大尺度水热通量观测系统的研制

基于闪烁理论、孔径平均效应及莫宁-奥布霍夫相似理论(MOST),成功研制了大尺度水热通量观测系统样机YZ01,该系统主要由发射器、接收器、云台、瞄准器、气象传感器、数据采集器、数据处理软件、远程无线数据传输模块、太阳能供电系统等部分组成.该系统发射器平均功耗3W,接收器功耗1.8 W,比德国的BLS450和荷兰的LAS都更省电;发射器光源功率为100 mW,比荷兰LAS的80 mW更强,在同样条件下,YZ01接收器接收到的闪烁光解调信号比荷兰LAS强14%左右,说明在相同的安装距离下,YZ01比荷兰LAS更适于在能见度低的条件下使用,或者说在同样的环境条件下,YZ01比荷兰LAS可以测量更远的距离.YZ01在北京密云站与荷兰Kipp＆Zonen公司的LAS、美国Campbell公司的涡度相关测定系统进行了短期的应用对比试验,结果为:空气折射指数的结构参数Cn2、感热通量H、潜热通量LE的日变化趋势都非常一致;YZ01与LAS之间Cn2的线性拟合系数为0.98,相关系数为0.7;H的线性拟合系数为0.90,相关系数为0.93;YZ01通过余项法算出的LE与涡度相关直接测得的LE的线性拟合系数为1.07,相关系数为0.78.YZ01在青海阿柔站与德国Scintec公司的BLS450进行对比结果为:空气折射指数的结构参数Cn2、感热通量H、潜热通量LE的日变化变化趋势也都非常一致,YZ01与BLS450之间Cn2的线性拟合系数为1.25,相关系数为0.93;H的线性拟合系数为1.17,相关系数为0.99;YZ01通过余项法算出的LE与涡度相关测定系统测得的LE的线性拟合系数为1.03,相关系数为0.84.表明该研究所研制的大尺度水热通量观测系统不仅可以达到国外同类仪器同样的应用水平,而且比国外同类产品更省电、比荷兰LAS更适应在低能见度条件下使用.     

“大尺度地表水热通量观测与应用学术研讨会”在北京召开

2011年7月22-24日,“大尺度地表水热通量观测与应用学术研讨会”在北京友谊宾馆召开。本次会议由北京师范大学主办,遥感科学国家重点实验室、全球变化数据处理与分析中心承办,北京雨根科技有限公司协办,公益性行业（气象）科研专项经费项目“大尺度水热通量观测系统的研制与应用研究”（GYHY200706046）提供资助。     

“大尺度地表水热通量观测与应用学术研讨会”在北京召开

2011年7月22～24日,＂大尺度地表水热通量观测与应用学术研讨会＂在北京友谊宾馆召开。本次会议由北京师范大学主办,遥感科学国家重点实验室、全球变化数据处理与分析中心承办,北京雨根科技有限公司协办,公益性行业（气象）科研专项经费项目＂大尺度水热通量观测系统的研制与应用研究＂（GYHY200706046）提供资助。     

“大尺度地表水热通量观测与应用学术研讨会”在北京召开

2011年7月22－24日,“大尺度地表水热通量观测与应用学术研讨会”在北京友谊宾馆召。本次会议由北京师范大学主办,遥感科学国家重点实验室、全球变化数据处理与分析中心承办,北京雨根科技有限公司协办,     

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.     

黑河流域观测通量的空间代表性研究

地表湍流通量包括显热通量和潜热通量,它的准确测定对天气气候预报、农业节水和水资源管理等意义重大。目前应用较为广泛的通量测量技术有涡动相关仪(EC)和大孔径闪烁仪(LAS),前者是单点观测,观测范围通常只有几百米;后者近年来得到长足的发展,可以观测从几百米到十几公里尺度上的区域湍流通量。建立了EC和LAS通量解析足迹模型,详细介绍了足迹模型的理论依据和建立方法,并对二者模型的异同进行了阐释。在黑河流域遥感—地面观测同步试验中,以高寒与干旱区伴生的黑河流域为试验区,包括寒区水文试验、森林水文试验和干旱区水文试验,使用足迹模型分别分析了临泽草地站、阿柔冻融观测站的EC、LAS观测通量的源区,结合风向变化规律,对二者通量观测差异进行分析解释;分析了盈科灌区绿洲站、大野口关滩森林站的EC观测数据,以及阿柔冻融观测站的EC、LAS观测数据,选择具有代表性的月份,进行观测站点的空间代表性分析。结果表明:对通量观测站点进行空间代表性分析是十分必要的,可得到观测站点通量源区的时空变化特征,同时足迹模型在通量观测数据的分析中有很大的实用价值,可为今后通量观测数据的应用提供参考。     

