LAS在西北干旱区荒漠均匀下垫面的观测研究

利用“古浪非均匀近地层观测试验”的仪器平行对比观测部分试验数据,首先分析荒漠均匀下垫面大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)光径线上等间距架设的4台涡动相关仪(Eddy Covariance System,EC)观测的摩擦速度和感热通量的一致性.然后,基于4种不同下垫面建立稳定度普适函数分析,利用4台EC观测摩擦速度平均值,计算了LAS观测区域的感热通量,进而比较了LAS和EC两者观测值的差异.结果表明,4台EC观测的摩擦速度与感热通量一致性好,摩擦速度的差别＜10％,感热通量的差别在10％左右.4种稳定度普适函数计算的LAS区域感热通量在白天、夜晚与EC观测平均值变化趋势一致,但计算值偏大;TAG (Thiermann and Grassl)稳定度普适函数计算值与EC观测平均值较接近.其主要原因除不同下垫面试验所得稳定度普适函数的差异外,Kipp&Zonen LAS所测感热通量的系统性偏高不可忽视.     

那曲地区两种空间尺度感热通量的对比分析

利用中国科学院那曲高寒气候环境研究观测站那曲/BJ观测点2010年涡动相关仪(EC)和大孔径闪烁仪(LAS)数据,MODIS的地表温度(LST)和归一化植被指数(NDVI)产品,结合印痕方法分析了由EC和LAS数据计算得到的感热通量的差异及造成这种差异的可能原因,研究了两种空间尺度下地表温度和土壤含水量对感热通量的影响。结果表明:干季和雨季时,EC与LAS的感热通量(H_EC和H_LAS)总体而言具有较好的一致性,其差异的主要原因是风向造成印痕差异;7月的感热通量与净辐射、风向的时间序列分析表明,云遮蔽导致的净辐射空间分布不均匀是造成H_EC和H_LAS差异的另一个重要原因;EC和LAS的印痕加权LST平均值与两者感热通量的统计分析表明,印痕内加权LST越高,感热通量越大;对雨季时的EC和LAS印痕内加权NDVI平均值表明,印痕加权NDVI越大,感热通量与净辐射之比越小;EC和LAS两种通量结果分析表明,空间尺度对藏北地区半小时尺度和月尺度感热通量结果都有较大影响。     

黄土高原大孔径闪烁仪观测特征量T*的研究

基于黄土高原定西站2009年9月大孔L径闪烁仪(LAS)的观测数据,结合涡动相关系统(EC)和梯度塔的同步观测资料,分析了LAS和EC在测量感热通量过程中的温度特征尺度T*及其差异与近地层气象要素风向、位温梯度和稳定度等的关系.结果表明,黄土高原下垫面LAS测量的T*LAS和EC测量的T*EC有很好的相关性,相关系数达到0.955,拟合的线性趋势系数是1.482.对9月进行风向统计,主风向为NNE和SE,NNE风向上T*LAS和T*EC的相关系数是0.960,拟合的线性趋势系数是1.349,SE风向上T* LAS和T*EC的相关系数是0.968,拟合的线性趋势系数是1.619,风向对T*有显著影响.位温梯度与T*呈很好的线性相关关系,T*LAS相较于T*EC与位温梯度有更好的相关性.当稳定度z/L＜1.5时,T*LAS/T*EC随着z/L的增大雨减小;当z/L＞1.5时,T*LAS/T*EC随着z/L的增大而增大.T* LAS/T*EC的变化范围随着z/L的增大逐渐变小,当z/L增大到4后,T*LAS/T*EC开始保持较小的变化范围.     

