中国通量观测网络(ChinaFLUX)通量观测空间代表性初步研究

涡度相关系统的观测结果可以代表发生在特定表面或某一部分表面的物理过程.这样,由点到面的空间代表性就成为通量观测中不可忽视的问题.运用FSAM模型结合实际观测数据对中国通量网各站通量观测的空间代表性做了初步的分析研究.结果表明随着大气稳定度的增强、观测高度的升高和下垫面粗糙度的减小,通量贡献区有被拉长的趋势,且沿上风向逐渐远离观测点,这表明通量观测值所代表的下垫面平均状况的范围有所扩大.对于一个观测点而言,在观测高度和下垫面状况一定的情况下,通量贡献最大点和源权重函数最小点距观测塔的距离受大气稳定度的影响,大气越稳定,通量贡献最大点Smx和源权重函数最小点χ1距观测塔的距离(分别为Dmx和Dmin)越大.Dmax和Dmin对下垫面粗糙度和观测高度变化的响应是,随着粗糙度的增加和观测高度的减小,Dmx和Dmin均变小.本研究给出了在不同大气稳定度状况下,对各通量站通量观测值贡献90%时的通量贡献区长度,结合各站点的盛行风向以及通量贡献区对各种影响因素响应规律的分析,使我们对各通量站点通量观测的空间代表性形成了初步的认识.本研究虽然仅可做为实际应用中的参考,但其结果可为通量观测数据的质量控制,解释通量数据不确定性产生的原因提供一定的理论依据.     

非平坦下垫面涡度相关通量的校正方法及其在ChinaFLUX中的应用

涡度相关技术是目前最好的测量地-气交换的微气象方法,但它的使用是有条件的,如仪器应该安装在空旷、平坦和均匀的下垫面进行观测.否则,得到的通量如果不进行必要的校正就可能产生较大的测定误差.在本研究中,将主要讨论在非平坦、非均匀,或由于仪器非垂直安装情况下,用涡度相关方法计算通量时可能产生的误差及其校正方法(坐标旋转法).并利用中国通量网4种不同类型的野外台站(禹城农田站,内蒙古草原站,长白山和千烟洲森林站)的实际观测数据,分析3种坐标转换方法(2次旋转法,3次旋转法和平面拟合法)的适用条件,对通量的校正效果进行比较.研究结果表明:(ⅰ)校正后的通量可能大于、小于或等于未校正的通量,其校正量的大小主要取决于地面的坡度、坡向、风速和风向.(ⅱ)坐标倾斜角随风向的变化呈现出一个正弦曲线关系,尤其在坡地地带表现得最为明显.(ⅲ)平面拟合方法在一定程度上可以认为是坐标旋转法的简化形式,在各向均匀或有规律变化的下垫面使用效果比较好,但是该方法对下垫面起伏不规则的森林站点而言并不适合.     

鄱阳湖夏季水热通量特征及环境要素影响分析

气候变化加速了全球水文循环过程,然而,气候变化如何影响水体蒸发及其水热通量交换仍然不清楚.基于涡度相关系统观测鄱阳湖水体水热通量过程,在小时和日尺度分析了水热通量的变化规律及其主要影响因子.研究表明,潜热通量日变化波动剧烈,大部分为正值,变化范围在-50~580 W/m2之间.而感热通量数值较小,变化范围在-50~50 W/m2之间.8月份潜热通量和感热通量均呈波动下降趋势,均值分别为167.4和15.9 W/m2.8月份日平均潜热通量和感热通量之和大于净辐射,这是由于这一时段储存在水体中的热量释放并补充潜热通量和感热通量.小时尺度上潜热通量日变化在相位上与净辐射无显著相关性,而与风速显著相关.在日尺度变化趋势上,8月份日平均潜热通量仍主要受到风速和水温的影响,感热通量则主要受到风速和饱和水汽压差的影响.     

