基于淮河流域农田生态系统观测资料的通量研究

运用寿县国家气候观象台(代表淮河流域农田生态系统)2007年7月至2008年6月通量观测系统的观测资料,分析研究淮河流域农田生态系统的陆气相互作用,统计梯度和涡度数据缺测率,采用空气动力学(梯度)法和涡度相关法,验证通量观测系统观测数据的可靠性,分析CO2通量、潜热通量、感热通量的季节变化与日变化特征及其与下垫面的关系,计算出地表平均反照率、能量闭合率、动量输送系数等。结果表明:通量观测仪器测得的数据可靠,原始资料具有客观性、可用性;CO2等通量存在明显的季节变化,与下垫面状况有密切的关系,日变化均为单峰型分布,由通量观测系统的观测资料计算得到地表平均反照率为0.18,平均能量闭合率为0.92,平均动量输送系数为0.0092。     

青藏高原典型下垫面地表能量通量的模型估算与验证

青藏高原地区地表能量通量的估算与验证对高原及其周边地区能量和水循环研究具有重要意义,地表能量平衡系统SEBS(Surface Energy Balance System)模型为研究高原非均匀地表区域地表能量通量提供了一种行之有效的方法。基于中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站(简称那曲站)、中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站(简称纳木错站)和中国科学院珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站(简称珠峰站) 2008年辐射资料、大气边界层塔站观测资料,结合MODIS卫星数据,利用SEBS模型估算地表能量通量,并用站点地表能量通量观测资料进行验证。结果表明,模型估算的感热通量和土壤热通量与站点实测值具有较好的一致性,且感热通量和土壤热通量的估算精度明显优于潜热通量;感热通量的估算精度最高,那曲站、纳木错站和珠峰站的均方根误差分别为54. 98,37. 37和27. 10 W·m~(-2);而模型估算的潜热通量验证结果偏差较大和站点实测数据存在"能量不闭合"问题相关。鉴于在地表能量通量观测中广泛存在"能量不闭合"的问题,利用波文比校正方法校正站点实测潜热通量。研究表明波文比校正方法可以明显改善地表通量观测数据"能量不闭合"的问题,那曲站、纳木错站和珠峰站的能量闭合率分别提高了19. 4%,21. 4%和19. 1%;与原始站点实测潜热通量相比,校正后的潜热通量与SEBS模型估算结果一致性较好,3个站点潜热通量的均方根误差分别减少了6. 78,33. 48和29. 30 W·m~(-2)。     

半干旱草地地表土壤热通量的计算及其对能量平衡的影响

利用2008年7月兰州大学半干旱气候与环境观测(SACOL)站的观测资料,对比分析了地表土壤热通量的三种计算方法,即谐波法、温度预报校正法(TDEC法)以及结合自校正热通量板(HFP01SC)测量的温度积分法(ITHP法);进而分析了三种不同方法的计算结果对地表能量平衡的影响。比较5cm深度处谐波法和TDEC法的计算结果与HFP01SC的实测结果,三者的相位基本一致,相互之间均具有很好的线性关系;谐波法与TDEC法的计算值较为接近,但分别比HFP01SC的实测值偏大了2%和6%(主要发生在夜间)。对于地表的土壤热通量(G0),谐波法与TDEC法两者的计算结果仅偏差约1%;TDEC法与ITHP法的计算结果之间也具有很好的线性关系(R2=0.99),但偏差达到9%左右。相对于HFP01SC的实测结果,由谐波法和TDEC法计算的G0可将SACOL站的地表能量闭合率分别提高6%和7%左右;利用温度积分法将HFP01SC的实测结果校正到地表后,地表能量闭合率也提高了约6%。因此,在对涡动相关通量做了常规订正的情况下,当充分考虑了土壤热存储后,SACOL站的地表能量闭合率可提高6%～7%,达到82%～83%左右。     

自动观测与人工观测相对湿度比对分析

为了确定现有相对湿度自动观测与人工观测数据是否具有可比较性以及它们之间的偏差情况,利用全国保留人工观测的8个国家基准气候站2007—2013年的自动与人工观测相对湿度的整点资料进行比对分析,结果表明:自动气象站相对湿度的观测结果系统性低于人工观测结果,且随着相对湿度增加,两者系统偏差增大,系统偏差为-5.69%~-0.1%,标准偏差为2.02%~4.71%;夏季自动观测与人工观测相对湿度的差异最大且与环境风速有关,在低风速下自动观测与人工观测差异较大,随着风速增大,差异逐渐减小;气温对相对湿度观测也有一定影响;两类观测逐小时数据未见明显的时间差异;自动观测与人工观测相对湿度偏差,清晨相对湿度较高时高湿地区台站偏差较大,下午相对湿度低时偏差较小。     