黄河源区高寒草地-大气间水热交换通量特征

利用黄河源区玛曲观测站2016年涡动相关系统和微气象梯度塔观测资料,分析了高寒草地 大气间水热交换通量的特征。结果表明：夜间地表各通量值很小,净辐射和感热通量为负值,潜热通量的值较小但始终为正。日出后随着太阳辐射和地表加热作用各通量迅速增大,在14时左右达到峰值。暖季（6—8月）夜间感热通量占净辐射的比例(H/Rn)高于感潜通量占净辐射的比例(LE/Rn),日出后LE/Rn开始升高而H/Rn减小,日间LE/Rn大于H/Rn。冷季（12月—次年2月）H/Rn始终大于LE/Rn,感热通量在冷季的能量分配中占据主导地位。暖季LE/Rn、H/Rn均随土壤温度升高而升高。冷季H/Rn与5 cm深度土壤温度表现出了更为明显的二次关系,随着温度升高先降低后升高,当温度小于-7 ℃时H/Rn降低,大于-6 ℃时H/Rn增大。暖季H/Rn随着土壤湿度增大先降低后升高,LE/Rn先升高后降低。在0—1.5 kPa,暖季饱和水汽压差与LE/Rn、H/Rn均呈线性关系,并随着饱和水汽压差增大,LE/Rn增大而H/Rn减小;1.5 kPa之后,LE/Rn、H/Rn变化特征均保持其原有趋势。     

大孔径闪烁仪测量戈壁地区感热通量

利用2008年6月11～30日在金塔开展的"绿洲系统非均匀下垫面能量水分交换和边界层过程观测与理论研究"期间第一阶段戈壁下垫面大孔径闪烁仪(LAS)的观测资料,用混合对流方法和自由对流方法分别计算了戈壁感热通量。结果表明,对于利用LAS资料计算地表感热通量的方法中,混合对流方法相对于自由对流方法更加适用,且混合对流方法中Andreas给出的参数相对于DeBruin的参数更加适用于戈壁下垫面。此外,LAS测得的感热通量相对涡动相关方法的值较大,提高了地表能量闭合度。     

那曲高寒草地长时间地面热源特征及其气候影响因子分析

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2002—2015年自动气象塔(AWS_Tower)和2011—2014年涡动相关系统(EC)的观测资料,基于地表能量平衡组合法和涡动相关法计算那曲高寒草地下垫面湍流通量。利用涡动相关法对地表能量平衡组合法计算的感热通量、潜热通量进行校正,并将校正规律外推得到一个长时间连续的地表通量序列,分析那曲高寒草地下垫面感热通量、潜热通量的长时间变化特征以及地面热源与气候影响因子的关系。结果表明,该序列地表能量闭合度在春、夏、秋以及全年接近1,而冬季辐射观测值偏小导致能量闭合度正偏差较大为1. 34。近14年中,感热通量在年际变化上呈上升趋势;潜热通量呈显著减弱趋势,造成地面热源呈减弱趋势。地面热源与风速、地表温度、土壤湿度以及净辐射通量资料的关系显著。其中地面热源全年对净辐射通量响应显著,对地表温度在春、秋以及冬季响应显著,与土壤湿度在春、夏以及秋季响应明显,与风速在春季响应特征较为突出。季节变化上,感热通量在4月达到全年最大值,在7月为最小值;潜热通量在7月为全年最大值,在1月为最小值。     

半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量的日变化及季节变化

采用涡动相关方法连续观测2002年10月到2003年12月半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量变化,分析水汽和二氧化碳通量的季节和日变化规律,同时比较农田和退化草地两种不同下垫面物质和能量通量交换过程的差异,得到如下一些主要结果:(1)半干旱地区湿季,相距5 km的两种不同下垫面,即使在同一天气过程控制下,不同植被下垫面的降雨分布仍不尽相同,甚至相差很大.这表明降雨空间的分布是很不均匀的,具有很强的局地特征.(2)在干季近地面层能量收支中,两种不同下垫面上的有效能量(净辐射与地表热流量之差)主要分配为感热通量,潜热通量在非生长季(干季)通常很小.在湿季(生长季),潜热通量与感热通量相当,但农田下垫面的潜热通量大于退化草原下垫面.(3)土壤的温度和湿度日变化主要集中在0～20 cm土壤层内,在湿季农田下垫面土壤的湿度有明显的跳跃,这与降雨过程有很好的相关.(4)在非生长季,两种不同下垫面地气间二氧化碳通量差别不大,都很小.白天由于光合作用,在生长季农田下垫面吸收CO2通量较退化草原大,但比湿润地区稻田下垫面小一个量级,远小于森林生态系统.     