不同下垫面湍流通量计算方法的比较研究

本文利用1990~1994年在中国内蒙古奈曼市半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据,采用变分法、波文比能量平衡方法和空气动力学方法计算了7种下垫面（沙丘、草原、四种放牧强度的草地、玉米田）的湍流通量并进行了比较.结果表明：除沙丘和重度放牧草地外,三种方法计算的湍流通量在大多数时刻是比较一致的,相关性较高,能量闭合程度也较好.在用于计算植被相对茂盛下垫面的湍流通量时,变分法得到的结果更好一些.随着放牧强度的增大,地表生物量、覆盖率和植被高度相应减少,潜热和动量通量相应减小,而感热通量增大.草地等植被茂盛的下垫面能够增加垂直方向的动量输送,增加空气动力学粗糙度,减小风速,阻止地表沙粒的运动和沙丘的起伏,对防止沙漠化能起到较大作用.     

非均匀灌溉棉田能量平衡特征研究

运用国际能量平衡实验(EBEX-2000)的湍流、净辐射和土壤观测资料,运用涡动相关法分析了非均匀灌溉引起的热内边界层发展条件下近地层感热、潜热通量特征,并对有无灌溉两种条件下的能量闭合度进行了对比分析.在计算感热、潜热通量过程中,分别将Schotanus订正和Webb订正纳入了考虑范围,研究了两种订正方法对计算湍流热通量的影响.研究结果发现,由于非均匀灌溉生成的热内边界层使得近地层感热通量受到抑制,潜热通量出现波动,该现象在8.7 m比2.7 m 更为显著.非均匀灌溉导致的热内边界层的存在使得近地层能量闭合度偏低,能量平衡比率约为0.65;而没有热内边界层存在时,近地层能量平衡比率约为0.70.本实验中,Schotanus订正使得感热通量显著减小,其订正量日平均值约为-8 W/m²,占净辐射的近4%;Webb订正量日平均值约为2 W/m²,对能量平衡的影响较小.     

沙漠陆面过程参数化与模拟

沙漠地区植被稀疏、干旱少雨,其陆面物理过程具有与全球其它地区显著不同的特点.本文利用巴丹吉林沙漠观测资料,分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数,建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式DLSM (Desert Land Surface Model),并与NOAH陆面过程模式的模拟结果和观测资料进行了比较.结果表明:巴丹吉林沙漠地表反照率为0.273,比辐射率为0.950,地表粗糙度为1.55×10^-3 m,土壤热容量和热扩散系数分别为1.08×10⁶ J·m^-3·K^-1和3.34×10^-7 m²·s.辐射传输、感热输送和土壤热传导过程是影响沙漠地区地表能量平衡的主要物理过程.通过对这三种过程的准确模拟检验,DLSM能够较准确地模拟巴丹吉林沙漠地气能量交换特征;短波辐射、长波辐射和感热通量的模拟结果与观测值间的标准差分别为7.98,6.14,33.9 W·m^-2,与NOAH陆面过程模式的7.98,7.72,46.6 W·m^-2的结果接近.地表反照率是沙漠地区最重要的陆面过程参数,地表反照率增大5%,向上短波辐射通量随之增加5%,感热通量则减小2.8%.本文研究结果对丰富陆面过程参数化方案,改进全球陆面过程模式、气候模式具有参考意义.     

涡度相关测定中平均周期参数的确定及其影响分析

应用涡度相关技术估算地-气界面的水、热和CO2交换量的研究越来越普遍.为了获得真实可靠的地表通量数据,在实际应用过程中必须根据每个观测点不同的下垫面条件,对观测数据进行相应的订正,并通过对观测数据的分析来确定相关的技术参数.利用禹城、长白山两个观测站的10Hz原始涡度相关数据,以不同的平均周期(从1~720min)对数据进行了重新计算,并将重新计算的结果与30min平均周期的通量值进行了比较,分析选取不同平均周期参数得到的通量值之间的差异.其中重点分析了在禹城小麦地获取的15d连续观测数据.结果表明:(ⅰ)在禹城,当平均周期取值范围在10~60min变化时,相对30min平均周期的通量值改变小于2%;当平均周期作短于10min变化时,通量的计算结果随平均周期的缩短而明显地降低(最大相对误差为?12%);当平均周期作大于120min变化时,通量的计算结果变得不稳定(最大相对误差为±10%以上).(ⅱ)禹城小麦地通量的计算表明,10min平均周期对研究通量日变化比较好,30min平均周期比较适合于通量的长期观测研究.(ⅲ)提出了一种可以确定涡度相关测定中平均周期参数范围的归一化比值方法.通过对农田和森林不同类型下垫面观测数据的对比分析表明:高大的森林下垫面比相对矮小的作物下垫面在一定范围内增加平均周期长度时有增     

