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陆地生态系统与大气之间的能量、水汽、CO2交换研究一直以来都是水文、生态、气象及遥感研究等领域关注的重点，在全球通量网(FLUXNET)已有的500多个塔站中，涡动相关系统是最重要的通量观测仪器。涡动相关方法(或涡动协方差方法，简称EC)，是一种微气象学测量方法，它可以直接测量生物圈与大气圈之间的湍流交换通量，已成为当前地气交换研究中最先进和首选的通量观测方法。
“黑河综合遥感联合试验”(WATER)项目在黑河上中游地区建立了多个包含涡动相关系统的地面观测站，包括草地、农田、森林等不同的下垫面类型，积累了大量基础数据。本论文对涡动相关系统采集的原始湍流数据进行了精细的再处理及质量控制，结合气象水文资料，分析了黑河流域不同下垫面的能量、水分和二氧化碳通量的变化特征；在得到较为准确的感热通量和潜热通量的基础上，充分考虑土壤-植被-大气系统中的各种热量存储项对地表能量平衡闭合的影响，较准确地计算了参与地表能量收支的各个分项。主要工作包括以下三个方面：
1)使用经过改进的EdiRe软件对黑河上中游盈科灌区绿洲站、阿柔冻融草地站和大野口关滩森林站三个站点的原始涡动数据进行预处理和质量控制，通过时间滞后校正、异常值及野点剔除、倾斜修正、超声虚温修正、频率响应订正和空气密度效应修正(WPL修正)等基本处理，得到一个可靠稳定的Level-1数据产品；再通过大气状态平稳性检验、总体湍流特征检验、湍流通量统计特征分析等进行质量控制，生成Level-2数据产品；最后对缺失数据进行插补，并对涡动相关观测的通量源区(Footprint)进行分析，评价观测通量的空间代表性，形成一套较精确、完整的Level-3数据产品集。
2)对黑河流域不同下垫面的碳、水、热通量特征进行了比较分析。本论文在对涡动相关通量观测数据做了较精细的数据处理、质量控制以保证涡动通量数据质量的基础上，对比分析了农田、草地、森林三种下垫面的碳、水、热通量特征。三个站点地表碳、水、热通量均有明显的日、季变化特征，盈科站在夏季出现较明显的“绿洲效应”，阿柔站四季变化明显，关滩站则是感热通量一直占据主导地位。对于盈科站来说，CO2通量随着植被的生长而变化，在夏季，形成一个明显的碳汇，全年总的碳汇为729.28gC m-2；另外，由于盈科农田所在区域干旱少雨，2008年降水量为102.9mm，年蒸散发量为643.34mm，年蒸散量远远大于年降水量。
3)对地表能量平衡方程中的各个热量存储项进行了准确的计算。热存储项包括土壤浅层热存储项、光合作用耗能项、冠层热存储项、空气热存储项、露水焓变项及空气湿度变化项等。目前在这方面的研究，国外已有相关的文章发表，而国内尚欠缺类似分析和研究工作。本论文针对影响能量闭合率的各种热储存问题，介绍了各个热存储项的计算方法，并对盈科农田站的长时间数据序列的地表能量平衡各项做了定量分析，显著地提高了能量闭合率。感热通量和潜热通量通过一系列精细的修正后得到；土壤热通量采用TDEC方法计算获得。通过对上述能量平衡各项的计算得出：土壤浅层热通量对能量闭合率的贡献为11.7％，光合作用耗能项占3.8％，冠层热焓项0.2％，空气热焓项0.3％，冠层露水焓变项和空气湿度变化项贡献较小。最终，地表能量平衡闭合率达到96.4％。