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。

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。

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。

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。

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。

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。

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.

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。

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。

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。

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。

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。

南京地区大口径闪烁仪与涡动相关仪感热通量观测对比

湍流是地表与大气间物质与能量交换的主要形式,因而准确观测湍流通量历来是城市边界层研究的重要问题。本研究基于架设在南京信息工程大学内的大口径闪烁仪(large aperture scintillometer,LAS)和涡动相关仪(eddy covariance,EC)的同步观测,对比了LAS测得的感热通量和EC测得的感热通量的差异,结合归一化植被指数(NDVI)和归一化建筑指数(NDBI),分析了下垫面不均匀性对于两种仪器测得感热通量的影响。结果表明:城市地区LAS与EC具有较好的相关性(R2=0.76),拟合线斜率为0.95;白天,LAS的感热通量大于EC的感热通量,二者差值为18.8~39.4 W·m^-2;夜间,二者均在零值附近波动,差值为4.8~28.7 W·m^-2;月尺度上两种仪器的差值8月最大,其次为7月、4月,6月最小;差异产生的主要原因是风向造成的通量源区不同;通量源区内的NDVI值越大,感热通量与净辐射之比越小,二者呈显著负相关(k=-0.34,P<0.05);NDBI值越大,感热通量与净辐射之比越大,二者呈显著正相关(k=1.15,P<0.05)。