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.     

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.     

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.     

涡动相关系统和小孔径闪烁仪观测的森林显热通量的异同研究

涡动相关系统和闪烁通量仪都是评价局地到区域尺度的地表显热通量的有效途径.以ChinaFLUX千烟洲人工林生态系统2倍和3倍冠层高度的2套涡动相关(EC)系统和通量塔及其东偏南方向距离通量塔约70 m处1.2倍冠层高度安装的1套小孔径闪烁通量仪(SAS)为基础,重点对比分析了EC系统和SAS系统观测的显热通量的异同.研究表明,2倍和3倍冠层高度EC系统与SAS系统的显热通量的观测值有非常好的相关关系与一致性.在季节尺度和日尺度上,在降水正常的季节里SAS测定的显热通量值高于2倍和3倍冠层高度EC系统的测定值.但是在干旱胁迫条件下,SAS测定的显热通量低于2倍和3倍冠层高度EC系统的显热通量值.按16方位风向进行的相关分析表明,以南到南偏西和北偏东到东偏北2个与盛行风向垂直的方位相关性最高.在白天条件下,2倍和3倍冠层高度EC系统与SAS测定的显热通量值均显示出较高的相关性.但夜间无论是2倍还是3倍冠层高度EC系统与SAS测定的显热通量值之间相关性均很低.EC系统与SAS观测的显热通量的差异主要与通量覆盖区的差异以及各自的局限性有关.     

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.     

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.     

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.     

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.     

大尺度地表水热通量的观测、分析与应用

大尺度地表水热通量的观测对实现地面台站观测通量的空间尺度扩展,验证水文模型、数值天气与气候预报模式以及检验遥感监测产品等意义重大.以闪烁仪为例,从测量仪器与观测试验、观测数据的处理与分析、观测数据的应用等方面论述了大尺度地表水热通量的国内外研究进展,并对其发展前景进行了展望.     

海河流域不同下垫面土壤水分动态模拟研究

针对海河流域不同的下垫面类型,选取密云(果园林地)、大兴(城郊农田)、馆陶(平原农田)3个观测站,建立垂直方向上以含水率θ为因变量、含根系吸水项的非饱和土壤水分运动数值计算模型。该模型以一维Richards方程为基础(以下简称RE模型),采用实测的降水和蒸散数据作为模型的上边界条件,运用全隐式有限差分法,分别对不同生长期内的土壤水分进行数值模拟,得到时间序列的土壤水分廓线,并分别采用成熟软件HYDRUS-1D的模拟结果和各观测站实测土壤水分对RE模型进行交叉验证和直接验证。结果表明RE模型能够很好地模拟海河流域不同下垫面土壤水分动态变化过程,3个站模拟结果与实测土壤水分数据的均方根误差(RMSE)分别为0.03127,0.0359和0.0409 cm3/cm3。与HYDRUS-1D软件模拟结果(其与观测值的RMSE分别为0.03759,0.0647和0.0467 cm3/cm3)相比,RE模型模拟的土壤水分具有更高的精度,也显示出RE模型的可靠性。探讨3个站土壤水分的时空变异规律及其影响因子并以大兴站为例,通过优化RE模型参数,探讨犁底层对土壤水分模拟结果的影响,进一步改善RE模型的模拟精度。     

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。