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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

涡动相关仪观测蒸散量的插补方法比较

涡动相关仪在长时间连续观测中,观测数据会有不同程度的缺失.应用6种不同的插补方法(平均昼夜变化法MDV,非线性回归方法NLR,动态线性回归方法DLR,查表法LUT,FAO-PM方法,HANTS方法)对北京密云站2007年涡动相关仪观测蒸散量数据进行了插补.结果表明:LUT方法在不同数据缺失时均得到较好结果(均方差小于8 W/m2);MDV和NLR方法更适合于短时间数据缺失的插补:DLR和FAO-PM方法在观测数据出现连续波动时插补结果较差.由LUT、DLR、NLR、HANTS、FAO-PM方法得到的年蒸散量分别为395.8 mm、409.9 mm、393.5 mm、390.7 mm、399.4 mm,差异在2.3～19.2 mm之间变化.对比分析了LUT方法得到的年蒸散量(潜热通量)与净辐射、降水量以及LAS观测潜热通量间的变化规律,表明插补结果合理.     

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.     

Research Progresses and Prospect of Chimney Effect about Carbon Cycle in the Karst Cave System

There is a long history of several decades for the systemic study of global carbon cycles, and many important achievements have been obtained. However, these studies of carbon cycles in the karst area that accounts for about 10% of the entire Earth’s land area were paid attention gradually only in the past twenty. Recent researches suggest that karstification has important effects of the global carbon cycle. At present, scientists have had a very comprehensive and systemic understanding of various factors affecting the carbon cycle in the karst area, and estimated the carbon source or sink. However, unlike non karst area, there are generally many caves and fractures that have various sizes and morphologies in the karst area. These caves and fractures provide gas exchange between epikarst zone and atmosphere with a channel (as a window) in the karst area. There have been few reports about the role of the channel in the carbon cycle in the karst area. Previous studies have shown there is an obvious chimney effect in the karst cave system, which cannot be ignored. However, through the overview of the previous studies on carbon cycle of chimney effect in the karst cave system, we found that there were still many problems need to be further studied, such as the contribution of chimney effect to regional and global atmospheric CO₂; the regional differences, the seasonal changes and its reason (driving force) of chimney effect; the influences of chimney effect on the local ecosystem. With the development of modern science and technology (such as eddy covariance, large aperture scintillation and isotope), it becomes possible to solve the above problems. Therefore, it is necessary to use these advanced means for automatic and continuous monitoring and researching the carbon cycles in the karst cave system, which are of important significance for the researches of carbon cycles in the karst area, even for the global carbon cycle studies.     

面向数据共享的地球系统科学数据分类探讨

地球系统科学数据共享在国际、国内都有迫切的需求。由于地球系统科学固有的学科交叉性和综合性,如何建立科学、通用的数据分类体系是困扰该领域数据共享和服务的难题。首先综合分析了国际上地球系统科学领域主要的数据分类体系,重点对美国全球变化主目录(GCMD)分类系统及其2005—2013年的演变趋势进行分析,指出当前该数据分类呈现扁平化、两极化的显著特征。在此基础上,重点梳理了国家科技基础条件平台———地球系统科学数据共享平台的用户服务记录,揭示了用户访问频次最高的数据集和检索关键词。结合GCMD系统化、结构化的分类思想和国家地球系统科学数据共享平台用户化的数据服务需求,提出扁平化的地球系统科学数据目录分类和规范化的关键词表体系2种分类模式。     

Study on the Relationship between Large Volcanic Eruptions and Temperature Variation Based on Tree-Ring Data in the Eastern Tibetan Plateau during the Past Millennium

Volcanic eruptions can significantly cool the global troposphere on the time scales from several months up to a decade due to reflection of solar radiation by sulfate aerosols and feedback mechanisms in the climate system. The impact of volcanic eruptions on global climate are discussed in many studies. However, few studies have been done on the impact of volcanic eruption on climate change in China in the past millennium. The 1300-year and 600-year temperature series were reconstructed based on the six tree-ring temperature proxy data in northeastern and southeastern Tibetan Plateau, respectively. Three warm periods occurred in 670-920,1000-1310 and 1590-1930, and three cold periods happened at 920-1000,1310-1590 and 1930-2000 in the northeastern Tibetan Plateau. There were two obviously warm periods (1385-1450 and 1570-1820) and two cold periods (1450-1570 and 1820-2000) in southeastern Tibetan Plateau. Contrasting with volcanic eruption chronology, we analyzed the relationship between volcanic activity and temperature variation in the eastern Tibetan plateau during the past millennium using Superposed Epoch Analysis (SEA) method. The results indicated that the temperature decreased one year after large volcanic eruptions located beteen 10°S and 10°N in latitude in northeastern Tibetan Plateau and two years in southeastern Tibetan Plateau. The volcanic eruptions occurred at different latitudes have different impacts on the temperature variations, which may be caused by regional difference, the nature of the eruption, the magnitude of the resulting change in incoming solar radiation, prevailing background climate and internal variability, season, latitude, and other considerations.