夜间 CO₂ 通量的 u* 校正：弱湍流筛选、偏差来源与年总量不确定性
涡度相关在夜间弱湍流时段系统性低估生态系统呼吸，u* 阈值筛选是通量网络的标准补救，但筛选判据本身高度敏感。本文综合 Baldocchi 的 EC 方法综述、奥地利高山草甸的 u* 校正敏感性实验与长白山 200 年老林的长序列实践，给出"夜间数据不可靠的判别边界"（u* < 0.10~0.25 m/s 依站点）、QC 判据对校正幅度的放大效应与年 NEE 误差 30~200 g C/m² 的量化区间。
一、问题本质：夜间通量为何系统性低估
涡度相关测量的前提是湍流充分发展；夜间稳定层结下湍流破碎、间歇性出现，低频大涡不满足取样时长假设，导致实测 CO₂ 通量系统性低于真实呼吸。Baldocchi（Annual Review of Ecology and Systematics 2003）的经典综述明确：
- EC 在大气平稳、植被均一、地形平坦时最准确；
- 复杂景观与非平稳条件下必须补充储热、通量散度与平流测量；
- 系统性偏差最大的时段是轻风间歇的夜间；
- 年 NEE 的误差范围 30~200 g C/m²（随站点与气候带变化）。
判别边界：夜间数据不能仅按"风速低"剔除——关键是摩擦速度 u*。u* 低于站点特有阈值时，实测通量随 u* 线性下降（欠测量），此时应剔除。
二、u* 校正流程与敏感性（奥地利草甸实验）
Wohlfahrt 等（Agricultural and Forest Meteorology 2005）在奥地利阿尔卑斯高山草甸用三种独立方法（夜间 EC、白昼 EC、箱法+叶片/土壤箱法放大）交叉约束夜间呼吸，发现 u* 校正对 QC 判据极度敏感：
- 仅排除偏离平稳性/整体湍流检验 30% 以上的半小时数据，u* 校正幅度就显著减小；
- 三种方法推算的季节夜间碳平衡（3 月 8 日~11 月 8 日）相互一致到 ±35%——与各方法自身不确定度量级相当；
- 间歇湍流期间观测到的高 CO₂ 通量到底是"应剔除的伪迹"还是"储热未扣除的真实输送"难以从 EC 数据本身判定；土壤呼吸箱法实测支持剔除。
判别边界：u* 阈值是"站点化参数"而非通用常数。选择不同 QC 判据会直接改变阈值与年总量；单靠 EC 数据无法裁决间歇湍流时段，需箱法/土壤呼吸独立证据。
三、长序列实践的修正组合（长白山 200 年老林）
Zhang 等（长白山红松阔叶混交林，2002-08~2003-08）给出完整修正流水线：
- 开路 EC + CO₂ 廓线系统，同时施加储热校正与 **u* 校正**；
- 休眠期用压力通量分析确定可接受的 u* 范围（WPL 修正中被忽略的压力脉动项）；
- 年净吸收 -308 ± 116 g C/m²；GPP -1432 ± 216、呼吸 -1124 ± 181 g C/m²；
- 夏季 90 天贡献全年 GPP 的 67.0%、呼吸的 58.9%。
判别边界：储热校正在高植被站点不可省略（夜间储热变化可达通量量级）；u* 阈值在休眠期应独立确定——用同一生长季阈值套用全年会引入季节偏差。
四、白天呼吸外推的替代路径（华北农田）
Lei 等（Global Change Biology，华北平原冬小麦-夏玉米轮作）的实践：夜间 NEE-土温关系只在**强湍流（高 u*）条件**下建立，再外推白天呼吸；GPP 由白昼 NEE 减去外推呼吸得到。年 NEE -585/-533 g C/m²（两季），小麦碳汇强于玉米；计入籽粒收获后小麦降为弱汇、玉米转为弱源。
判别边界：u* 校正不是"删数据"而是"用高湍流时段的关系填补弱湍流时段"——外推区间应在实测温度范围内，外推超出训练温度范围会产生虚假呼吸。
五、实践清单
- 每站独立确定 u* 阈值（plot 法或移动阈值法），休眠期单独定；
- 高植被站点必做储热校正；复杂地形加平流评估；
- 关键 QC 判据（平稳性/整体湍流偏离度）先做敏感性扫描，再定阈值；
- 年总量必须报告插补与筛选引入的不确定性（对标 30~200 g C/m² 量级）。
参考来源
- Baldocchi, Assessing Ecosystem Carbon Balance: Problems and Prospects of the Eddy Covariance Technique, Annual Review of Ecology and Systematics 2003. https://nature.berkeley.edu/biometlab/pdf/annual%20rev%20carbon%20dioxide%20fluxes%20baldocchi.pdf
- Wohlfahrt et al., Quantifying nighttime ecosystem respiration of a meadow using eddy covariance, chambers and modelling, Agricultural and Forest Meteorology 2005. http://www.biomet.co.at/wp/wp-content/uploads/2013/02/paper_2005_wohlfahrt.pdf
- Zhang et al., Seasonal variation in carbon dioxide exchange over a 200-year-old Chinese broad-leaved Korean pine mixed forest, Agricultural and Forest Meteorology 2006. https://www.chinaflux.org/upload/accessory/20137/201373111956440370.pdf
- Lei & Yang, Seasonal and interannual variations in carbon dioxide exchange over a cropland in the North China Plain, Global Change Biology 2010. http://www.hydroyang.com/Down/down/name/1481698403.pdf