自动观测与人工观测数据差异的初步分析

利用2004—2007年内蒙古地区50个地面自动气象站与人工平行观测期间的数据,对自动与人工观测的气温、相对湿度、地表温度进行了差异分析,统计了两种观测之间的对比差值。对各要素观测差异在全区的分布特点进行了分析。结果表明:自动观测与人工观测各气象要素均存在一定的差异,但大部分地区各要素的差异都在自动站误差允许范围之内;造成差异的原因是多方面的,包括仪器本身存在缺陷及观测方法不一致等。     

半干旱草原下垫面能量平衡特征及土壤热通量对能量闭合率的影响

土壤热通量在半干旱草原下垫面能量平衡研究中极为重要,土壤热通量估计不够准确是导致地表能量不平衡的一个重要原因。利用2008年6—9月锡林郭勒草原主生长期地表辐射、通量和土壤温度梯度观测资料,研究中纬度半干旱草原下垫面地表能量平衡特征。首先,在分析能量平衡各分量月平均日变化特征的基础上,通过对土壤热流量板观测的5 cm深度土壤热通量(G)的相位前移,研究了土壤热通量相位滞后对地表能量平衡产生的影响;其次,利用谐波分析方法,通过计算地表土壤热通量(Gs),分析了地表到热流量板之间的土壤热量储存对地表能量平衡的影响。结果表明:(1)将土壤热通量相位前移30 min,湍流通量与可利用能量(Rn-G)线性回归的斜率从0.835增加到0.842,地表能量闭合率提高了0.7%,但仍有15.8%的能量不闭合;(2)考虑了地表到热流量板之间的土壤热量储存之后,湍流通量与可利用能量之间的回归斜率达到0.979,能量不闭合程度仅为2.1%。     

海南省自动土壤水分观测数据异常原因分析

正分析了DZN3型自动土壤水分观测仪在实际业务应用中出现的数据异常情况及原因,对多种数据异常现象进行总结,发现造成海南省自动土壤水分观测数据异常的原因主要在四个方面:1)传感器等仪器部分出现故障;2)人工对比观测、土壤水文物理常数错误;3)观测土层发生变化;4)网络传输中断、断电等客观条件影响,造成数据无法正常传输。     

夏季晴天沙漠绿洲非均匀下垫面地表能量平衡分析

利用"古浪非均匀近地层观测试验"数据,分析地表热通量不同算法对地表能量不闭合的影响,估算中国西北干旱区农田下垫面的植被光合作用、空气热储存、生物量储热和垂直平流输送,并且分析其对干旱区农田下垫面夏季地表能量不平衡的补偿。结果表明:干旱区农田植被光合作用平均日变化最大值达9.9 W·m~(-2),空气热储存平均日变化最大值达10.6 W·m~(-2),生物量储热平均日变化最大值达32.4 W·m~(-2),垂直平流输送平均日变化最大值达22.9 W·m~(-2);各补偿项对地表能量闭合度分别提高2%、1%、2%和6%;在能量平衡方程中引入这4项后地表能量平衡闭合度由79%提升到90%。植被光合作用、空气热储存、生物量储热和垂直平流输送对干旱区农田地表能量不闭合有明显改善。     

自动观测与人工观测差异的初步分析

利用2001—2005年我国700个地面自动气象站与人工平行观测期间的数据, 对自动与人工观测的气温、气压、相对湿度、地表温度、风速风向、降水量进行了差异分析, 统计了两种观测之间的对比差值、百分误差和风向相符率。 对各要素观测差异在全国的分布特点进行了分析, 并检验了气温自动观测对气温资料连续性的可能影响。 结果表明:自动观测与人工观测各气象要素均存在一定的差异, 但大部分地区各要素的差异都在自动站误差允许范围之内; 造成差异的原因是多方面的, 包括仪器本身存在缺陷及观测方法不一致等。各要素自动观测与人工观测差异在全国的分布特点各不相同, 同一要素在不同的气候背景条件下差异大小不一致; 如果要将人工观测数据与自动观测数据连续使用, 还要检验自动观测与人工观测序列是否有显著性差异, 并进行均一性订正。 自动站的使用对年气温序列有一定影响, 总体差异不显著, 但当自动观测与人工观测气温合并使用时, 应进行均一性检验。     

