《碳汇形成分类与计算评估方法学概论》连载之三十五

编者按  为给全国煦丰碳中和组织各级工委，国内985、211、双一流等高校，全球碳排放权、碳汇交易机构提供全球范围内的碳汇形成分类和碳汇计算评估方法学专业理论知识和具体实践办法，全国煦丰碳中和知识产权组织和《碳同化碳中和组合物光合溶剂、其制备方法及其应用》发明专利发明团队编著了中共中央国务院新质生产力杰出代表/煦丰碳中和技术培训系列教材之九《碳汇形成分类与计算评估方法学概论总目录》。本教材总目录共分37章172节570分节。今天发布的是：

《碳汇形成分类与计算评估方法学概论》连载之三十五

第35章

涡度相关法及在碳汇

计算评估中的作用

涡度和涡度相关法是一个非常专业且重要的问题，涉及大气科学、微气象学和碳循环研究。下面我将分三个部分为你详细解答。

第01节  什么是涡度

简单来说，涡度是衡量空气微团旋转程度和方向的物理量。

你可以把它想象成水里的一个小漩涡。在河流中，水流不仅有向前的平均速度，还有很多大小不一、旋转着的小涡旋（比如溪流绕过石头时产生的回旋）。空气也是如此。

在气象学和微气象学中，涡度是一个矢量，它指向旋转的轴线方向。但在涡度相关法中，我们最关心的是垂直于地面的涡度分量（通常用希腊字母 ζ 表示），它反映了空气在垂直方向上的湍流旋转特性。

一、更数学一点的定义

涡度是风速矢量的旋度。通俗理解，它描述了空气微团在单位面积上绕其中心旋转的强度。

二、为什么对碳汇计算重要

因为大气中的二氧化碳、水汽、热量等物质的垂直输送，主要不是靠大气的平均上升气流，而是靠这些看不见的、随机旋转的涡旋（湍流）。想象一下：一个旋转的涡旋，上升一侧将地面高浓度的CO₂带到高空，下沉一侧将高空低浓度的CO₂带向地面。这种“搅拌”作用，就是物质垂直交换的核心机制。

第02节  什么是涡度相关法

涡度相关法，又称涡旋相关法或涡动相关法，是直接测量地表与大气之间物质和能量交换通量的微气象学技术。它是目前公认的测量生态系统-大气间CO₂交换（即净生态系统碳交换）的最直接、最权威的微气象学方法。它的基本原理是：

一、核心假设

物质的垂直通量（比如每秒每平方米有多少克CO₂上升或下降）等于垂直风速和该物质浓度的协方差（共同变化的平均程度）。

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二、测量方法

在观测塔上安装高精度的三维超声风速仪，每秒测量10-20次（高频采样）x、y、z三个方向的风速（u, v, w）。

同时，安装快速响应气体分析仪，以同样频率测量空气中的CO₂、H₂O等气体的密度/浓度。

通过数据采集系统，将这两组高频数据进行同步记录，得到时间序列。

三、计算通量

分别计算出垂直风速(w)和CO₂浓度(c)的脉动值（实际值减去平均值）。然后，在一个时间段内（通常30分钟），计算垂直风速脉动值(w‘)和CO₂浓度脉动值(c’)的协方差**的平均值。

四、核心公式

Fc=ρw‘c’

Fc：CO₂通量（正值为排放到大气，负值为从大气吸收/沉降）。

ρ：空气密度。

w‘：垂直风速的脉动值。

c’：CO₂浓度的脉动值。

上划线表示时间平均。

五、举例

在30分钟内，每次当风向上吹（w‘>0）时，c’也偏高（说明下面有高浓度CO₂被带上去），那么w‘c’的乘积为正，平均后得到正值，意味着生态系统向大气排放CO₂。反之，如果每次风向下吹（w‘<0）时,c’也偏低（高空低浓度CO₂下来），乘积为正，净结果是吸收*。如果过程零散，乘积正负抵消，则净通量为零。

涡度相关法在碳汇计算评估中，占据着“黄金标准”或“基准方法”的地位。

第03节  涡度相关法的地位：

直接测量法的核心

一、与箱式法相比

涡度相关法不干扰被测环境（不扣箱子），能覆盖更大的空间范围（占地面积从几十平方米到几百平方米），并且能持续、长期、自动地测量，捕捉日变化、季节变化和年际变化。

二、与地面调查法（生物量法）相比

生物量法通过砍伐、取样、估算生物量变化来计算碳汇，周期长、破坏性大、不确定性高。涡度相关法给出的是瞬时的、连续的净通量。

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三、与模型模拟相比

涡度相关法是模型的“真实数据源”。模型参数化、校准和验证，都高度依赖涡度相关观测塔的数据。

因此，全球的碳汇研究（如FLUXNET全球通量观测网络），就是由成千上万个涡度相关观测塔构成的。

第04节  涡度相关法的作用：

核心测量与动态追踪

一、直接测量净生态系统碳交换量

它直接给出生态系统实际吸收或排放了多少CO₂，是计算净碳汇（NEP，净生态系统生产力）或净碳源的直接方法。

二、揭示碳循环过程与机理

通过长时间序列数据，可以分析NEE如何随温度、降水、光照、CO₂浓度、季节等环境因子变化，从而理解生态系统碳循环的关键过程（如光合作用、呼吸作用）。

三、评估生态系统对气候变化的响应

比较不同年份、不同气候情景下的NEE，判断生态系统是增强吸收（碳汇增加）、减弱吸收（碳汇减少）还是变成碳源。

四、验证和校准碳减排数据

在国家或区域层面的碳汇估算中，涡度相关观测数据是地面验证的核心，用于校准基于卫星遥感或模型模拟的结果，提高数据的可信度。

第05节  涡度相关法的意义：

科学决策的基石

一、碳汇计算的“计量器”

没有涡度相关法，我们无法准确知道一片森林、一片草地、一片农田每年到底吸收了多少碳。它是《巴黎协定》和各国碳减排、碳中和目标核算中，最可靠的“地面真值”。

二、识别“不确定性风险”

很多生态系统（如热带雨林、永久冻土）的碳汇状态存在争议。涡度相关法能持续监测，发现生态系统是否从碳汇转变为碳源（例如，冻土融化解冻后释放大量甲烷和CO₂），为风险预警提供依据。

三、指导生态修复与管理

通过比较不同管理措施（如人工林vs天然林、不同施肥量、不同放牧强度）下的NEE差异，涡度相关法可以告诉我们哪种方式最有利于增加碳汇或减少碳排放，为生态工程提供科学指导。

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四、连接全球碳循环

通过FLUXNET等全球网络整合，涡度相关数据被用来建立和验证全球碳循环模型，从而支撑全球气候治理的宏观决策。

第06节  总结：

全球碳预算的基石与准绳

一、引擎

涡度是空气旋转的力度，是驱动垂直交换的“引擎”。

二、碳汇秤

涡度相关法是测量这种交换速率（通量）的精密仪器，相当于一个高精度的“碳汇秤”。

三、支撑全球碳预算的基石与准绳

它的地位、作用和意义在于：它提供了最直接、最可靠的地表-大气碳通量数据，是理解生态系统碳循环、验证模型、指导减排和生态修复、支撑全球碳预算的基石与准绳。

没有它，我们对全球碳汇的认知将停留在比较粗糙的估算层面。