基于多尺度遥感数据估算地表通量的方法及其验证分析

地表水热通量(显热通量、潜热通量)的遥感估算在全球气候变化、水资源、生态环境等研究领域具有重要的应用价值.MODIS数据的空间分辨率较低(热红外波段星下点为1 km),而地球表面的几何物理属性又具有高度非均匀性,因而在实际应用中面临较严重的尺度问题.探讨了多源卫星数据(中高分辨率Landsat TM与中低分辨率MODIS)相结合佑算像元通量的2种方法,分别利用高分辫率的地表分类及植被指数信息在混合像元内部进行亚像元处理,以提高非均匀地表混合像元的通量估算精度.研究数据来自于2008年黑河流域综合实验获取的遥感数据和辅助数据,验证数据来自于实验期间获取的不同下垫面的地表通量数据,包括涡度相关(EC)数据,以及大孔径闪烁仪(LAS)数据.计算结果表明,2种方法皆可在下垫面不均匀或者地表类型较复杂的情况下得到比较明显的纠正效果,纠正后的通量与观测更加接近.相比之下,利用植被指数分解温度的方法适用性更广,纠正效果更好.在地面验证中,对比分析了EC和LAS数据在TM尺度和MO-DIS尺度通量验证的适用性.LAS数据测量尺度与MODIS卫星像元尺度相匹配,可以直接验证MODIS通量计算结果,EC数据虽然可以直接验证TM计算的通量,但与MODIS数据对比,还需要进行尺度转换,即先用EC验证TM通量,然后将TM通量降尺度,与MODIS进行对比.最后对利用LAS验证通量的不确定性进行了分析,发现图像中LAS测点的几何定位误差以及LAS测量路径中像元的选取都对验证结果有一定影响.     

大孔径闪烁仪法测算低丘山地人工混交林显热通量的可行性分析

利用位于河南省济源市的华北低丘山地30年生栓皮栋-侧柏-刺槐人工混交林2009年主要生长季节(5-9月)湍流通量及空气结构参数等观测数据,确定迭代法为该下垫面条件下大孔径闪烁仪(LAS)测算显热通量的计算法,测算白天大气非稳定层结状况下的显热通量(HLAS).并采用通量印痕模型,对LAS法通量源区内由2台涡度相关系统观测得到的显热通量进行订正,得到源区内总显热通量值(HfEC).分析LAS法与涡度相关法的显热通量测算或测定值的相关性,结果表明:HLAS与HfEC的线性相关系数可达0.93.说明在分析通量印痕和通量源区的基础上,采用LAS法测算低丘山地人工混交林显热通量具有较好的可行性.     

大孔径闪烁仪和涡动相关仪观测显热通量之间的尺度关系

利用北京昌平小汤山2002年、2004年涡动相关仪和大孔径闪烁仪的观测数据,借助解析足迹模型计算的源区,分析均匀、非均匀下垫面上涡动相关仪和大孔径闪烁仪观测显热通量之间的差异和关系.结果表明:地表的均匀与非均匀性质,直接影响涡动相关仪和大孔径闪烁仪观测的显热通量的差异大小.在分析均匀、非均匀地表上2种仪器源区重叠面积及重叠区域内足迹值大小与观测通量值之间的关系后,构建一个非均匀地表上2台涡动相关仪与1台闪烁仪观测通量之间的尺度关系式.     

大孔径闪烁仪观测数据在陆面模式验证中的应用初探

将大孔径闪烁仪(LAS)观测数据应用在陆面模式验证中对更好地认识和描述陆面过程在气候变化中的作用有着重要意义.以中国北方2个LAS观测站--密云和阿柔为例,分别设定一个公里尺度(1 km2)的研究区域,采用陆面模式SiB2,综合利用站点观测数据、实地调查数据及卫星遥感数据,对陆面过程进行了模拟,并利用LAS和涡动相关仪(EC)观测的显热通量对模拟结果进行了评估,结果表明:SiB2模式能够对阿柔和密云显热通量的总体情况、日变化情况及季节变化情况进行较好的模拟;利用LAS显热通量进行较大尺度模拟验证,能够在很大程度上避免EC能量不闭合及其观测尺度与模式模拟尺度不匹配在验证中所造成的偏差,验证效果更好.     

大孔径闪烁仪在黑河流域的应用分析研究

大孔径闪烁仪(LAS)是近年来发展较快的一种新型通量测量仪器,用以观测较大尺度上的感热通量变化.”黑河流域遥感-地面观测同步试验”项目在黑河上、中游地区不同下垫面貌一新建立了多个地面站,除常规气象参数、各辐射分量、土壤温湿梯度和热流以及涡动相关（EC）通量外,还在黑河上游阿柔冻融站及中游临泽草地站架设有大孔径闪烁仪.依据有关观测,着重分析大孔径闪烁仪所测感热通量的日、季变化特征.阿柔站所用数据时间段为2008年3月至2009年12月,临泽草地站为2008年5～8月.在与涡动相关通量数据进行对比分析中,除依据解析模式计算分析EC及LAS的源区差异及有关影响外,对不同大气稳定度下大孔径闪烁仪观测资料的质量控制、感热通量的计算方法等做了仔细分析,以提高LAS通量结果的总体质量.长期观测资料分析表明,大孔径闪烁仪与涡动相关仪的感热通量及其时间变化有较好的对应关系.部分时段的较明显差异,主要由二者源区所含下垫面类型的不同引起.多数情况下,LAS所测感热通量比EC的有关结果偏大,可能因为LAS的源区一般远比EC的大,大孔径闪烁仪所测通量有天然的面积平均效果.     

