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.     

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.     

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。     

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.     

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。     

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SEBAL和改进的SEBAL模型估算黑河中游戈壁、绿洲的蒸散发

蒸散发是干旱、半干旱地区内陆河流域水分消耗的主要途径, 利用遥感估算流域尺度上的蒸散发对内陆河流域水循环和水资源的合理利用具有重要的指导意义. 基于2012年开展的黑河流域生态-水文过程综合遥感观测联合试验(HiWATER)的观测资料和高分辨率的ASTER影像, 分别利用 SEBAL 模型和改进的SEBAL(M-SEBAL)模型估算黑河中游不同时期戈壁、绿洲等不同下垫面的蒸散发, 通过涡动观测数据对比分析了SEBAL模型和M-SEBAL模型估算戈壁、绿洲蒸散发的精度. 结果表明: SEBAL模型在绿洲低估感热通量, 高估潜热通量; 在戈壁高估感热通量, 低估潜热通量. M-SEBAL 模型充分考虑不同下垫面地表辐射温度与植被覆盖度之间的关系, 能很好地反映不同植被覆盖区域的湍流通量的异质性, 估算黑河中游戈壁、绿洲蒸散发的精度高于SEBAL模型.     

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.     

近地层能量平衡闭合问题——综述及个例分析

近地层能量闭合问题,即测量到的感热和潜热通量之和一般总小于近地层可利用能量(净辐射与土壤热通量之差),是近20年来困扰地气相互作用实验研究的主要难点之一。对国内外有关研究现状做了综述,与解决此问题日益迫切的要求相适应,问题的实质及解决途径近年来已逐渐明朗。"涡动相关方法"应用在复杂的大气湍流通量观测中的局限,特别是对低频较大尺度湍流通量的低估,仍是关键所在。在理论分析的基础上,结合2008年部分"黑河综合实验"资料对有关计算结果做了具体介绍。以阿柔站6天连续资料为例,仔细计算土壤浅层热储存,在涡动相关资料再处理中加上高低频损失修正等,再参考该站大口径闪烁仪(LAS)观测对感热通量的提高,能量闭合率可达到99%,当然这只是个例。许多复杂情况下,较大尺度的涡旋或湍流有组织结构(TOS)会有更明显影响。近地层能量闭合问题的根本解决必须考虑后者的贡献,提高通量观测的时空代表性。     

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.     

青藏高原林芝与四川盆地温江地区晴天辐射和能量平衡特征

分析了2008年青藏高原林芝地区与四川盆地温江地区无降水条件下地表辐射、 湍流通量和地表反照率的日变化及月际变化特征, 并探讨了季风过程对其产生的影响.结果表明: 林芝与温江地区地表辐射和湍流通量都具有明显的日变化和月际变化周期, 季风期受云的影响, 日循环规律变得不是非常规则.季风对林芝地区地表能量分配影响极大, 季风前感热通量占主导地位, 季风期和季风后(夏、 秋节)潜热通量是净辐射的主要消耗项; 温江地区全年潜热在净辐射的分布中占主导地位, 感热通量的作用和土壤热通量相当. 林芝地区年平均地表反照率为0.21, 温江地区年平均仅为0.14; 季风前(3-5月)、 季风中(6-7月)和季风后(8-9月), 林芝地区的地表反照率分别为0.20、 0.19和0.20, 温江地区的地表反照率分别为0.13、 0.11和0.14.     

黑河中游间作灌溉农田的能量平衡

利用布设在黑河流域中游的张掖绿洲区的一套自动气象观测系统在2004年作物生长期内的完整资料,分析了黑河中游春小麦和玉米间作农田生态系统的辐射收支,在此基础上选用波文比能量平衡法(BREB)进行了能量平衡计算.结果表明:间作作物-土壤系统截获的太阳短波辐射占太阳总辐射的比例从生长初期的0.81持续增加到生长末期的0.86;净辐射在生长初期较小,生长中期第一阶段增幅大,至第二阶段达到最大,生长末期降低;净辐射占太阳总辐射的比例与净辐射的变化相似.能量平衡中,净辐射的消耗以潜热为主,占70%左右,感热能量占20%,土壤热通量占净辐射总值的10%.不同生长阶段的能量平衡差异较大,能量平衡在不同生长阶段呈现出不同的日变化特征.     

How surface latent heat flux is related to lower-tropospheric stability in southern subtropica marine stratus and stratocumulus regions

The relationship between surface latent heat flux and the lower-tropospheric stability (LTS) is examined using ERA-40 reanalysis, NCEP reanalysis and COADS (Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set) ship data in two southern subtropical marine stratus and stratocumulus regions. The change of surface latent heat flux with LTS is determined by a comparison of the correlation of LTS with surface wind speed and with near surface humidity difference. At intermediate LTS (10 K-15 K), both surface evaporation and downward surface radiation flux amplify small LTS perturbations due to the surface wind-LTS relationship and cloud-radiation feedback. At high LTS, surface latent heat flux exceeds its peak value and becomes a regulating mechanism to keep LTS at its commonly observed equilibrium value. Surface radiation flux is seen to decrease at a smaller rate with LTS than surface latent heat flux. By applying the regulating effect of LTS on near surface humidity differences, monthly surface latent heat flux can be better represented.     

