城市下垫面不同高度湍流输送特征及碳水通量交换过程

Urbanization could obviously change the local weather, climate and environment which will influence the living conditions and the sustainable use of energy and water resources in megacities. Under the background of global warming, city is one of the most important CO2 emission source which caused by human activities. The study of exchange of energy and mass between surface and atmosphere in Beijing city and the influence of urbanization on global carbon budget will contribute to the improvement of the ability and precision of climate models and air pollution models. Turbulence data（2008~2012）from a 325m meteorological tower in Beijing, which consisted of three layers（47, 140, and 280m） was used to: (1)Validate the local similarity theory in urban surface and analyze the vertical distribution characteristics of turbulent transfer over Beijing city; (2)Discuss the diurnal, seasonal and annual variations of CO2 fluxes at three layers（47, 140 and 280m）and the relationship between CO2 flux and the land use fractions in the footprint areas; (3) Investigate the relation between CO2 flux and meteorological factors and human activities. This project will provide scientific evidence of carbon emission reduction to mitigate the global climate change.

城市化能够显著改变当地的天气、气候和环境，并且影响人类居住环境及水资源的可持续利用。在全球变化（增温）背景下，城市在全球人为CO2等温室气体的排放中处于重要地位。研究北京城市下垫面地气间物质、能量交换过程以及城市化进程对碳收支的影响，将有助于提高气候模式、空气污染模式的预报能力和精度。本研究基于北京325m气象塔47、140和280m三层高度快响应仪器观测所得的湍流数据，辅助以补充观测，验证局地相似理论在城市边界层的适用性，并分析北京城市下垫面湍流输送的垂直分布特征；研究北京城市下垫面三层（47、140和280m）水汽和CO2通量的垂直分布特征和不同时间尺度上的控制因子，明确机动车保有量和人口增长对城市碳收支的影响，揭示超大城市CO2排放特征及其与控制因子（气温、降水、人类活动等）的关系。本项目的执行可为制定CO2减排措施和应对气候变化提供科学依据。

在全球变化（增温）背景下，城市在全球人为CO2甚至是温室气体的排放中处于重要地位。研究北京城市下垫面地-气间物质、能量交换过程以及城市化进程对碳收支的影响，将有助于提高气候模式、空气污染模式的预报能力和精度。揭示超大城市CO2排放特征及其与控制因子的关系，可为制定CO2减排措施和应对气候变化提供科学依据。. 本项目基于北京325m气象塔47、140、280m三层高度2008年1月1日至2012年12月31日连续5年湍流观测资料及15层气象平均场观测资料，研究北京城市复杂下垫面大气边界层湍流输送特征以及水汽、CO2通量交换的日、季节、年际变化及其控制因子。观测结果表明:. 1)局地相似理论可以适用于城市复杂下垫面。无量纲三维风速、温度、CO2和水汽浓度标准差在自由对流条件下符合±1/3次方率, 近中性条件除温度外均维持常数不变。局地相似理论的局地尺度量在不同高度上的适用程度有所差别。低层的相对传输系数（|rwT/ruw|、|rwT/rwc|、|rwT/rwq|）总是大于高层，即热量相对于水平风速u、CO2和水汽的传输系数随高度递减。. 2)由于北京市2011年开始实行工作日汽车尾号限行，140米高度CO2通量的年增长率由2008-2010年的7.8%降低到2010-2012年的2.3%。140米高度通量源区内植被比例最小且人口密度最大，因此140米高度的5年平均CO2通量年总量（6.41kgCm−2yr−1）大于47米（5.78kgCm−2yr−1）和280米（3.99kgCm−2yr−1）。在年尺度上，北京汽车总保有量和总人口是最重要的CO2通量控制因子。CO2通量随风向的变化主要与风向对应的通量源区内下垫面土地利用方式有关。三层高度的夏季CO2通量均与道路的比例呈正相关关系。47，140和280米的决定系数分别为0.69，0.57和0.54 (P<0.05)。植被比例的下降，会导致CO2年总量上升，两者存在近似于指数的关系。城市人口密度的上升会引起CO2年总量上升。