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。

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。

不同下垫面大孔径闪烁仪观测数据处理与分析

大孔径闪烁仪是近年兴起的测量大尺度(500 m^10 km)地表通量的仪器。北京师范大学等单位分别于2002年、2004年在北京昌平小汤山开展了大孔径闪烁仪短期观测实验,2006年6月又在北京密云建立了长期观测站。利用这些数据,对大孔径闪烁仪观测数据进行处理与分析,结果表明:闪烁仪光径高度和风速是影响观测显热通量的关键因子。当地表粗糙元的高度变化相对于光径高度不可忽略时,零平面位移需要精确确定。波文比在湿润地表需要准确确定,而气温、气压和动力学粗糙度则为不敏感因子。计算中所需的大气稳定度可用理查孙数判断,也可借助日出日落时间或净辐射观测值确定。稳定条件下的普适函数目前无统一表达式,可采用仪器说明书推荐的函数。通过几个站点闪烁仪观测显热通量与涡动相关仪测量值的比较表明:大孔径闪烁仪在均匀和非均匀地表都能得到合理的显热通量观测值。

黄土高原大孔径闪烁仪观测特征量T_＊的研究

基于黄土高原定西站2009年9月大孔径闪烁仪(LAS)的观测数据,结合涡动相关系统(EC)和梯度塔的同步观测资料,分析了LAS和EC在测量感热通量过程中的温度特征尺度T*及其差异与近地层气象要素风向、位温梯度和稳定度等的关系。结果表明,黄土高原下垫面LAS测量的T*LAS和EC测量的T*EC有很好的相关性,相关系数达到0.955,拟合的线性趋势系数是1.482。对9月进行风向统计,主风向为NNE和SE,NNE风向上T*LAS和T*EC的相关系数是0.960,拟合的线性趋势系数是1.349,SE风向上T*LAS和T*EC的相关系数是0.968,拟合的线性趋势系数是1.619,风向对T*有显著影响。位温梯度与T*呈很好的线性相关关系,T*LAS相较于T*EC与位温梯度有更好的相关性。当稳定度z/L<1.5时,T*LAS/T*EC随着z/L的增大而减小;当z/L>1.5时,T*LAS/T*EC随着z/L的增大而增大。T*LAS/T*EC的变化范围随着z/L的增大逐渐变小,当z/L增大到4后,T*LAS/T*EC开始保持较小的变化范围。

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。

大孔径闪烁仪观测中的相似理论适用性分析

利用2009年馆陶站(1-12月)和阿柔站(1-6月和10-11月)的大孔径闪烁仪LAS相关数据,分析了LAS观测中莫宁—奥布霍夫相似理论MOST理论的适用性,并探讨了MOST理论适用性的定量判断方法。结果表明:(1)在不稳定条件下,大尺度涡旋运动、大气湍流发展状况和温度尺度都能对MOST理论适用性产生显著影响;(2)确立了两种新的MOST理论适用性判断方法,即因子分析法和温度结构参数法,并验证了这两种判断方法是合理、可靠的。

国产光学型大孔径闪烁仪的技术性能分析

利用2009—2012年在北京密云、青海阿柔、河南济源、甘肃张掖、河北馆陶和沽源的野外对比试验数据,分析了国产光学型大孔径闪烁仪的观测精度、稳定性和一致性,为国产光学型大孔径闪烁仪的后续生产和改进提供科学依据。分析结果表明:(1)以德国BLS900闪烁仪观测值作为参考值,张掖巴吉滩3套和沽源站5套国产大孔径闪烁仪样机感热通量观测值的平均均方根误差分别为19.91 W·m^(-2)和9.81 W·m^(-2);样机感热通量观测值均值与涡动相关仪观测值比较,均方根误差分别为21.08 W·m^(-2)和12.87 W·m^(-2),表明国产大孔径闪烁仪具有较好的观测精度;(2)国产大孔径闪烁仪在高温、低温、高湿或低湿的恶劣天气条件下以及长时间序列的观测均具有较好的稳定性;(3)样机观测感热通量之间的回归斜率差异较大,为6%,相关系数大于0.98,表明国产大孔径闪烁仪的一致性较好。综上所述,国产光学型大孔径闪烁仪基本达到了国外同类仪器的性能水平。