三种下垫面温度及结冰预报模型研究

应用地表热量平衡方程,考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射、潜热、感热传输等能量之间的平衡,并考虑水汽、气溶胶、浮尘以及云等对太阳短波辐射的吸收和散射,建立了一种较实用的下垫面温度预报模型.应用湖北省恩施和金沙2009年冬季2月对土壤、水泥、沥青三种不同下垫面温度和自动气象站的常规气象要素观测进行模拟分析,并与该时段...     

城市地表潜热通量数值模拟方法研究

近年来,中尺度气象模式中城市建筑物影响的数值模拟方法日趋完善,城市地表潜热通量数值模拟方法是目前城市地气耦合研究面临的瓶颈问题之一.采用北京325 m气象塔140 m高度处的能量平衡观测资料,用陆面-单层城市冠层耦合模式进行了一年连续的离线模拟.根据模式对城市下垫面潜热通量模拟的系统性误差较大的特点,基于观测资料研究了城市下垫面潜热通量的数值模拟方法.采用观测分析与城市陆面模式相结合的方法,求出了城市中绿地的绿洲效应系数、城市不透水下垫面水份有效率的时间变化公式以及人为潜热排放的日变化曲线和四季最大值,可直接应用于城市陆面模式,有效提高了模式的整体模拟性能.该方法对其他城市地区有一定的参考意义.     

黄土高原复杂地形上高质量湍流通量数据获取方法

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL)湍流观测资料,分析了二次坐标旋转(double rotation,DR)、平面拟合(planar fit,PF)和分风区平面拟合(fetch planar fit,FPF)在复杂地形上的适用性,总结出一套适用于SACOL的总体湍流特征参数化方案.经过超声虚温订正、坐标旋转、空气密度脉动订正以及平稳性检验、总体湍流特征检验、总体质量分级处理,摩擦速度(u*)、感热通量、潜热通量、CO_2通量高质量数据所占比例分别为45%~62%、66%~68%、62%~65%、52%~54%.采用DR得到的高质量数据比例与采用PF相比,u*提高了17%,后三种通量略降低2%~3%.PF和FPF两种结果的差别主要体现在u*上,只考虑主导风向数据DR得到的u*质量仍最好.综合兼顾数据质量和计算工作量,在复杂地形上处理湍流观测资料的最优坐标旋转方法是DR.     

一种基于地表能量平衡的遥感干旱监测新方法及其在甘肃河东地区干旱监测中的应用初探

目前遥感干旱监测方法的精度普遍不高,探求新的遥感干旱监测方法有助于干旱监测预警技术的提升与发展.波文比是感热通量与潜热通量之比,能综合反映地表水热特征,可尝试将其引入到遥感干旱监测领域加以利用.应用甘肃河东地区的EOS-MODIS卫星资料和同步地面气象资料,基于地表能量平衡原理构建了波文比干旱监测模型,对比分析了波文比(β)指数、温度植被指数(TVX)与土壤水分的相关性,并以典型晴空影像(2014年10月5日)为例初步建立了β的干旱分级标准,对研究区进行了旱情评估.结果表明:β与土壤相对湿度呈现出高度负相关,相比于当下广泛应用的TVX,β与0~20cm平均土壤相对湿度具有更好的相关性,监测精度得到了显著提高.用β干旱分级标准评估的研究区干湿状况与前期降水空间分布吻合得相当好,评估表明2014年10月5日研究区基本为适宜(无旱),与2014年9月的降水距平百分率特征一致.基于地表能量平衡的波文比(β)指数在干旱监测中效果突出,具有很好的应用前景.     

