涡动相关仪观测数据的处理与质量评价研究

涡动相关仪能够较准确地直接测量地表—大气间的湍流交换,在世界范围内得到了广泛的应用。但它的使用是有条件限制的,如果不进行必要的修正,得到的通量就可能有较大的误差。以密云观测站一年的涡动相关仪观测数据为例进行分析。结果表明:野点值剔除、坐标旋转以及超声温度订正对地表感热、潜热等通量的测量结果影响均在±1%之内,但坐标旋转对动量通量影响较大,必须对潜热和CO2通量进行空气密度效应订正;湍流谱在惯性副区基本满足-2/3次方定律,协谱基本满足-4/3次方定律。经过对观测数据的筛选和处理后,约75%的观测数据质量较好,2%的数据需要剔除。通量贡献源区分析表明,全天和白天均有超过70%的通量源区落在感兴趣区域内,超过90%的通量贡献最大点落在感兴趣区域内。

涡动相关仪和大孔径闪烁仪观测通量的空间代表性

在对涡动相关仪和大孔径闪烁仪足迹模型进行敏感性分析的基础上,利用北京密云站2006年8月至2007年12月期间的观测资料,应用足迹模型对观测通量的空间代表性做了初步的分析。结果表明:涡动相关仪和大孔径闪烁仪的源区对风向、Monin-Obukhov长度,空气动力学粗糙度和观测高度/有效高度等因子比较敏感。密云站涡动相关仪的源区白天主要分布在仪器的西南与南面,而夜间则在东北与北面。大孔径闪烁仪的源区为西南—东北向分布。涡动相关仪各月源区形状不同,但大致分布在南北长1000 m、东西宽850 m的范围内,而LAS各月源区为西南—东北向分布,长约2060 m,最宽处约为620 m。对涡动相关仪通量有贡献的下垫面主要为园地(67%)和耕地(19%)。其中园地的通量贡献比例在夏、秋季比较大,冬、春季稍小,而耕地则相反。大孔径闪烁仪的主要通量贡献源区为园地、耕地和居民地,通量贡献比例分别为49%,28%和11%。其中园地和耕地通量贡献率的变化趋势与涡动相关仪的观测结果一致,但没有涡动相关仪的变化明显。

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8W／m^2）；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395．8mm、409．9mm、393．5mm、390．7mm、399．4mm，差异在2．3～19．2mm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。

洱海湖滨农田下垫面大口径闪烁仪与涡动相关仪测量的湍流热通量对比分析

利用大理国家气候观象台大口径闪烁仪(LAS)和涡动相关仪(EC)在洱海湖滨农田下垫面的同步观测资料,比较分析了两种仪器测量湍流感热和潜热通量的差异特征。结果表明,LAS测得的湍流感热和潜热通量与EC测得的均有较高的相关性,相关系数分别为0.85和0.90。两种仪器测量结果差异均存在显著的昼夜和季节变化。昼夜变化表现为白天时段LAS的平均感热(潜热)通量比EC的偏小15.6 W·m-2(偏大94.6 W·m-2);夜间时段则相反,LAS比EC的偏大9.3 W·m-2(偏小40.6 W·m-2)。季节变化表现为湿季(5-8月、10月)LAS的平均感热通量比EC的偏小6.9 W·m-2,干季(4月)LAS的平均潜热通量比EC的偏小2.1 W·m-2,其他月份则相反,LAS比EC测得的感热(潜热)偏大5.7(18.1)W·m-2。

大口径闪烁仪和涡动相关仪测量大气折射率结构常数的比较

利用大理国家气候观象台大口径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)和涡动相关系统(Eddy-covariance System,EC)在洱海湖滨农田下垫面的同步观测资料,初步分析了两种仪器测量大气折射率结构常数C2n的异同特征。结果表明,两种仪器测量的C2n具有较好的相关性,相关系数达0.73。LAS测量的C2n数量级为10-17~10-14m-2/3,EC测量的数量级为10-16~10-13m-2/3。在典型晴天、多云和阴天条件下,两种仪器测量的有植被水田和无植被旱地的C2n均表现出明显的日变化特征,日出后1 h和日落前1 h左右出现最小值,中午前后达到最大值,而且这种日变化趋势基本一致。测量结果在数量级上的差异是由测量高度、测量方法、仪器噪声、天气状况、风速风向、净辐射通量和大气稳定状态等因素造成的。