The annual variations on land surface energy in the northern Tibetan Plateau

It is vital to study the regional heat fluxes in the Tibetan Plateau Area. In this paper, the characteristics of down- and upward short wave radiation fluxes, down- and upward long wave radiation fluxes, net radiation flux, soil heat flux, sensible heat flux, and latent heat in the areas of CAMP/Tibet [coordinated enhansive observating period (CEOP) Asian-Australia Monsoon Project (CAMP) in Tibetan Plateau] are analyzed. Some new concepts about the characteristics of radiation flux budget and land surface energy budget are obtained. An erratum to this article can be found at     

科奇喀尔冰川夏季表碛区热量平衡参数的估算分析

利用能量平衡原理、热传导理论和通量传输理论建立了一个热量平衡参数的估算模型,对西天山的科奇喀尔冰川夏季消融区中部表碛区的热量平衡参数进行估算与分析.结果表明:净辐射是表碛面热量收支的主要热源,吸收的热量主要以潜热和感热的形式向大气输送水汽和热量,剩余部分用于表碛增温耗热.与消融区上部的冰面和表碛面相比,在消融区中部表碛面热量收入中感热输送减小,同时向上的地热输送增加.热平衡支出项中,感热交换、蒸发耗热和地热通量的比例分别为39.1%、39.9%和21%,其中感热通量与蒸发耗热的比例比消融区上部有所提高,蒸发耗热的增加比较显著.在总的热量支出中,平均只有7.8%的热量可以用于表碛下部的增温和向深层传导.     

西北太平洋边缘海热流特征研究

西北太平洋各边缘海及其相应俯冲系统受深部构造活动等地质条件的控制,热流变化较大。在收集整理该区域最新的热流数据基础上,重点探讨西北太平洋俯冲带热结构相关理论、边缘海大洋岩石圈热演化理论模型和局部高异常热流的影响因素,总结了西北太平洋边缘海热流所反映的地质意义。研究结果表明,在西北太平洋“沟-弧-海”体系中,从“沟”到“弧”再到“边缘海”,热流密度呈“低-高-较高”的变化趋势,弧后地区整体表现为“均一高热”特征;千岛海沟、日本海沟和琉球海沟热流密度值在30.0 mW/m²左右,而对应的岛弧值为其2~3倍。弧后热流大小受到汇聚型俯冲带热结构的影响,俯冲带脱水作用导致的弧后上地幔黏度变化,地震速度降低,岩石圈弹性厚度减薄,引起小尺度地幔对流,形成弧后“均一高热”的热状态。热流的时空分布与岩石圈年龄也有关,随着岩石圈年龄增大,地表热流密度值会随之降低,热流密度值大小和离散性与其形成时间大致呈负相关。鄂霍次克海形成时代(30~65 Ma)较早,其热流密度值(86.8 mW/m²)和离散性(标准差3.727)相对较低;冲绳海槽目前还处于扩张阶段,其热流密度值(139.0 mW/m²)和离散性(标准差7.001)较高。浅层的地下水循环、断裂活动,深层的地幔部分熔融岩浆活动、弧后小尺度地幔对流、俯冲带拐角流等对局部异常热流起到一定程度的控制作用。     

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。     

黄土高原地表能量闭合特征及土壤通量参数化

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站)2008年夏季晴天的湍流、 辐射、 土壤温度和通量梯度观测资料, 确定了晴天土壤热参数, 并结合土壤热流量板测量的温度积分法把实际测量通量推算到地表; 讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响; 建立了计算地表土壤热通量的模型. 结果表明: 黄土高原典型沟壑区夏季晴天平均土壤热容量为1.23×10⁶ J5m^-35K^-1; 能量平衡方程中, 以5 cm 埋深处HFP01SC热流量板观测值 (G₅) 表示土壤热通量时, SACOL站地表能量闭合率为75.7%. 采用温度积分法, 将HFP01SC的直接测量结果校正到地表(G_s)后, 地表能量闭合率可以达到81.8%; 0~5 cm土壤层的热量储存对能量平衡的贡献为6.1%. 模型计算得土壤热通量(G_m)与G_s之间的线性回归斜率为0.973(显著性水平为0.1‰). (H+LE)与(R_n-G_m)进行线性回归, 得到地表能量闭合率为81.7%. 表明模型与温度积分法计算计算土壤热通量非常接近, 但通过参数化方法计算时仅需要知道R_n即可.     

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.