城市 CO₂ 通量实测：涡度相关的量级图谱、夜间池化与化石-生物源划分
城市是大气 CO₂ 的主贡献者，但排放清单与实测之间长期缺乏交叉验证。本文综合 Velasco & Roth 的 30+ 城市站点综述、Münster 神经网络插补实验、美国 Hestia 清单-¹⁴C 源划分与芝加哥/马赛经典实验，给出城市通量的量级图谱（市中心到郊区）、夜间 CO₂ 池的成因边界与清单偏差（冷季 3.2%、暖季 9.1%）的判别方法。
一、为什么城市通量难测：三个结构性问题
涡度相关（EC）在均一下垫面上是直接通量测量，但城市满足不了三个前提：足迹内下垫面高度异质（屋顶/道路/绿地/水体交错）、粗糙元（建筑）进入测量层、以及多点源（交通/供暖/植被）的时变节律。Velasco & Roth（Geography Compass 综述）梳理 30 余套城市 EC 系统的经验后给出的结论是：城市 EC 的核心问题不是仪器，而是足迹代表性——测点高度必须高于建筑粗糙子层（一般 ≥2 倍平均建筑高度），且足迹内"有效下垫面"随时间、风向显著变化。
| 城市站类型 | 代表站点 | 平均日净通量量级 | 主驱动 |
|---|---|---|---|
| 市中心高密度 | 马赛、伦敦 | 高（常 >20 g CO₂/(m²·d)） | 交通 + 供暖 + 楼宇代谢 |
| 城市核心 | 明斯特、巴尔的摩 | 中（10~20 g CO₂/(m²·d)） | 交通主导 |
| 郊区 | 北京顺义、巴黎郊区 | 低（<10 g CO₂/(m²·d)） | 植被吸收部分抵消 |
判别边界：Velasco & Roth 的横断面分析发现城市日净 CO₂ 通量与植被覆盖率强相关、与人口密度弱相关——"绿植多的地方通量低"比"人多的地方通量高"更符合实测，这与人口密度无法代表能耗强度有关。
二、量级图谱：从市中心到郊区
2.1 市中心（高密度建成区）
马赛 ESCOMPTE 夏季实验（Grimmond 等）在 4 个高度分层观测：白天感热通量主导能量平衡，储热通量在正午前即达峰值（建筑储热的相位超前），CO₂ 通量几乎全天为正（源），但下午植被活动会压低源强。市中心大气很少稳定——粗糙元的机械湍流强，夜间稳定层结少见，这对通量测定反而是有利条件。
2.2 城市核心（明斯特）
Schmidt 等（Boundary-Layer Meteorology 2008）在明斯特市中心 65 m 塔（远高于建筑）的 6 周实验给出了教科书式数值：
- 半小时 CO₂ 通量平均 12 μmol/(m²·s)，夜间最低 3 μmol/(m²·s)——城市夜间仍有持续排放（交通+供暖），不存在自然生态系统的"呼吸归零"；
- 日均排放 21 g CO₂/(m²·d)；
- 水汽通量 0.062~0.989 mmol/(m²·s)，变异小于 CO₂（城市水汽源相对平稳）；
- 用径向基函数（RBF）神经网络做插补，优于多层感知机；摩擦速度下限阈值 **u* ≥ 0.15 m/s** 被用于剔除弱湍流时段。
判别边界：城市夜间通量不为零是常态；若站点夜间出现近零通量，优先怀疑 u* 过滤过严或足迹落在建筑背风区，而非"城市真的没有排放"。
2.3 郊区（北京顺义）
顺义（低密度住宅+农田混合）2008-11 至 2009-10 的 EC 观测显示：白天 CO₂ 通量对光合有效辐射（PAR）有显著响应，植被吸收部分抵消交通排放——郊区日净通量低于市中心一个量级，且季节差异大（生长季吸收、冬季排放）。
三、夜间 CO₂ 池：成因与判别
Grimmond 等（芝加哥 1995 夏）最早明确城市夜间 CO₂ 浓度的两个特征：夜间浓度高值与午后浓度低值。成因分别是：
- 夜间混合层浅 + 稳定层结抑制垂直混合，移动/固定源排放"池化"在近地面；
- 午后深混合层 + 强光合，把局地源强稀释、同时植被吸收形成低值。
判别边界：夜间浓度峰值 ≠ 夜间通量峰值。浓度是"累积+混合"的结果，通量是"交换率"；城市 CO₂ 池分析必须同时看 u* 与混合层高度，否则会把湍流混合假象误判为源强变化。
四、源划分：把化石 CO₂ 从净通量里拆出来
Wu 等（GRL 2021）在美国郊区站点用塔基 CO 与 ¹⁴C 观测把净 CO₂ 通量划分为化石与生物组分，并与 200 m 分辨率的 Hestia 化石排放清单逐格比较：
- Hestia 清单与源划分通量在季节平均尺度高度吻合：冷季偏差 3.2%、暖季偏差 9.1%；
- 空间-时间形态匹配良好；
- 冷季下午生物 CO₂ 吸收 = 当地化石排放的 25%——郊区植被对化石排放的抵消不可忽略。
判别边界：清单-实测一致性随尺度变大而改善；1 小时/单站点尺度的差异主要来自清单的时空分配假设（交通流量、供暖度日）与足迹不完全匹配，不宜用瞬时偏差否定清单，而应以季节平均+足迹权重来校验。
五、对观测实践的三条建议
- 测点高度：≥2 倍平均建筑高度以上，否则落在粗糙子层内的"伪通量"不可用；
- **u* 过滤**：城市 u* 阈值 0.15~0.30 m/s 视建筑密度上调，夜间池化时段优先检查混合层；
- 足迹-清单联动：校验排放清单必须做足迹加权，单向对比无意义。
参考来源
- Velasco & Roth, Cities as Net Sources of CO₂: Review ... by Eddy Covariance, Geography Compass. https://scispace.com/pdf/cities-as-net-sources-of-co-2-review-of-atmospheric-co2-4ngqn3iaac.pdf
- Grimmond et al., Local-scale fluxes of carbon dioxide in urban environments: methodological challenges and results from Chicago, Environmental Pollution 2002. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11837237/
- Schmidt et al., Gap Filling and Quality Assessment of CO₂ and Water Vapour Fluxes above an Urban Area with RBF Neural Networks, Boundary-Layer Meteorology 2008. https://link.springer.com/article/10.1007/s10546-007-9249-7
- Wu et al., Evaluating a high-resolution urban fossil CO₂ emissions inventory using eddy-covariance flux measurements and source partitioning, GRL 2021. https://www.authorea.com/doi/pdf/10.1002/essoar.10508434.1
- Grimmond et al., Flux and turbulence measurements at a densely built-up site in Marseille, JGR 2004. https://pdfs.semanticscholar.org/ea0f/c5aa7322f3076f2c78e1369c199b16caaacf.pdf
- Dou Junxia et al., Carbon dioxide fluxes in a suburban area in Beijing, Acta Ecologica Sinica. https://www.semanticscholar.org/paper/37b84bfbfe89e02a38173a3fba517bf375a70414