涡动相关仪探测台风边界层动量通量特征分析

台风的发展维持受制于自身(内部结构)及与下垫面间的通量传输过程,利用台风“利奇马”登陆前后的涡动相关仪观测数据,分析台风过境前后地面要素变化及动量通量特征。分析结果表明:台风过境期间,地面气象要素在短时间内出现急剧的变化,动量通量在台风登陆过程中显示出“三峰”的结构,对应的摩擦速度随风速的变化以10 m/s为分界线,低风速下呈现明显的正相关性,高风速时则慢慢转为持平甚至回落;能谱分析中,峰值主要存在于0.0002 Hz和0.06 Hz的位置上,另有一位于0.001 Hz外的较弱峰值;能量贡献上,大尺度系统占据主导作用,但中尺度对流系统与湍流尺度运动在能量贡献中同样不可忽视。

基于涡动相关仪的农田下垫面观测通量的变化特征分析

利用2015-2016年姚安县涡动相关仪观测资料，在保证数据质量的基础上，分析了观测区通量交换特征。结果表明：感热和潜热通量全年都有相同的日变化特点，CO2通量仅在作物生长季节有明显的日变化特点，变化趋势与感热潜热通量变化特点相反；各通量受作物种类影响，季节变化明显，在生长季以潜热通量、CO2通量交换为主，其值在生长中期也明显高于生长初期和末期；受风、湍流条件、下垫面状况等共同影响，日尺度的观测通量差异最显著，季节尺度次之，年尺度最小。

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。

永兴岛涡动相关数据处理与质量评价

基于永兴岛2016年2月份实测涡动原始数据,用Eddy Pro软件进行数据后处理,并对各处理步骤前、后进行定量比较分析,进一步对通量计算结果进行质量分级评价、足迹分析,最后对分别使用Eddy Pro软件和Easy Flux_DL在线计算程序得到通量结果进行比较。结果表明,野点剔除、坐标旋转、频率补偿和空气密度修正均会影响涡动相关通量的计算结果。野点剔除在动量和感热通量的计算中无明显影响,在潜热和二氧化碳通量计算中则不可忽略。坐标旋转使动量、潜热和二氧化碳通量分别增加了11.28%、7.36%和18.53%。空气密度效应校正(WPL校正)对二氧化碳通量计算影响显著,经空气密度修正后降低了7.87%。总体质量评价结果为,动量、感热、潜热和二氧化碳通量中高质量数据(1~3级)所占比例分别为90.29%、90.22%、88.46%和85.41%。源区分析表明,72.04%的通量数据落在第一兴趣源区(北至东北方向10°~80°,平均水深超过10m的海洋下垫面)。Eddy Pro和Easy Flux两者的整体趋势一致,Eddy Pro引入更加严格的野点剔除指标,得到的结果偏小,但更可靠精确。

基于闪烁仪的热通量反演及MOD16产品校验

大孔径闪烁仪既能够用于区域地面热通量观测,也是测量卫星像元尺度地表热通量的有效工具,利用闪烁仪地表相对真值检验卫星产品的准确性对于卫星产品算法及观测方法改进至关重要。为初步解决卫星产品校验问题,选取河南鹤壁、内蒙古乌兰察布两处闪烁仪测量站,基于近地面层相似性理论,结合观测气象信息对闪烁仪输出的折射率结构常数进行处理,利用迭代算法计算出感热、潜热通量,并以鹤壁地区涡动相关仪的测量结果作为参考进行准确性验证。进一步在乌兰察布地区利用闪烁仪数据对MOD16A2遥感蒸散发产品中的潜热通量数据进行了地面校验。结果表明闪烁仪的反演结果准确度高,同涡动数据相关性高,且与卫星像元尺度匹配,可以用作卫星产品的地面校验。

2013-2020年海河流域农田水热碳通量及气象要素观测数据集

本研究以海河流域官厅水库旁农田生态系统为研究对象,采用蒸渗仪、涡动相关仪、大孔径闪烁仪和自动气象站/气象要素梯度等观测系统,开展农田生态系统多尺度通量和气象要素的长期定位观测。本数据集由多尺度通量(米,百米,公里级)和气象要素数据组成,观测项目包括生态系统净碳交换量、潜热通量/蒸散发、感热通量、空气温度、空气相对湿度、风速、风向、向下/上短波辐射、向下/上长波辐射、净辐射、大气压、降水、红外辐射温度、光合有效辐射、土壤温度、土壤水分、土壤热通量、平均土壤温度等。本数据集经过了严格的处理和质量控制,可用于研究水库消涨对周边生态系统碳水等物质和能量的循环带来的影响,也可为相关遥感模型或过程模型等研究提供有力的数据基础。

