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。

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。

大口径闪烁仪及其在地表能量平衡监测中的应用

介绍了LAS仪器的测量原理及数据处理方法 ,并利用中荷合作项目CEWBMS中获得的河南郑州LAS测站 2 0 0 0年的观测资料 ,同时结合其它辅助资料 ,对观测点附近地区的能量平衡状况进行了分析。分析结果表明 ,由LAS测值得到的显热通量值 ,以及结合净辐射资料间接得到的潜热通量值 ,合理地反映出了当地能量平衡状况的季节变化 ,显示出一年之中当地大部分的净辐射能用于潜热通量的释放。其数据结果所表征的当地下垫面干湿程度的变化与同期的降水及土壤相对湿度相比 ,表现出了相当好的一致性 。

应用大口径闪烁仪测量近地表横向风速的研究

研究了两种光闪烁法测量近地表风速的方法,给出横向风速的计算公式。根据计算方法,在330 m的距离上进行风速反演实验,与超声风速计测量结果对比表明,两种反演方法都能准确可靠地获取区域横向风速,但在大气稳定度过渡期,斜率法精度更高。测量平均时间越长,结果一致性越好。结果表明,在一个较大区域里,大口径闪烁仪能同时给出显热和横向风速,可以很好地应用于边界层物质交换评价。

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.

基于大口径闪烁仪的玉米农田热通量测量研究

应用大口径闪烁仪可以自动获取玉米农田的显热通量,结合太阳辐射监测系统测量的净辐射,可以方便地获取潜热通量和土壤热通量。实验表明,在玉米农田的冠层上的常通量层用大口径闪烁仪测量显热通量,和涡动相关仪的数据相关度达到0.8以上。在中午的时段,玉米农田的显热通量会下降,与作物蒸腾相关的潜热通量会达到一天的峰值。大口径闪烁仪在精度和区域代表性上表现出的优势,是农业气象上获取数据资料很好的一个选择.

大口径闪烁仪监测系统在黄河泾河流域的应用

泾河流域大口径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)监测系统包括LAS和自动气象站两部分,介绍了LAS的基本工作原理、数据处理和安装实践,通过LAS测量的折射率结构参数Cn2,结合气象元素,求出显热通量(H),根据能量平衡方法计算出实际蒸散发,以此来校验能量水平衡系统,提高能量水平衡系统的精度。

大口径闪烁仪的数据采集与处理

地气间热通量是近年来生态环境研究的热点。介绍了利用大口径闪烁仪测量显热通量和径向风速的软件.为满足大口径闪烁仪在测量显热通量和横向风速的数据采集与处理的需要,采用PCI-8340数据采集卡,在Windows平台上用VC++6.0编程开发了对大口径闪烁仪的数据进行实时采集、处理与显示的软件,方便实验人员及时准确得到实验结果.通过软件数据的有效检测,可以完成无人值守的自动化工作.

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。

大孔径闪烁仪湍流通量印痕模型的建立与应用

针对近年兴起的适用于大范围区域平均通量观测的大孔径闪烁仪(LAS),建立了一个基于欧拉分析方法的LAS印痕模型,用于对LAS测量数据的印痕分析和质量控制。作者介绍模式的建立方法并对模式的输入参数进行了讨论。另外,应用LAS印痕模式来分析2005年小汤山非均匀下垫面的观测实验数据,并与涡动相关数据进行线性回归分析,获得较好的相关性。结果显示该LAS印痕模型在观测数据的分析中有很大的实用价值,适用于非均匀下垫面的研究。

大孔径闪烁仪测量戈壁地区感热通量

利用2008年6月11～30日在金塔开展的"绿洲系统非均匀下垫面能量水分交换和边界层过程观测与理论研究"期间第一阶段戈壁下垫面大孔径闪烁仪(LAS)的观测资料,用混合对流方法和自由对流方法分别计算了戈壁感热通量。结果表明,对于利用LAS资料计算地表感热通量的方法中,混合对流方法相对于自由对流方法更加适用,且混合对流方法中Andreas给出的参数相对于DeBruin的参数更加适用于戈壁下垫面。此外,LAS测得的感热通量相对涡动相关方法的值较大,提高了地表能量闭合度。

大孔径闪烁仪与涡度相关系统对灌溉农田蒸散量的对比观测

蒸散是地表能量平衡的重要组成部分,在土壤-植物-大气连续体的能量、质量、动量交换过程中起着重要作用。大孔径闪烁仪(LAS)是近时期兴起的观测跨像元尺度地表通量的地面仪器,为验证其观测数据的可靠性,本文把专家认可且在中国生态系统研究网络(CERN)中广泛应用的涡度相关仪(EC)的观测数据作为参考依据,于2010年8月在中国科学院栾城农业生态系统试验站夏玉米田对大孔径闪烁仪计算结果进行验证。验证结果表明,两种仪器测定的地表感热通量日变化和月变化观测结果基本一致。由于下垫面属性、环境因子及观测范围等因素的影响,大孔径闪烁仪与涡度相关仪观测的蒸散量日变化之间有一定的差异,但日蒸散总量的测定基本一致。试验证明了大孔径闪烁仪观测数据的准确性。将大孔径闪烁仪计算的蒸散量与涡度相关仪观测值进行线性回归分析,二者的吻合度较高(R2=0.800 4)。研究结果显示,大孔径闪烁仪在地表水热通量的数据监测中具有很大的使用价值,为日后用大孔径闪烁仪验证遥感估算蒸散值奠定了基础。