陇中黄土高原LAS在非均匀下垫面的观测优势及其在区域陆面模式验证中的初步应用

目前通用的通量观测技术涡动相关仪（EC）在区域陆面模式验证中存在能量不闭合和空间代表性有限的问题,寻求改进EC观测热通量的新技术是提高陆面模式验证效果的关键环节,大孔径闪烁仪（LAS）的出现有效改善了这一现状。基于黄土高原定西站2010年1月和6月的同步综合观测资料以及目前比较有代表性的陆面过程模式CLM的模拟数据,分析研究了LAS对EC观测地表能量不平衡问题的改进以及LAS对EC在区域陆面模式验证中的提高,结果表明：LAS可有效解决EC观测存在的地表能量不平衡问题,提高EC的地表能量闭合度,在非均匀下垫面LAS观测优势突出;利用LAS观测的感热通量进行区域陆面模式的验证,能够很大程度地避免EC能量不闭合和空间尺度不匹配在验证中造成的偏差,LAS观测更适合于大尺度模拟的验证,验证效果更好。     

海河流域不同下垫面上大孔径闪烁仪观测显热通量的时空特征分析

基于海河流域密云站、馆陶站和大兴站2008-2009年大孔径闪烁仪的观测数据,结合涡动相关仪和自动气象站的同步观测,经过数据筛选、质量评价、数据处理及插补等步骤,得到了3个站点不同时间尺度的显热通量和蒸散量.首先分析了3个站点1月、4月、7月、10月不稳定状态下大孔径闪烁仪通量观测的空间代表性及源区内不同下垫面的通量贡献率,并结合下垫面作物生长状况比较分析了3个站点不同季节大孔径闪烁仪观测显热通量与净辐射的月平均日变化趋势,不同下垫面上两者变化趋势一致,且馆陶站的显热通量在各月中都为最低,1月、7月密云站的显热通量与大兴站较为接近.同时3个站点2008-2009年9:00～15:00显热通量日平均值的季节变化趋势表明,相对于密云站单峰状的季节变化,源区内下垫面的植被类型和植被生长状况导致馆陶站和大兴站的显热通量都表现出明显的三峰变化.最后,以馆陶站大孔径闪烁仪和涡动相关仪观测的30 min显热通量数据为例,结合涡动相关仪的能量闭合率,大孔径闪烁仪和涡动相关仪通量足迹源区的重叠程度和非重叠部分的地面非均一性,对不同尺度显热通量观测的差异原因进行了讨论.     

塔克拉玛干沙漠腹地LAS和EC观测感热通量对比分析

利用2009年6月20日至7月3日塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区地-气相互作用观测试验中的大孔径闪烁仪(LAS)和涡动相关仪(EC)观测资料,对LAS和EC在流动沙漠地区观测的感热通量差异进行了对比分析.结果表明:LAS和EC测得的感热通量变化趋势一致,两者有很好的相关性.总体来看,LAS的感热通量测量值大于EC测得的感热通量值.如果LAS和EC测量的允许差异|△H|≤50 W/m2时,LAS和EC测量结果无显著差异的频率达79%左右.因此,LAS完全适用于流动沙漠地区大尺度的感热通量的观测研究.     

大孔径闪烁仪研究区域地表通量的进展

地表湍流通量包括感热通量和潜热通量的准确测定对天气气候、农业、水文和水资源管理等意义重大。在几公里到几十公里尺度上有代表性的区域湍流通量的观测研究,特别在非均匀下垫面情况下,仍然非常困难。近年来蓬勃发展的大孔径闪烁仪（LAS）为这一问题的解决提供了全新手段。在介绍大孔径闪烁仪原理的基础上,综述了国内外利用大孔径闪烁仪开展区域地表通量观测研究的进展,包括在不同地表的LAS测量与涡动相关方法有关结果的对比,影响测量精度的关键因子分析,以及在区域地表通量遥感估算模型检验中的应用等,最后对大孔径闪烁仪的应用前景进行了展望。     

