025年9 m高度（约相当于冠层顶高度）的连续观测，月平均气温呈上升趋势（0.15°C yr^?1），但未通过显著性检验（p = 0.349）；月平均比湿呈微弱的上升趋势（0.05 g kg^?1 yr^?1，p = 0.648），但月平均相对湿度呈显著的下降趋势（?0.42% yr^?1，p = 0.013）。相对湿度的下降趋势与气温的上升趋势一致，表明长江三角洲地区在过去14年中呈现变暖变干的趋势。月平均风速呈显著下降趋势（p < 0.001），其中2019年以前的下半年下降更为明显，这与该时期校园内建筑增多导致地表粗糙度增大有关。年高温日数（日最高气温超过35°C）整体呈增加趋势，尤其在近些年高温日数几乎比前十年翻倍，高温日主要出现在夏季（7月和8月），但近些年来在9月甚至10月也开始出现，这与长江三角洲地区从传统梅雨（细雨型）向非传统梅雨（炎热干燥型或暴雨型）转变的分析相一致。

四、通量测量的代表性讨论

SORPES周围环境为复杂地形，存在零平面位移，零平面位移高度约为38 m。观测场内2.6 m高度的湍流通量测量位于粗糙子层内，其通量仅能代表以观测场为中心的一个较小源区内的陆气交换。基于塔基观测的估算表明地表粗糙度长度约为0.6 m，呈现城市地表特征；而从局地尺度陆气交换角度看，只有在惯性子层内观测到的湍流通量才具有局地代表性。分析表明25 m高度接近粗糙子层顶部，而50 m高度处于惯性子层内，这两个高度的湍流通量均具有局地代表性，且50 m高度的源区更大。

五、研究结论与应用展望

SORPES站积累的长期观测数据已被用于多项科学研究：比较不同类型地表的陆气相互作用特征、量化城市地表热岛/冷岛强度并阐明其驱动因子、比较青藏高原与长江三角洲地区能量和水分陆气交换的差异特征等。基于CO₂通量长期观测数据的分析表明，25 m高度的测量显示碳吸收率为0.5 kg m^?2 yr^?1，而50 m高度的测量显示碳排放率为0.13 kg m^?2 yr^?1；2022年夏季25 m高度CO₂通量数据还被用于研究短期热浪和干旱对城市森林碳交换的影响，结果表明热浪-干旱事件通过极端高温和土壤水分亏缺导致碳汇能力显著下降，净生态系统交换量较同期正常条件减少了66%。

SORPES已积累超过14年的长期观测数据，涵盖复杂郊区下垫面上的陆气交换通量和气象要素廓线。南京大学大气科学学院数据中心目前正在建设中，现阶段数据暂无法通过网络下载，但研究团队欢迎国内外研究者利用这些数据开展相关研究。该长期数据集为理解长江三角洲地区陆气相互作用过程、验证和改进数值模式以及应对气候变化与空气污染等重大问题提供了宝贵的科学支撑。

该论文发表于《Atmospheric and Oceanic Science Letters》，由南京大学大气科学学院的孙鉴宁、邹钧、王佳平、迟旭光、丁爱军等研究人员共同完成，得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。