利用场地观测计算地表通量

高原地表的感热和潜热通量在亚洲季风系统中有很重要的作用。由于高原地域辽阔，且自然环境较严酷，不利于建立完善的地面观测系统。因此，卫星遥感观测就成为测算高原整体感热和潜热通量的有效工具。地面场地的观测结果作为地表通量的真实值，对于卫星遥感测算是非常重要的。它也为构建陆面—大气模型提供了科学依据，是卫星资料的资料同化系统中的重要组成部分。 计算场地热量通量有几种不同的处理方法。最简单的方法利用有效的观测和试验的参数，可以给出稳定连续的估计。愈精确的Bowen比或者廓线的观测能给出愈精确的信息。综合了湍流测量及辐射测量、土壤热通量的观测结果的估计对陆面—大气相互作用进行了详细的描述，以适应模式的发展。从1998年开始，这些方法联合应用到青藏高原；场地通量观测方面的成果以及目前对其理解将在本文中做一概述。     

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.     

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.     

青藏高原地区能量水分循环：地表能量平衡和湍流热通量

文章给出了青藏高原能量水分循环研究的概况和总结，着重估计了能量平衡各分项和湍流热通量等。在能量平衡的计算基础上，尽管能量不平衡的原因解释仍有争论并且没有解决，但我们揭示了GAME/Tibet试验观测资料中能量不平衡现象。我们发现估算的潜热通量比实际观测的要高许多。然而，根据能量平衡假设的计算结果和SEBS的估算一致性很好。在此基础上可以归纳出差异主要由GAME/Tibet试验观测资料中能量不平衡引起，潜热通量的实际观测可能偏小。     

基于大孔径闪烁仪(LAS)测定农田显热通量的不确定性分析

显热通量是反映地-气间能量交换强度的重要指标.随着涡度相关(EC)技术的快速发展,点尺度的显热通量测量已经变得比较容易和准确可靠,像元尺度(公里尺度)的显热通量的地面测量成为连接遥感反演和地面验证尺度扩展的一个重要环节.大孔径闪烁仪(LAS)是目前唯一一种可直接用于像元尺度上显热通量测量的仪器.为了研究该仪器在使用过程的问题,比较了用2种方法同时在禹城农田上观测的显热通量,重点分析了两者之间产生误差或不确定性的原因.初步研究表明:①无论白天还是夜间,用大孔径闪烁仪(LAS)测量像元尺度上的显热通量是可行的,与涡度相关方法得到的结果总体相关性比较好,日变化趋势非常一致.②LAS与EC对比观测表明:白天显热通量较小时,HLAS比HEC偏大,白天显热通量较大时,HLAS比HEC小;当显热通量由小变大时,其平均绝对误差越来越大,相对误差越来越小.③由于下垫面的非均匀性,风速风向变化将会改变通量贡献区(footprint),从而造成2种结果出现偏差.另外,波文比、零平面位移和地表粗糙度等的不确定性都可能影响LAS的观测结果.     

大尺度辐射度模型敏感性分析及在祁连山林区的应用

辐射度模型(RGM)用于计算植被二向性反射(BRDF)。但是目前基于辐射度方法的计算机模拟模型的应用被局限在较小的、比较单一的场景范围之内。把RGM模型扩展为大场景辐射度模型(LRGM),关键在于如何把大场景分为子场景,既保证模拟精度,又可以显著缩短计算时间。通过不同地形条件下模拟结果的对比,分析讨论了子场景划分方法的敏感性,分析表明:①地形对BRDF是有影响的,主要表现在后向观测方向的增强作用和前向观测方向的减弱作用;②子场景个数对模拟结果影响不大,最大偏差不超过0.007。然后,选取黑河流域大野口山区水源涵养林带为观测试验区,利用大场景辐射度模型进行真实结构模拟,将模拟结果与ASTER数据进行对比,结果表明,二者最大绝对误差不超过0.0382,证明LRGM模型模拟遥感像元尺度的BRDF是可行的。     