基于LAS观测的城镇感热通量时空特征及影响因素

利用2018年4月—2019年4月南京盘城大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)观测数据,分析了城镇感热通量的时空变化特征及影响因素。结果表明:1)南京城镇感热通量呈单峰型日变化特征,白天明显大于夜间,且白天晴天明显大于阴天,夜间晴天略小于阴天,晴、阴天小时感热通量年平均分别在2.25～200.53 W·m^-2、13.10～132.52 W·m^-2波动。2)城镇感热通量夏季明显大于冬季,8月昼、夜分别为112.19、23.54 W·m^-2,2月昼、夜分别为35.57、11.57 W·m^-2。3)晴天白天条件下,不同风向(通量贡献源区)城镇感热通量存在显著差异,即随着不透水层占比的增加,净辐射分配到感热通量的比例明显提高,当占比大于60％时提高趋势不明显。4)以莫宁-奥布霍夫长度判断大气稳定度为标准,C²_n法在计算感热通量的5种大气稳定度判断方法中的误判率较低且数据源于LAS,是比较适宜城镇夜间大气稳定度的判断方法。5)在影响城镇感热通量的地表参数中,有效高度变化的影响最大,风速变化的影响较大特别在秋冬季节更为明显,波文比变化对城镇感热通量的影响较小,温度、地表粗糙度和零平面位移变化的影响可忽略不计。     

洱海湖滨农田下垫面大口径闪烁仪与涡动相关仪测量的湍流热通量对比分析

利用大理国家气候观象台大口径闪烁仪(LAS)和涡动相关仪(EC)在洱海湖滨农田下垫面的同步观测资料,比较分析了两种仪器测量湍流感热和潜热通量的差异特征。结果表明,LAS测得的湍流感热和潜热通量与EC测得的均有较高的相关性,相关系数分别为0.85和0.90。两种仪器测量结果差异均存在显著的昼夜和季节变化。昼夜变化表现为白天时段LAS的平均感热(潜热)通量比EC的偏小15.6 W·m-2(偏大94.6 W·m-2);夜间时段则相反,LAS比EC的偏大9.3 W·m-2(偏小40.6 W·m-2)。季节变化表现为湿季(5-8月、10月)LAS的平均感热通量比EC的偏小6.9 W·m-2,干季(4月)LAS的平均潜热通量比EC的偏小2.1 W·m-2,其他月份则相反,LAS比EC测得的感热(潜热)偏大5.7(18.1)W·m-2。     

藏东南地区复杂下垫面能量收支特征分析

利用公益性行业（气象）科研专项项目＂藏东南地区复杂下垫面地气交换观测研究＂在藏东南地区进行的地气交换观测实验数据,分析典型晴天和阴天条件下不同下垫面能量过程的特征及其差异。结果表明：在典型晴空状态下,不同下垫面的地表净辐射均具有明显的日变化特征,在典型阴天的情况下,不同下垫面地表净辐射日均值显著减小;在典型晴空天气下,4种类型下垫面上潜热均随着净辐射的增加而表现为增加的趋势,在典型阴天的情况下,潜热通量明显比晴空天气小;不同下垫面感热通量的日变化存在显著的差异,不同下垫面感热的变化特征在典型晴空和阴天条件下的差异不明显;不同下垫面土壤热通量与净辐射的变化趋势基本一致,阴天夜晚土壤热流的交换与晴天夜晚的差异不大,四种下垫面土壤均存在能量损失,土壤处于降温状态。     