山地复杂下垫面湍流特征观测分析

利用谱方法和能量闭合度分析等方法,对兰州市皋兰山2006年夏季和2005年冬季涡度相关系统测定的湍流数据质量进行了分析,结果表明:4个观测点测定的三维风速、空气温度的功率谱在惯性副区都符合"-2/3"定律,垂直风速和温度的协谱在惯性副区也基本符合"-4/3"定律.4个观测点都存在能量平衡不闭合现象,夏季观测点绿化地和裸地能量平衡比率(EBR)分别为66%和94%,冬季绿化地和裸地的EBR分别为62%和84%;裸地观测点的闭合程度明显好于绿化地.本文还讨论了能量闭合度的日变化特征及各个观测点的地表能量收支状况.     

自动站与人工观测常规气象要素差异对比分析

利用青海省海西州所属气象站人工与自动平行观测资料,统计分析气温、气压、相对湿度、风要素观测差异,探讨差异产生的原因。结果表明:自动站与人工观测常规气象要素均存在一定的差异,自动站气温、风普遍高于人工站观测值,气压、相对湿度自动站观测大多低于人工观测值,没有一个站各要素偏差都在评估允许范围内的;观测仪器结构与观测原理的不同、观测时空差异、观测方式的不同是造成偏差的主要原因。     

用于气象站的地表气温观测仪器的设计与实验研究北大核心

大气科学研究对地表气温观测精度有高达0.1℃甚至0.05℃的需求。然而,现有的地表气温观测仪器受到太阳直接辐射、下垫面反射辐射、长波辐射和散射辐射等影响,辐射误差可达1℃。本文设计了一种基于导流装置的地表气温观测仪器。首先,利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法量化该仪器在各种环境条件下的辐射误差;然后,在此基础上,利用极限学习机(Extreme Learning Machine,ELM)方法拟合可针对多变量变化的辐射误差订正方程;最后,为验证该仪器的观测精度,进行了外场比对实验。在实验过程中,以076B型强制通风气温观测仪器的测量值作为温度基准。实验结果表明,该仪器的平均辐射误差和最大辐射误差分别为0.07℃和0.15℃。该仪器辐射误差的实验测量值与订正方程提供的辐射误差订正值之间的平均偏移量、均方根误差和相关系数分别为0.033℃、0.028℃和0.703。     

东北半干旱地区夏季能量水分传输过程分析

利用2015年8月锦州气象站的观测资料和中国地面气候资料日值数据集(V3.0),分析东北半干旱地区夏季能量水分传输过程。结果表明:锦州地区8月两次降水过程对近地面气象要素造成的差异较为明显。锦州站2 m气温和比湿都具有明显的日变化特征,较深层土壤升温与浅层土壤升温相比存在滞后效应。8月锦州站的CO2通量平均值为-0.17 mg/(m2·s),表现为"碳汇"。陆—气之间的能量交换主要依赖于水汽相变所传输的能量。地表反照率的日变化趋势大致为"U"型。潜热通量和感热通量平均值分别为71.9、29.7 W/m2。强烈的向下短波辐射使土壤和地表增温,同期降水量也偏少,是2015年夏季该地区出现的干旱的主要原因。能量不平衡的现象普遍存在,在考虑能量平衡时,考虑土壤热储量情况下的能量闭合率比不考虑时高2%～3%,夜间数据可以忽略。云量的增多会降低能量闭合程度。     

四川地面自动与人工地温观测值差异对比分析

利用四川省自动与人工地温对比观测数据对0～320cm地温进行逐层对比分析,发现自动与人工观测的逐层地温差异不同,地表温度和浅层地温自动观测数据比人工观测数据偏高。自动与人工观测数据一致率最高的是160cm地温,达到21%,一致率最低的是80cm地温,仅为6.2%;80cm地温的差值绝对值大于2℃的百分率最高,接近70%左右;地温年值正差异最大的出现在红原,自动比人工偏大达8.32℃。      

自动观测与人工观测数据的差异

1引言自动气象站与人工观测的结果存在某些差异,少数是由仪器故障造成的,多数是客观的。2仪器原理差异自动气象站中使用的传感器与人工观测的仪器在原理上是不同的。传感器观测的时间尺度小,可以观测到大气中短时间的有意义的波动,所得到的极值更有代     