南水北调西线引水区与黄河上游降水过程的水汽特征分析

利用NCEP再分析资料,分析了南水北调西线引水地区和黄河上游的可降水量、水汽通量、水汽通量散度和该区域的流场.结果表明:在5~9月间,该地区可降水量7月最大,其次为8月、6月、9月,最小为5月;水汽通量主要从南边界获得,北边界存在较稳定的强度不大的净收入,西边界不太稳定,会出现负收入.研究区域上空600 hPa水汽通量主要为辐合,风场散度对水汽通量散度的贡献最大;向研究区域输送的水汽在低层既有直接从孟加拉湾输入,又有从孟加拉湾经中南半岛北部绕过来的,而高层则基本从孟加拉湾直接输入.     

西北地区大气水汽的区域分布特征及其变化

对西北地区大气水汽的区域分布及变化特征进行了分析.结果表明:受不同气候系统影响的西北地区可划分为西风带、高原区与东亚季风等3个气候影响区,水汽沿西北、西方与西南3条路径输送到西北地区;东亚季风区是西北大气可降水量和水汽通量的最丰富区,西风带区是次之,高原区最少.平均状况下,高原区的边坡、东亚季风区、天山及祁连山等西北地区降水最大和次大中心维持水汽的辐合状态.西风带区在1978年以前净水汽通量呈“亏损”状态,之后维持“盈余”;高原区净水汽通量一直为“亏损”状态;东亚季风区90年代以前净水汽通呈“盈余”状况,其后基本维持平衡,且数值远大于其它区.西风带区降水和大气水汽在变化过程中均有突变发生,时间分别为1990年和1985年,其它两区没有突变现象发生.     

当地暴雨放大法水汽效率放大的研究与应用

水汽效率放大法广泛应用于我国一级大型土石坝水电工程和核工程的短历时可能最大暴雨计算。为了研究该方法的基本原理并更好地适用于实际工程,对该方法涉及各参数的物理含义进行了详细阐述,对极大化参数的选取和合理性分析进行了说明,并应用于金沙江流域1d PMP计算。结果表明:水汽效率放大法对降水的两个基本物理因子(水汽因子和动力因子)同时进行了放大,一般可采用该方法推求的成果作为推荐成果;推求可降水量时代表性露点的选择应在时间和地区上具有代表性;该方法中暴雨效率间接反应了设计流域空气辐合上升运动的情况,是目前动力因子中最容易计算且精度较高的方法;该方法推求的PMP成果与选取的典型暴雨量无关,只与设计流域最大可降水量、可能最大暴雨效率和降水时段有关。     

西北地区空中水汽时空分布及变化趋势分析

使用NCEP/NCAR1958%D2000年再分析格点资料,分析了西北地区空中水汽和水汽输送的时空分布特征和变化趋势.结果表明:1)西北地区空中水汽地域分布主要集中在西北地区东部和西部的天山北部以及塔里木河流域盆地,而西北地区中部水汽含量较少,尤以青海的西部和北部为最;2)西北地区空中水汽主要来自印度洋孟加拉湾、南海以及阿拉伯海的水汽输送,北面还有一支来自西伯利亚和蒙古方向的水汽输送;3)西北地区空中水汽含量自50年代末至80年代中期呈明显下降趋势,而从80年代后期开始水汽又呈波动上升趋势.水汽增加地区主要在新疆北部沿河西走廊至甘肃中部祁连山区中段以及南疆盆地西部,而其它地区近年来水汽明显减少,其中减少幅度最大的地方位于西北中部的甘肃、青海、新疆交界处以及东部的陕西省;4)从空中水汽年代际变化趋势看,60～70年代西北大部分地区呈现减少趋势,而80～90年代全区普遍呈现增多趋势,以西北地区西部水汽增多趋势最为明显.最后讨论了影响西北地区水汽分布及输送的气候动力因子.