纳木错湖地区近地层微气象特征及地表通量交换分析

利用中国科学院青藏高原研究所纳木错圈层相互作用综合观测研究站2006年全年的观测资料,研究了青藏高原纳木错地区的草甸下垫面气温、湿度、风速、风向和地表温度的日变化及季节变化规律,并研究了地表感热、潜热通量和辐射通量的日变化和季节变化规律,初步揭示了纳木错地区草甸下垫面微气象特征和地气能量交换的一般规律。     

城市冠层上下大气湍流特征分析

利用兰州市榆中县城市冠层架设的3台涡动相关仪(EC)观测大气湍流资料,分析了城市冠层上下不同下垫面湍流通量和不同风向范围内湍流动能变化特征,之后对城市冠层上下3台EC观测湍流动能最小、最大分布方向上分别对应的最小最大湍流动能的风速谱进行了研究,进一步检验了局地相似理论在城市冠层上下的适用性。结果表明:(1)城市冠层之上水泥、砖石等构成下垫面和城市冠层之内草坪下垫面观测感热通量、摩擦速度较为接近,观测潜热通量、CO2通量在白天差异明显。(2)城市冠层之上的湍流动能总体上大于冠层之内,冠层之上气流来向的上风向较为开阔时湍流动能较大,而冠层之内气流来向的上风向为街道口时湍流动能较大。(3)城市冠层之上的湍涡尺度大于冠层之内,城市冠层小尺度湍涡风速谱在惯性副区基本符合-2/3次方关系,且准各向同性,大尺度湍涡风速谱在惯性副区不符合-2/3次方关系,且各向异性。(4)不稳定层结下,城市冠层上下无量纲速度方差与稳定度基本满足1/3次方局地相似关系,稳定层结下不满足;城市冠层上下无量纲温度、湿度、CO2浓度方差在所有层结下均不满足-1/3次方局地相似关系。(5)近中性层结下,城市冠层上下u、v、w方向无量纲速度方差分别为3.52,3.03,1.49和2.62,2.22,1.50。     

基于通量方差法对青藏高原东侧高寒草甸地表通量的估算

利用位于青藏高原东侧理塘大气综合观测站2008年观测资料,分析了高寒草甸下垫面上地表通量的时间变化特征,确定了温度、水汽和CO₂的归一化标准差在不稳定情况下随稳定度变化的通量方差关系,应用通量方差法对感热、潜热和CO₂通量进行了计算,并与涡旋相关系统的观测结果进行了比较。结果表明：地表通量月平均日变化呈较为规则的日循环特征,季节变化特征也很明显,雨季（5-9月）潜热大于感热,干季则以感热为主,CO₂通量以6-9月值最大。在不稳定条件下,温度、水汽和CO₂的归一化标准差随稳定度的变化均满足-1/3规律,其通量方差相似性常数分别为1.2,1.4和0.9。通量方差法估算出的通量值与涡旋相关观测得到的通量值有较好的一致性,但感热通量的效果优于潜热通量和CO₂通量。该方法高估了感热通量尤其是潜热通量,而低估了CO₂通量。采用直接观测的感热通量值计算潜热通量和CO₂通量可改善计算结果。     