科尔沁梯级生态带大孔径闪烁仪与涡动相关仪观测显热通量间的尺度关系

利用2017年内蒙古科尔沁沙地梯级生态带上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,探究荒漠化地区复杂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:不论哪个风向上,农田是占研究区LAS源区比重最大的下垫面类型;不同风向、不同下垫面种类上LAS源区面积、各站点涡动源区面积均不同;不同下垫面EC观测的显热通量(H)与LAS观测值相关性不同,各EC与LAS观测值间的R2普遍偏低;HLAS和HEC聚合拟合程度较好,拟合系数为1.1798,两者间具有较好的尺度相互转化关系。LAS观测数据偏大、能量闭合问题、非研究类型下垫面占比、数据的选择时段是影响二者相关性的原因。

绿洲荒漠过渡带涡动相关仪和大孔径闪烁仪的通量源区特征

以甘肃民勤绿洲荒漠过渡带涡动相关仪(EC)和大孔径闪烁仪(LAS)的同步观测数据为基础,借助通量足迹模型,分析生长季和非生长季通量源区的分布与变化特征,比较了源区在不同风向下,足迹权重比的变化对二者观测值之间差异的影响。结果表明:(1)研究区在非生长季盛行西北风,在生长季则盛行东风,EC和LAS源区的空间分布与盛行风向一致,二者在非生长季源区的面积均大于生长季。(2)大气稳定条件下EC和LAS的源区面积普遍大于不稳定条件下。随着源区贡献率的增加(由50%增至90%),EC和LAS源区的重叠面积和足迹权重比也增加,并且非生长季的源区重叠程度优于生长季。在生长季和非生长季,EC和LAS源区都呈现不规则分布的特点。(3)相比于东西风向,生长季南北风向下的足迹权重比更高,二者所观测显热通量值更为接近,决定系数(R^(2))也更高。说明源区的足迹权重比在一定程度上可以解释EC和LAS在观测结果上的差异,这为地表通量的尺度扩展提供了方法学上的参考。

浅谈大孔径闪烁仪的选择和使用

对比了荷兰Kipp&Zonen公司生产的LAS150和德国Scintec AG公司生产的BLS450 2种大孔径闪烁仪的性能,介绍了后者的使用方法和数据获取过程。结果表明,后者的性能优于前者,所以在监测大尺度农田均匀下垫面的感热通量时最终选择了德国Scintec AG公司生产的BLS450。

大孔径闪烁仪观测地表水热通量研究进展

地表水热通量(感热通量和潜热通量)作为陆地表面热量平衡的重要组成部分,是气象、农业、水文和生态等领域的重要研究内容。20世纪末兴起的大孔径闪烁仪(LAS)可以观测复杂下垫面的平均水热通量。在介绍LAS原理的基础上,综述了LAS的可用性、研究观测的相关问题和实际应用三方面研究进展,为LAS的进一步研究提供帮助。

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。

闪烁仪法测算丘陵山地人工林显热通量的参数敏感性分析

采用2009年5月至9月期间大孔径闪烁仪(LAS)每日连续观测数据,并基于Monin-Obukhov近地层大气相似理论,测算了地处河南省济源市的华北丘陵山地30年生栓皮栎-侧柏-刺槐人工混交林的显热通量(H),分析了H对波文比(β)、零平面位移(d)、LAS光线路径有效高度(ZLAS)与风速(v)、空气温度(Ta)等关键参数的敏感性。结果表明:在本研究区域,β值在0.4 4.0范围内浮动变化时,LAS法测算得到的H值影响不大;ZLAS值大小浮动±20%时,H的测算值与参考值相差达35%;d数值大小浮动±50%时,H的测算值与参考值相差仅为1%;Ta值大小浮动±10%时,H的测算值与参考值仅为0.2%左右,v值大小浮动±20%时,H的测算值与参考值相差达到了10%左右。

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。

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。

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。