高压线电磁场强度对大孔径闪烁仪观测的影响

大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)是测量水平距离上250～4 500 m地表能量平衡和水热通量的仪器。在其红外波传输的过程中会受到环境因素以及下垫面属性的影响。鉴于外界条件的复杂性,还会受到树木的阻挡以及高压线电磁场辐射等因素的影响。本文通过分析2009年8月～2010年3月在中国科学院栾城农业生态系统试验站开展LAS观测过程中的影响因素,研究了高压输电线电磁场对LAS观测的影响。结果表明,当LAS红外光路径距高压线过近时对测定的感热通量HLAS影响较大,导致计算结果与实际不符。通过计算提出了避免高压输电线电磁场干扰LAS观测信号的安全安装距离应是保证高压输电线电磁场强度小于4.05μT的距离。结果可为开展同类观测试验提供参考。

LAS在西北干旱区荒漠均匀下垫面的观测研究

利用"古浪非均匀近地层观测试验"的仪器平行对比观测部分试验数据,首先分析荒漠均匀下垫面大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)光径线上等间距架设的4台涡动相关仪(EddyCovariance System,EC)观测的摩擦速度和感热通量的一致性。然后,基于4种不同下垫面建立稳定度普适函数分析,利用4台EC观测摩擦速度平均值,计算了LAS观测区域的感热通量,进而比较了LAS和EC两者观测值的差异。结果表明,4台EC观测的摩擦速度与感热通量一致性好,摩擦速度的差别<10%,感热通量的差别在10%左右。4种稳定度普适函数计算的LAS区域感热通量在白天、夜晚与EC观测平均值变化趋势一致,但计算值偏大;TAG(Thiermann and Grassl)稳定度普适函数计算值与EC观测平均值较接近。其主要原因除不同下垫面试验所得稳定度普适函数的差异外,Kipp&Zonen LAS所测感热通量的系统性偏高不可忽视。

LAS测定显热通量的影响因子分析

利用 2 0 0 2年 3月 2 6日～ 7月 30日期间北京市昌平区小汤山镇裸地上大孔径闪烁仪 ( LAS)、涡度相关技术 ( Eddy)、波文比 ( Bowen)测定的显热通量及其它相关的观测资料 ,分析了 LAS测定的显热通量在不同的天气条件下的变化特征 ,并将 LAS测定的显热通量与各深度的土壤水分含量、土壤表面温度和水平风速作了相关性分析 ,通过对这些影响因子进行分析将有助于提高 LAS测定显热通量的精度。同时将 L AS测定的显热通量与涡度相关和波文比的观测值进行了对比分析 ,探讨了在均匀下垫面上 LAS测定的显热通量区域平均值与涡度相关和波文比测定的单点值之间的关系 。

黄土高原影响LAS观测感热通量的物理因素分析

利用2010年1月和6月黄土高原定西和庆阳两站大孔径闪烁仪(LAS)的观测数据,结合涡动相关系统(EC)、辐射观测、梯度塔等观测系统的同步观测资料,分析了不同下垫面LAS和EC观测感热通量的时空差异及其与下垫面净辐射、风向、风速和稳定度等物理量的关系。结果表明,LAS和EC观测感热通量值之间的差异(HLAS-HEC)大小与下垫面的不均匀性有关,相对复杂的下垫面HLAS-HEC较大。净辐射Rn是感热通量的主要驱动因子,HLAS-HEC在生长季大于非生长季,并与Rn成正相关。风向对LAS和EC观测感热通量值有显著影响。对流边界层低频涡旋的存在导致EC通量统计值偏低,HLAS/HEC随着风速的增大而减小,随着稳定度z/L的增大而增大。

LAS原理及其在黄河河源区的应用

本文介绍由荷兰引进的水文气象仪器——大口径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer英文简称LAS)的工作原理、选址、安装及其应用技术。该仪器通过测量水平距离为250m至4.5km范围的平均大气折射率参数(Cn2),得到地表显热通量(H),由于显热通量与蒸散发有关,所以LAS在能量平衡和水平衡研究中起着重要作用。

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。

测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪

基于光闪烁的孔径平均效应,研制了测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪(LALS)。该仪器在一定程度上实现了闪烁饱和现象的抑制。仪器采用对称式结构布局,同时采用调制解调方法提高信噪比,并以嵌入式控制单元完成对数据的采集、处理、显示和存储。与传统仪器设备的测量结果相比,在1000m的水平传输路径上两者的线性拟合系数为1.01,相关系数为0.92;进一步分析表明,大气湍流内尺度会对闪烁方差的测量产生影响,从而导致大气折射率结构常数的测量结果略显离散。

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。