2008年夏季风期间西沙海域海-气通量交换及热量收支

2008年4—10月在中国南海西沙永兴岛近海进行了第4次海-气通量观测试验,获得了整个夏季风期间近海面层湍流脉动量及辐射、表层水温、波浪及距水面3.5、7.0、10.5m高度温、湿、风梯度观测资料,根据涡动相关法和COARE3.0法计算结果研究了2008年南海西南季风爆发、发展、中断、衰退包括暴雨、台风、冷空气影响等天气过程中海-气通量交换和热量收支变化。结果表明:(1)季风爆发前的晴天太阳总辐射强,而海洋失热量较小,热量净收支为较大正值,海面温度迅速升高。季风爆发期太阳总辐射仍然较强,大气长波辐射也有所增强,而海面长波辐射变化很小,故海面净辐射收支仍为正值;(2)季风活跃期特别是降水阶段感热通量增大,季风中断阶段变小;季风活跃期虽然潜热通量增大,由于太阳短波辐射没有减少,海洋净热量收支稍有盈余;中断阶段潜热通量、感热通量减少,海洋吸热大于季风活跃期;降水阶段由于太阳短波辐射减小,感热通量增大,海洋热量收支出现较大负值,海面温度很快降低。季风衰退期风力减弱,湿度减小,潜热通量减小,海洋热量收入又出现较大正值,海面温度回升;(3)台风影响过程中潜热通量随着风速增强迅速增大;感热通量因降水情况不同而有差异,晴天时减小,大雨时剧烈增大;由于太阳短波辐射减少、潜热通量剧增,海洋热量净收支出现负值,促使海面温度迅速降低;(4)动量通量主要与海表面风速有关;动量通量τ与风速V的关系可以表示为τ=0.00171v~2-0.003809v+0.02213。     

大口径闪烁仪及其在地表能量平衡监测中的应用

介绍了LAS仪器的测量原理及数据处理方法, 并利用中荷合作项目CEWBMS中获得的河南郑州LAS测站2000年的观测资料, 同时结合其它辅助资料, 对观测点附近地区的能量平衡状况进行了分析。分析结果表明, 由LAS测值得到的显热通量值, 以及结合净辐射资料间接得到的潜热通量值, 合理地反映出了当地能量平衡状况的季节变化, 显示出一年之中当地大部分的净辐射能用于潜热通量的释放。其数据结果所表征的当地下垫面干湿程度的变化与同期的降水及土壤相对湿度相比, 表现出了相当好的一致性, 这为拓展LAS在局地地表能量平衡监测中的应用提供了物理依据。     

通用陆面模式CLM在东亚不同典型下垫面的验证试验

利用野外观测资料,考察了通用陆面过程模式(CLM)对东亚地区3种典型下垫面(高原稀疏植被下垫面、森林、水田)的模拟能力.验证结果表明,在高原稀疏植被下垫面,CLM模拟的地表气温跟实测较为接近,同时CLM还可以较好地模拟出土壤温度随时间和深度的变化特征,但模式模拟的地面温度的幅值跟观测相比显著偏小;对于能量通量而言,除感热通量外,CLM所模拟出的其它能量通量的变化均与观测实况比较一致.对于淮河流域的森林下垫面,CLM所模拟出陆气间的各能量通量均与实测较为接近,尤以夏季(8月份)的模拟性能最好.对于水田下垫面,CLM模式较好地模拟出了各能量通量的主要变化特征及其季节差异,如水田的净辐射以及潜热通量夏季最大,而感热通量则是秋季最大等.     

非均匀下垫面湍流通量观测的印痕分析

利用2005年在北京昌平区小汤山开展的非均匀下垫面观测实验的观测数据,分别处理了涡旋相关法和大孔径闪烁仪LAS测得的感热通量,并运用印痕模型对数据进行“源区”分析。分析结果表明:在复杂地表上,涡旋相关的测量值由于混杂了其他下垫面的通量信息,不能真实地反映其观测区域的湍流特征,存在着观测误差。而LAS观测出现的低估问题则与掺混高度和“源区”有关。通过用印痕方法进行数据订正后,以上问题均得到很好的改善,订正结果与LAS观测通量的线性关系良好,两者的相关系数达到0.9。实验结果验证了印痕模型在非均匀下垫面的适用性。     