怀来地区蒸渗仪测定玉米田蒸散发分析

利用2012年和2013年怀来遥感综合试验站蒸渗仪、涡动相关仪和自动气象站观测资料,分析了土壤蒸发和玉米农田蒸散的日、季节变化,用多元回归分析法研究了气象因子(净辐射、空气温度、空气湿度、风速)、土壤水分和农田蒸散量的关系,并将蒸渗仪蒸散观测值与涡动相关仪蒸散量观测值进行了比较。结果表明,土壤蒸发和玉米农田蒸散日变化曲线较一致,季节性差异明显;怀来地区日蒸散量与净辐射和土壤水分相关性较好,与其他影响因子相关性不明显;蒸渗仪的农田代表性受其观测范围内的作物长势影响显著,涡动相关仪观测的蒸散量与蒸渗仪观测值相关关系较好,蒸渗仪观测值较涡动相关仪观测值高10.5%,这是由于不能同周围农田进行热交换,蒸渗仪内平均土壤温度较农田高了9.5%,导致蒸渗仪对蒸散量的相对高估。

寒区湿地实际蒸散发动态特征及影响因素研究

为了解寒区湿地实际蒸散发(ETa)过程,有效利用水资源,基于哈尔滨金河湾湿地2015年8月-2016年7月涡度相关系统通量观测数据,分析了不同时间尺度下ETa变化规律及影响因素。研究期间年ETa为660mm,日最高值达8.1mm/d,夏季(3.4mm/d)最高,春季(2.3mm/d)、秋季(1.4mm/d)次之,冬季(0.1mm/d)偏低且变化平稳。5月生长期作物系数(Kc)由0.95增加到1.18左右,6月-8月中旬稳定期Kc在1.05~1.18之间,8月下旬-9月枯萎期Kc由1.05减小到0.85左右。影响ETa的主要气象因素为净辐射和饱和水汽压差。不同时间尺度下ETa与气象因子相关性略有不同:净辐射和水汽压差与ETa的相关性在两个尺度上均很显著,但30min尺度净辐射与ETa的相关性更高。温度与ETa的相关性在两个尺度上基本一致,高温促进ETa蒸散发而低温抑制ETa蒸散发。日尺度上空气湿度与ETa在秋、冬季相关性明显,30min尺度上春、冬季相关性明显。风速与ETa仅在30min尺度上夏、秋季有一定的相关性。

陇东黄土高原下垫面不均匀性指标的建立及其对大孔径闪烁仪(LAS)观测感热通量的影响

目前定量研究下垫面不均匀性对大孔径闪烁仪(LAS)、涡动相关仪(ECS)观测感热通量差异的影响还比较少.本文利用黄土高原庆阳观测站2012年6、7月典型晴天两主风向范围E-SE和SW-W的陆面过程数据,在建立了下垫面不均匀性定量化指标的基础上,分析了下垫面不均匀性与地表温度变率的关系及其对LAS、ECS观测感热通量差异的影响.结果表明:庆阳站下垫面不均匀性大小η和地表温度变率г具有很好的相关性,相关系数达到0.566以上,证明了新建立指标的合理性.下垫面不均匀性大小η和LAS、ECS观测的感热通量差异HLAS-HECS具有很好的一致性,相关系数达到0.634.下垫面不均匀性对LAS和ECS的感热通量差异影响显著,下垫面越不均匀LAS和ECS测量的感热通量差异越大.对两主风向分别进行分析,在E-SE风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.430,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.279,在SW-W风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.680,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.297.下垫面不均匀性的影响程度越大,LAS和ECS观测的感热通量差异越大.

大理涡动相关观测数据的处理及质量评价研究

依据大理国家气候观象台涡动相关仪2011年实测数据,采用目前主要的湍流通量数据处理和质量评价方法,对原始湍流数据进行一系列的预处理以及定量分析各处理步骤对湍流通量计算结果的影响,同时以湍流平稳性和通量方差相似性检验为指标对数据进行质量评价分析,并应用解析足迹模型对湍流通量观测的空间代表性进行初步分析.结果表明:对大理站来说,湍流通量计算的平均时间选取30 min为宜.剔除野点、二次坐标轴旋转、超声虚温修正、时间滞后校正、频率响应修正以及WPL修正处理会对湍流通量计算结果带来不同程度的影响,尤其是二次坐标轴旋转对动量通量以及WPL修正对CO2通量的影响较为显著.湍流平稳性和通量方差相似性检验结果显示,涡动相关通量观测数据总体质量较好,动量通量、感热通量、潜热通量以及CO2通量中高质量数据所占比例分别为59.4%、64.2%、63.8%、63.2%.湍流通量源区分析表明,源区整体呈西北—东南向分布,位于测站东南方向的区域是湍流通量观测的主要贡献源区.