震级变异系数与地震序列类型、 性质的统计物理特征和早期判定方法的研究

根据G-R公式和非线性动力学观点, 在分析不同类型地震序列震级分布细结构基础上, 提出用震级变异系数δ_m、 b值和震级熵H(m)、 马尔柯夫链理论值h和信息量维数D₁等统计量, 来综合描述和界定不同类型、 性质的地震序列; 同时对截止震级问题、 b值、 平均震级m、 h和D₁等统计物理含义进行了探讨。 认为δ_m、 b值和H(m)及其与理论指数分布的震级熵H(∞)的差值ΔH(m)相结合将有助于区分前震序列、 前兆性震群和各种不同类型(主-余震型、 震群型、 孤立型)地震序列, 并且可以对这些类型进行早期判断。     

The scaling characteristics of remotely-sensed variables for sparsely-vegetated heterogeneous landscapes

With increasing interest in airborne and satellite-based sensors for mapping regional and global energy balance, there is a need to determine the uncertainty involved in aggregating remotely-sensed variables [surface temperature (T_k) and reflectance (π)] and surface energy fluxes [sensible (H) and latent (λE) heat flux] over large areas. This uncertainty is directly related to two factors: (1) the nonlinearity of the relation between the sensor signal and T_k, π, H orλE; and (2) the heterogeneity of the site. In this study, we compiled several remotely-sensed data sets acquired at different locations within a semi-arid rangeland in Arizona, at a variety of spatial and temporal resolutions. These data sets provided the range of data heterogeneities necessary for an extensive analysis of data aggregation. The general technique to evaluate uncertainty was to compare remotely-sensed variables and energy balance components calculated in two ways: first, calculated at the pixel resolution and averaged to the coarser resolution; and second, calculated directly at the coarse resolution by aggregating the fine-resolution data to the coarse scale. Results showed that the error in the aggregation of T_k and π was negligible for a wide range of conditions. However, the error in aggregation of H and λE was highly influenced by the heterogeneity of the site. Errors in H larger than 50% were possible under certain conditions. The conditions associated with the largest aggregation errors in H were:

• sites which are composed of a mix of stable and unstable conditions;

• sites which have considerable variations in aerodynamic roughness, especially for highly unstable conditions where the difference between surface and air temperature is large; and

• sites which are characterized by patch vegetation, where the pixel resolution is less than or nearly-equal to the diameter of the vegetation ‘element’ (in most cases, the diameter of the dominant vegetation type or vegetation patch).

Thus, knowledge of the surface heterogeneity is essential for minimizing error in aggregation of H and λE. Two schemes are presented for quantifying surface heterogeneity as a first step in data aggregation. These results emphasized the need for caution in aggregation of energy balance components over heterogeneous landscapes with sparse or mixed vegetation types.     

泥质砂岩黏土附加导电强度评价指数定义及应用方法

针对泥质砂岩黏土附加导电还没有综合定量评价指标的现状,从Archie公式和Waxman-Smits方程计算的含水饱和度的相对误差出发定义了黏土附加导电强度指数η,并考察了地层水电导率C_w、阳离子交换容量Q_v、含水饱和度S_w、饱和度指数n对η的影响,给出了黏土附加导电强度判别方法和图版,通过低阻油气层的工程应用实例探讨了η在饱和度方程选取中的应用.结果表明,η随C_w、S_w、n值的增大而以近似乘幂规律减小,随Q_v的增大而近似线性增大;C_w与Q_v对η的影响最大,n与S_w次之;无法由单一因素判断黏土附加导电性强弱,必须综合考虑Q_v、C_w、S_w、n的影响;对于低阻油气层,可利用该指数按照"三步法"及判别图版定量判断低阻成因并为饱和度模型的选取提供技术依据.     

戈壁地区夏季碳和水热循环及其湍流特征

本文利用2006年夏季大气边界层观测资料,采用涡动相关法分析了我国西北地区戈壁下垫面碳收支及水热循环的规律和特征,并分析了大气湍流特征.结果表明:夏季白天的CO₂湍流通量呈逆输送特征,即CO₂白天向下输送,夜间向上输送,平均数值为-0.199 mg·m^-2·s^-1,整体上表现为碳汇;戈壁地区湿度小,其数值受水平来流的影响较大,日变化特征不明显;温度的归一化标准差与稳定度参数的关系满足Monin-Obukhov Similarity (MOS)理论;温度和CO₂的能谱相似;互谱uc与uθ,wc与wθ相似;水汽和CO₂的输送主要受水平方向湍流的影响.     

