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。     

春末黄土高原半干旱区地表能量闭合的观测研究

利用兰州大学半干旱气候与环境监测站的连续观测数据,分析了该站的数据质量情况和黄土高原半干旱区的近地层湍流通量特征及地表能量平衡能量闭合状况.结果表明:兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)湍流通量的平均时间取30min为宜.该站利用EdiRe获得的湍流通量较TK2和CR5000数据自动记录器输出的湍流通量结果要好.黄土高原半干旱区近地层湍流能量与地表含水量状况明显相关,地表干燥时感热通量处于主导地位,接近于干旱区的特征;地表湿润时感热通量和潜热通量则相当,接近于湿润地区的特征.地表能量平衡分析表明,兰州大学黄土高原半干旱环境监测站观测的地表能量闭合度高达85%,与已有的观测相比,能量闭合情况属于较好水平.     

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。     

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.     

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.     

黑河流域不同下垫面水热通量特征分析

"黑河流域遥感—地面观测同步试验"在黑河上中游地区不同下垫面上建立了多个自动气象站和涡动相关仪及大孔径闪烁仪通量观测站。选取草地、森林及农田3种下垫面的观测资料,分析了水、热和CO2通量特征。结果表明:黑河流域内不同下垫面能量收支各分量(净辐射、感热、潜热和土壤热通量等)有明显的日变化特征;各通量观测站观测结果如季节变化趋势等差异明显,反映了不同下垫面地气交换特征的不同。黑河上游阿柔冻融观测站和中游临泽草地站两套大孔径闪烁仪(LAS)的观测与涡动相关仪有关结果有较好的对应关系。结合浅层土壤热储存量的计算等分析了地表能量平衡的闭合情况。LAS观测的感热通量一般大于涡动相关仪的测量值;两者的差异主要由下垫面的非均一性、通量贡献源区大小不同以及影响大气湍流通量观测的涡旋尺度不同等原因引起。     

基于闪烁仪观测低丘山地人工混交林通量印痕与源区分布

参考Meijninger提出的适用于大孔径闪烁仪(LAS)法的印痕模型,利用位于河南省济源市的华北低丘山地30年生栓皮栎-侧柏-刺槐人工林生态系统的主要生长季2009年5～9月通量等观测数据,计算、分析了该森林生态系统的通量印痕及源区分布.结果表明:①以90%通量贡献区面积为测算对象,不同风向条件下,在大气不稳定时,东南风向时源区面积最小,为1.1547 km2,西南风下最大,为1.5237 km2;在大气层结稳定时,西北风向时源区最小,为1.7271 km2,西南风向时最大,为3.5289 km2.并且在大气不稳定时的源区面积均小于稳定条件下的面积.其中,大气层结稳定时面积最小的西北风向时的源区面积比不稳定时面积最大的西南风向时的源区面积还要大11.8%.②以90%通量贡献区面积为测算对象,晴天条件下,由于湍流交换的逐渐加强,上午源区面积由8:00的1.1483 km2减小到11:00的0.4518 km2.中午之后,湍流交换逐渐减弱,大气趋向稳定层结,源区面积由14:00的0.4779 km2增加到17:00的0.7137 km2.通量源区面积的日变化趋势与大气稳定状况和湍流交换变化趋势大致一致.③以80%通量贡献区面积为测算对象,受大气状况、风向及下垫面性状的影响,各月通量源区各不相同.2009年5～9月期间,各月源区面积分别为1.834、1.680、2.043、1.671、1.380 km2.     

黄河上游玛曲草原湍流统计特征分析

湍流运动是大气最基本的运动特征,是大气能量物质交换的主要方式。利用玛曲气候与环境综合观测研究站2006年12月至2007年1月的湍流观测资料,分析了湍流方差特征、湍流动能及湍流强度等湍流统计特征,结果表明:无量纲化的风速脉动σu/u*,σv/u*,σw/u*与稳定度z/L符合1/3次方规律;大气处于中性层结时,在近中性条件下,无量纲化风速方差σu/u*,σv/u*,σw/u*分别趋于常数A=3.42,B=3.34,C=1.02;无因次化温度脉动方差σT/|T*|和湿度脉动方差σq/|q*|与稳定度z/L的变化都比较离散,基本上不能拟合出-1/3次方规律。湍流动能随风速增大而增大,白天比夜间明显,相比之下,夜间湍流动能较小,且随风速的增大比较缓慢;湍流动能随稳定的变化是非常明显的,在稳定度近中性时湍流动能取得最大值。湍流强度Iu,Iv,Iw随风速的增大而减小,当风速在0 m/s5 m/s时,湍流强度变化很小。     

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.     

大孔径闪烁仪观测方法的研究

当前,大孔径闪烁仪被广泛用于大尺度水热通量的测量,其观测方法的研究是十分必要的.从大孔径闪烁仪观测场地的选取,仪器的安装、调试,观测数据的采集及仪器的维护等方面系统地总结了其观测方法,为以后相关观测实验的顺利进行和观测资料的质量保证奠定基础.     

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.     

Analysis of the Characteristics of Turbulent Flux and Its Footprint Climatology at An Agricultural Site

Based on quality controlled data from eddy covariance system and automatic weather station collected at Guantao farmland site from 2008 to 2010, the characteristics of diurnal, seasonal and annual variations of turbulent flux were reported. The corresponding source areas of flux measurement at different temporal scales were analyzed in detail, using arithmetic-averaged and flux-weighted footprint climatology calculation method, respectively. The main findings are as follows. Firstly, sensible heat and latent heat flux both show consistent diurnal variation throughout the year, while CO₂ fluxes only have significant diurnal variation in growing season with an opposite trend. The seasonal variation of the turbulent flux is mainly affected by the crop type and its growth status in different phenological periods. During growing season, latent heat flux and CO₂ flux are the dominant flux exchange items whose value are significantly higher in their middle growth stage than other ones during which latent heat and CO₂ flux exchange of the summer corn is stronger than winter wheat. Secondly, with combined effects of wind, turbulence and surface condition, the source area of flux measurement change most significantly at daily scale, less obvious at seasonal scale and smallest at annual scale. Finally, compared with arithmetic-averaged footprint climatology method, flux-weighted footprint climatology is a more reasonable method to calculate the source areas of the flux measurement, in that they account for the time change of the actual turbulent flux. The arithmetic-averaged results are most likely to overestimate the size of source area during small observed flux due to its weak turbulent exchange.     

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.     

珠峰北坡地区近地层大气湍流与地气能量交换特征

利用珠峰北坡曲宗地区连续一年的大气观测资料（2005年4月至2006年3月）,分析了珠峰北坡地区近地层大气湍流宏观统计特征和西南季风爆发前后地气能量交换特征。研究表明在珠峰北坡地区Monin Obukhov相似定律同样适用。拟合得到了珠峰北坡曲宗地区近地层无因次风速分量方差以及温度和湿度归一化标准差和静力学稳定度的函数关系。研究得出曲宗地区能量平衡各分量（净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量）以及地面加热场具有明显的季节变化和日变化规律。尤其是在西南季风的影响下,曲宗地区感热通量和潜热通量在季风爆发前后具有明显相反的变化趋势。其它特征参数（波文比和地表反射率）在西南季风爆发前后的变化规律也十分明显。     

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.