基于地面观测的遥感监测蒸散量验证方法研究

为了保证遥感监测蒸散量的准确性,需建立一套较完整的遥感监测蒸散量地面验证方法对其进行验证.通过由大孔径闪烁仪、涡动相关仪和自动气象站等组成的蒸散量观测系统可以获取不同卫星像元尺度蒸散量的地面观测值.自2002年以来,由海河流域的密云、馆陶、大兴及小汤山等站构建了一个不同卫星像元尺度蒸散量的观测站网,经过严格的观测数据处理与质量控制,获取了一大批卫星像元尺度蒸散量及其配套参数的地面观测值.同时,建立了一套基于地面观测的遥感监测蒸散量验证流程,重点对验证像元的选取以及评价指标的构建等进行探讨.依据上述验证流程,在海河流域的北京地区开展了遥感监测蒸散量的地面验证工作.利用2008年密云站和大兴站的大孔径闪烁仪观测数据,对基于MODIS数据估算的北京地区区域蒸散量进行验证.结果表明:这套基于大孔径闪烁仪观测数据的遥感监测蒸散量验证方法是合理、可行的.其中2008年北京地区遥感监测月、日蒸散量的均方差分别为13.75和0.91 mm,平均相对误差分别为22.79%、18.61%.     

大孔径闪烁仪观测数据的处理方法研究

大孔径闪烁仪可以获取公里级尺度的显热/潜热通量,其观测数据在农林业、水文、气象等领域的研究中具有越来越重要的作用.以海河流域2008年密云站和馆陶站大孔径闪烁仪的观测数据为例,讨论了数据筛选与处理方法,以及大气不稳定状态下不同处理方法对显热通量造成的影响.结果表明:空气折射指数结构参数应结合电压信号的方差进行计算、采用逐日的日平均波文比系数进行湿度订正、结合空间权重函数计算有效高度、选取Andreas(1988)稳定度函数计算显热通量等是可信的.通过对不同插补方法的比较可知,采用非线性回归方法和以零值替代的方法对不稳定状态和稳定状态下30 min缺失的显热通量进行插补,采用动态线性回归方法对日显热通量的缺失进行插补是可行的.为了解决由于冬天净辐射和显热通量较小,造成能量平衡方程余项法计算的蒸散量产生较大误差的问题,可采用根据大孔径闪烁仪与涡动相关仪观测的日蒸散量建立的关系式进行估算.基于上述方法的研究,形成了一套较为完整的大孔径闪烁仪观测数据的处理流程,保证了在不同下垫面、不同的天气状况条件下都能获取质量可靠、数据连续的大孔径闪烁仪观测的显热/潜热通量.     

玛曲高寒草甸夏季近地层微气象和CO2通量特征分析

利用2015年夏季玛曲高寒草甸观测资料,从中选取7月10个连续完整的观测日,分析了近地层气象要素、地表辐射和能量传输以及CO₂通量日变化特征。结果表明：夏季玛曲地区气温和比湿昼夜差异较大,最大温差为19.2 ℃,平均风速为2.7 m?s^-1,风向以东风为主。晴天条件下向下短波辐射可达1 200 W?m^-2左右,平均地表反照率为0.22,均大于藏北那曲地区。净辐射峰值可达850 W?m^-2左右,陆-气间能量传输以潜热输送为主。10 d能量闭合度平均值为0.61,能量不平衡程度较大。夏季玛曲高寒草甸表现为“碳汇”,CO₂通量平均值为-0.20 mg?m^-2?s^-1,晴天碳吸收最大速率为-14.05 mg?m^-2?s^-1,显著大于阴天,最大碳吸收时长为13 h,CO₂密度平均值为530.7 mg?m^-3。     

A Preliminary Study of the Validation of Land Surface Models with Large Aperture Scintillometer Data

The application of large aperture scintillometer observations to the validation of land surface models has important significances in better understanding and describing the influences of land surface processes on climate change. With observational data from stations, field survey data, and remote sensing data, the land surface processes of Miyun and Arou, two typical flux observation stations in northern China, were simulated by SiB2 model at the spatial scale of 1km². The simulation was validated by the sensible heat fluxes obtained by Large Aperture Scintillometer (LAS) and Eddy Covariance measurement (EC). The results showed that: ①SiB2 has given a good simulation of the sensible heat flux as well as its diurnal variation and seasonal variation; ②The validation of large scale simulation by LAS can avoid the disadvantage of EC, such as energy disclosure and spatial scale differences with model simulation, and could give better results.     

大孔径闪烁仪的通量印痕分析与应用

针对北京密云站的长期通量观测进行大孔径闪烁仪的平均印痕区域分析.首先从2008年全年8 152组湍流观测资料,以整体湍流特征量σu/u*以及其他数据合理性判据进行质量控制,获得6 806组有效数据;然后用一个解析解模型逐时次计算大孔径闪烁仪的二维印痕,并进行统计平均,获得各季平均印痕分布;将当地气象条件根据风向、风速和稳定度分为12类,分别统计各类条件的平均印痕分布.最后,以实测感热通量为例,计算当地实际湍流通量的气候平均印痕区域.结果表明,当地大孔径闪烁仪的平均通量印痕季节变化不大;各类气象条件中,稳定度和风向是影响印痕区域大小和方向的重要因素,风速影响相对较小;以实际湍流通量为权重的气候平均印痕可更准确反映观测结果的空间代表性,其分布与简单平均的印痕分布有所不同.