南极中山站至Dome A考察断面湍流参数特征近地层湍流参数特征

利用南极中山站至Dome A考察断面上3个自动气象站2005～2007年的观测资料和2008年夏季在中山站附近冰盖获取的湍流观测资料,应用空气动力学方法和涡动相关法计算分析了中山站至Dome A断面上近地层各种湍流参数(感热通量,潜热通量,湍流温度、湿度和速度尺度,地表粗糙度,大气稳定度及动量输送系数)的季节变化、日变...     

TOGA-COARE IOP期间的海气通量观测结果

在TOGA－COAREIOP期间用涡度相关法对海气热通量进行了船载直接观测．对垂直风速、温度和湿度湍流脉动观测数据的谱分析显示它们在高频区基本满足"－2／3次方律"．对船体简谐震荡影响的讨论从理论上证明该影响在热通量计算中可被忽略．根据以此方法得到的通量求出了中性层结条件下感热和潜热的整体输送系数分别为2．25×10^－3和1．26×10^－3．对海气边界层特性的分析表明该海域的近海层主要呈中性或弱不稳定层结．海气通量的变化与背景环流形势密切相关,潜热通量主要受海面风场强度的影响,而感热通量变化除了风场的影响外,层结变化也是一个重要因素．用整体输送法计算TOGA－COAREIOP期间以及TOGA期间8个航次的通量结果而得到的Bowen比约为0．1,显示潜热通量是暖池大气的主要热源．     

Lg波Q值随震源深度的变化作为地壳本征衰减深度的判据

Lg波的Q_Lg值是描述区域地壳结构及介质衰减特性的重要参数之一,Q_Lg层析成像被广泛应用于地壳衰减结构横向不均匀性的研究中.但是,对Q_Lg在垂直方向上的不均匀性的研究较少.当发现一个地区发生Q_Lg值低时,我们希望进一步了解这种介质衰减深度.本文通过数值模拟合成地震图的方法,通过分析不同震源深度和介质模型计算Q_Lg,判断Lg波发生主要衰减的深度.研究结果显示：（1）当震源深度浅时,上地壳介质衰减对于Lg波Q值的影响明显比下地壳的影响更大.而震源深度深时,两者贡献基本相当;（2）如果上地壳介质衰减强,则随着震源深度的增加,η值逐渐减小;如果下地壳介质衰减强,η值先增大后减小;但如果下地壳存在低速层,则η值持续增大;（3）如果上地壳介质衰减强,则随着震源深度的增加,Q₀逐渐增大;反之如果下地壳介质衰减强,则Q₀逐渐减小.因此,我们可以通过调查某一区域不同深度地震的Lg波衰减规律,来判断这一地区的地壳介质衰减情况.     

日本熊本地区高频衰减参数κ与Vs30统计研究

地震工程学中高频衰减参数κ是一个重要的参数。距离为0 km处的参数κ₀在地震动模拟中最常用,其主要控制傅里叶谱在高频部分的衰减特征。计算了日本熊本地区矩震级M_w为5.0~7.1级且震中距小于250 km的81个台站水平方向的κ和V_s30（距离地表30 m深度的平均剪切波速）。在不同矩震级和不同场地距离下,用线性拟合和二次拟合统计了κ与V_s30的关系,并与全球平均水平进行了比较。结果表明:κ与V_s30呈很强的负相关性,相关性随矩震级的增大而增大,且熊本地区的κ要高于全球平均水平。矩震级较小时,二次拟合的效果好于线性拟合,建议用二次拟合的经验关系式进行κ或V_s30的估计。近场情况下,κ总体要小于远场,线性拟合与二次拟合的效果差异不大。对C类场地,拟合的κ与全球平均水平较接近。对B类场地,拟合的κ高于全球平均水平。远场情况下,二次拟合的效果好于线性拟合,但对B类和C类场地,κ均小于全球平均水平。本文的研究结果既能在随机模拟方法中结合场地的地壳放大使用来达到提高模拟精度的目的,又能为只有钻孔信息的地区提供κ的估计。