呼伦贝尔草甸草原不同显热通量观测方法比较

显热通量(sensible heat flux,H)是反映地表湍流运动的重要参数,准确获取该参数对于区域内热量交换规律的认识和农业生产及水资源的有效管理具有重要意义。涡动相关仪(eddy covariance system,EC)和大孔径闪烁仪(large aperture scintillometer,LAS)是目前生态系统水热通量的主要测量手段,但两者观测范围的空间尺度存在差异。该研究以呼伦贝尔草甸草原生态系统为对象,通过对比分析两种方法观测的显热通量(HLAS和HEC)变化特征,对两者之间的差异(ΔH)及产生原因进行探究,并且定量研究了不同因子对ΔH的影响程度。结果表明,在不同时间尺度内,HLAS和HEC的变化趋势基本一致,显热通量主要受到净辐射的驱动作用,同时ΔH与净辐射存在正相关性;对应时刻HLAS和HEC之间线性回归方程斜率为1.13,拟合优度R^(2)为0.81,说明大孔径闪烁仪在草甸草原区有着很好的适用性;EC能量平衡闭合程度会影响HLAS和HEC之间差异,剔除能量平衡闭合率(energy balance ratio,EBR)小于0.8的数据后,HLAS和HEC之间线性回归方程斜率减小至1.05,说明能量平衡闭合程度越高ΔH越小;净辐射(net radiation,Rn)、风速(wind speed,WS)、波文比(Bowen ratio,Bowen)和饱和水汽压差(saturated water vapor pressure difference,VPD)与ΔH之间相关性显著,是ΔH的主要气象环境因子;ΔH单个影响因子的解释能力从高到低依次为净辐射、风速、EC能量平衡闭合率、饱和水汽压差、波文比,任意两个不同影响因子之间均呈现双因子增强作用,解释能力较高的交互影响因子为净辐射/风速和风速/波文比。研究结果有利于准确理解LAS与EC显热通量观测过程中的空间尺度效应,同时可为区域尺度扩展和遥感地面验证过程中通量数据的质量控制提供科学参考依据。

2012年张掖绿洲-荒漠区域水热碳通量及气象要素观测矩阵数据集

绿洲-荒漠生态系统是干旱/半干旱区特有景观,其水热碳通量的观测和研究对绿洲稳定与可持续发展具有重要的意义。本研究以黑河流域中游甘肃张掖绿洲-荒漠区域为研究对象,基于2012年在该区域开展的国际领先的通量观测矩阵试验,整理了观测试验获取的水热碳通量和气象要素数据,包括30 km×30 km和5.5 km×5.5 km两个嵌套的矩阵内21个观测点共22套涡动相关仪和21套自动气象站,4组大孔径闪烁仪和3组植物液流仪,观测项目包括生态系统净碳交换量、潜热通量、感热通量、空气温度、空气相对湿度、风速、风向、向下/上短波辐射、向下/上长波辐射、净辐射、大气压、降水、红外辐射温度、光合有效辐射、土壤温度、土壤水分、土壤热通量、平均土壤温度、树木蒸腾等。本数据集经过了严格的数据质量控制,可用于研究绿洲荒漠区域水热碳通量变化特征及影响机制,并为模式模拟或遥感估算结果等提供可靠的验证数据。

农田和草地下垫面上附加阻尼kB-1变化特征的分析

利用2010年阿柔站(草地)和馆陶站(农田)的观测资料,运用阻尼法估算不同下垫面的热传输附加阻尼(kB-1),分析日变化特征,探讨用一个固定kB-1值来估算感热通量,最后将估算值与M_1958、M_1963、M_1982、M_1989、M_1998、M_2002和M_2007七种参数化方案进行比较。结果表明,在不同下垫面上,kB-1变化明显。除玉米下垫面、玉米和裸地混合下垫面外,其余下垫面kB-1均有抛物线型日变化,与地气温差具有相关性。在植被下垫面,可用中值或均值的kB-1计算感热通量。将不同参数化方案计算的感热通量与观测值之间进行比较发现,在裸地下垫面,与观测值最接近的参数化方案是M_1998方案;在混合地表则为M_1958、M_1963和M_2007方案。

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。

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上建立了多个地面站,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。