我国北方不同下垫面地表能量通量的变化特征

利用"中国干旱气象科学研究计划——我国北方干旱致灾过程及机理"的观测数据,分析塔中站、奈曼站、平凉站和锦州站2015年8—10月及定西站2016年8—10月地表能量通量变化特征。分析发现,不同下垫面辐射均表现出明显的日变化,相对于向下短波辐射和向下长波辐射,不同下垫面反射辐射和向上长波辐射差异更加明显。塔中站反射辐射和向上长波辐射最大,锦州站和平凉站相对较小。净辐射具有明显的日变化特征,和总辐射相位一致,农田净辐射日峰值相对较大。地表反照率3个月平均从大到小依次为塔中站(0. 27)、定西站(0. 19)、锦州站(0. 16)、奈曼站(0. 15)和平凉站(0. 14)。各站点感热通量和潜热通量均为单峰型,其中,奈曼站感热通量峰值最大(276 W·m~(-2)),平凉站潜热通量峰值最大。定西站和锦州站净辐射分配以感热通量为主,平凉站则以潜热通量为主。     

张掖绿洲—荒漠区域近地层微气象与水热交换特征

利用张掖2012年5-9月"非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验:通量观测矩阵"数据,结合同步观测的航空和卫星遥感图像,分析了绿洲-荒漠区域近地层气象要素、辐射和能量收支特征。结果表明:(1)相对于荒漠,绿洲表现出冷、湿、风屏、增雨等"绿洲效应"。在不同的天气背景下,绿洲与荒漠及绿洲内不同田块之间存在不同尺度的相互作用过程;平流发生时,绿洲近地层出现逆温,且湿度上升,临近戈壁的近地层湿度也上升;绿洲灌溉后气温达峰值的时间滞后;在大风天,绿洲、荒漠的风向比较一致,而小风天则受到局地环流影响,绿洲内、外风向不一致。绿洲降水量大于荒漠。绿洲土壤水分明显大于荒漠,且绿洲为灌溉控制型,荒漠为降水控制型。(2)绿洲与荒漠的太阳总辐射一致;绿洲的大气逆辐射稍大;荒漠地表反射辐射和地表长波辐射明显偏大,净辐射则偏小。(3)绿洲潜热通量远大于荒漠,土壤热通量和感热通量小于荒漠;绿洲的能量输送以潜热通量为主;荒漠以感热通量为主。晴天下午绿洲经常出现感热通量为负,潜热通量超过净辐射的现象-平流/局地环流。由于风场以及绿洲-荒漠水热条件差异程度不同,绿洲不同站点平流出现的时间及强度不同。     

珠海凤凰山森林下垫面干季和湿季气象要素的对比分析与动量和感热交换系数的参数化研究

利用珠海凤凰山陆气相互作用观测塔站2014年11月至2016年5月的观测数据,对比分析了干湿季森林下垫面能量通量和气象要素的变化特征,分析了在不同稳定度下3个风向范围（315°～45°、45°～135°和135°～225°）的动量和感热交换系数随冠层表面风速的变化特征,并对动量和感热交换系数进行了参数化研究。结果表明:干季感热和潜热通量值相当,湿季潜热远大于感热。干季和湿季的夜晚都出现负感热现象,感热从大气向森林输送。相对湿度的变化幅度大,与该地气象状况密切相关,相对湿度的垂直梯度夜晚较大,白天较小。干季的气温垂直梯度比湿季的明显。风速在冬季变化平缓,夏季变化剧烈,低层风速随高度变化梯度明显,高层较紊乱。各高度风向差异不大。中性和近中性状态下,在风向为315°～45°、45°～135°和135°～225°时,动量交换系数C_dn分别为0.05、0.0055和0.022,感热交换系数C_hn分别为0.0055、0.003和0.004。在稳定和不稳定状态下,动量交换系数C_d、感热交换系数C_h随冠层表面风速v明显发生变化,稳定条件下,C_d、C_h随v的增大而增大;不稳定条件下,C_d、C_h随v的增大而减小。分不同风向对森林冠层C_d、C_h在稳定和不稳定条件下与v的关系进行了拟合,得到了参数化公式。