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。     

青藏高原东缘峨眉山地区冬季地表能量交换特征研究

利用青藏高原东缘峨眉山站2018年11月至2019年2月的观测数据,分析了峨眉山地区近地层气象要素的变化特征,并运用涡动相关法、土壤温度预报校正法(TDEC)和最小二乘法等,讨论了地表能量交换特征,并与藏东南丹卡站和排龙站进行对比分析。结果表明:在峨眉山地区冬季感热通量占主导。地表辐射各分量日变化均呈单峰结构,短波辐射的峰值在峨眉山地区于13:00(北京时,下同)左右出现,而长波辐射到达峰值的时间段要晚于短波辐射,在14:00左右出现。地表反照率月变化明显,日变化呈"U"型,即日出后和日落前较大,日间较小的趋势,但在日出后和日落前的值并不相等。峨眉山站冬季地表反照率均值为0.29。峨眉山区域地表能量不闭合现象十分显著,日间和夜间的能量闭合程度差异很大。在考虑地表0～5 cm处的热量储存的条件下,白天闭合程度最好为67.22%,夜间闭合程度最差为65.09%。与藏东南丹卡站和排龙站对比分析表明:丹卡、排龙站地表辐射各分量达日峰值时间晚于峨眉山站。峨眉山站冬季的地表反照率高于丹卡、排龙站,月变化更加显著。峨眉山属于青藏高原东缘地区,其地表能量闭合程度大于青藏高原上部分站点。     

基于观测数据的风向传感器故障检测方法设计与应用

当自动气象站观测仪器发生故障或运行性能下降,通常是利用专用设备进行维修和检定,但为安装在十数米或数十米高度的风观测仪器进行日常维护会有较大困难。为提高测风设备的维护能力,提出了基于观测记录的风向传感器故障检测方法。利用全国2009—2011年2420站逐小时极大风速的风向和瞬时风速的风向资料,基于风向传感器的格雷码盘的编码原理,设计了风向传感器格雷码失效故障的检测方法,对全国的风资料进行了质量控制,同时通过模拟格雷码失效后风向变化情况,评估了格雷码失效故障所造成的影响。检测分析结果表明：（1）采用逐时极大风速的风向和瞬时风速的风向资料,可检测格雷码失效故障;（2）格雷码第二至七位出现失效故障的台站在全国所占比例为0.4%～0.8%,格雷码第一位出现失效故障的比例为2.6%;（3）格雷码失效对风向观测数据的质量影响较大,特别是失效格雷码为第四至七位时,甚至会造成风向频率的分布完全失真。     

宁夏自动站与人工观测气温的差异对比分析

利用2003—2004年宁夏17个自动站和人工站的气温平行观测资料,进行了对比差值及其均方根、标准差、粗差率和一致率等方面的对比分析,并对自动站观测气温序列进行了显著性检验。结果表明:由于观测原理、时次、方式等方面的不同,造成了两种仪器的气温偏差有明显的日变化,季节性和地域性差异不明显,自动站观测气温与历史序列无显著性差异。虽然自动站有很多人工站无法比拟的优越性,但两者之间的偏差较大,特别是白天,偏差幅度超过±0.2℃,离正常业务使用有一定的距离,所以需要一定时间的平行观测,对其数据序列进行均一性分析和客观订正,使其在天气预报和气象服务工作中更好地发挥作用。     

天气现象仪自动化观测资料对比分析

介绍2011年12月至2012年6月在北京市观象台、庐山气象局对目前一些天气现象仪所进行的对比观测试验的过程和结果分析。参与此次为期7个月的对比观测试验仪器有3种类型,每种类型配备3套,分别由3家厂商提供。试验采用人工目测辅助摄像作为参考标准,测试了这些天气现象仪对各种不同天气现象观测的准确性。结果表明:各仪器观测降水现象的数据准确性均大于90%,能够满足业务需求。区分降水强度时,各仪器的降水捕获率在70%以上(雨强大于0.01mm/h);微量降水(雨强小于0.01mm/h)和混合型降水,各仪器降水捕获率相对较低。仪器观测视程障碍现象的数据准确性均大于80%,能够满足业务需求。其他现象由于样本数量相对较少,需要更多进一步试验,并改进算法。