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。

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。

区域尺度无人机涡动相关通量观测系统的应用研究

陆地生态系统的水热循环与碳循环是陆地表层系统中物质能量循环的核心,其中区域尺度地表水、热、碳通量的直接观测是当下陆地生态系统通量观测与模拟研究中的热点与难点。机载涡动相关方法能够直接观测区域尺度生态系统通量,基于无人机平台的涡动相关通量观测技术同时兼具了区域覆盖性与经济灵活性等优点,是机载通量观测技术的最新发展方向。在介绍机载涡动相关通量观测方法的主要技术原理、观测特点以及无人机通量观测系统组成的基础上,通过在相对均匀的区域开展无人机与地面通量观测对比试验,采用谱分析、观测结果对比以及源区分析等方式对无人机通量观测系统的性能进行了初步评价。结果表明:无人机通量观测系统能够实现对大气高频湍流信号的有效采样;无人机与地面观测的湍流通量具有较好的一致性,但是感热和CO_(2)通量出现了低估、潜热和摩擦风速出现了高估;观测平台与仪器的差异、垂直通量辐散、大气边界层条件、不同的地面源区及地表异质性的影响是造成二者差异的潜在主要因素。最后对未来研究目标进行了展望,以进一步推动该技术在相关领域中的应用。

关于涡相关海气通量计算的资料处理技术

针对海气通量观测中存在的气流扰动等非湍流信号影响风速脉动进而导致涡相关通量计算失真的问题,借用惯性耗散法的思想进行了资料处理技术的改进性研究。以湍流惯性耗散的-5/3密率分布为依据,获得了一种滤除非湍流信号的新途径。以动量通量的计算为例,从对实测风速数据的处理情况来看,其结果与经验公式所得吻合得非常好。相比于通常的通量计算软件来说,该资料处理技术能极大地降低非湍流信号的影响并由此得出更为可靠的通量结果。从而,此技术可以用于新通量算法软件的研究和开发。

基于NSRFG方法的标准地貌风场大涡模拟研究

大涡模拟中入流湍流的准确模拟,是计算风工程领域当前研究的热点;准确定义与各类地貌大气边界层湍流特征相符的入流边界条件,是进行建筑结构风效应研究的前提(也是当前研究的难题)。该文在新提出的以湍流合成法为基础的LES入流湍流生成技术——NSRFG方法上,研究了数学模型中若干参数的适当取值问题。通过数值分析对采样频率间距Δƒ、引入的时间尺度因子τ0和空间尺度因子θ、衰减系数cj及调谐因子γj等重要参数进行敏感性研究,分析了上述参数的取值对所生成湍流脉动风速功率谱、均方值和空间相关性等模拟结果的影响;在此基础上建议了一套与中国规范四类标准地貌风场相对应的参数表,从而建立基于该方法的"标准数值风场模型";通过实例对四类标准地貌边界层湍流风场进行数值模拟和平衡态检验。研究表明:上述关键参数的赋值对采用NSRFG方法进行大气边界层湍流风场的重构影响显著,该文基于NSRFG方法所建议的标准地貌数值风场模型,对研究者采用LES进行结构风工程的数值模拟研究具有一定的参考价值。

我国东部山地针阔混交林碳通量特征分析

以浙江省金华市武义县大毛尖山为研究区域,开展复杂山地森林生态系统碳汇能力的观测研究,并利用涡动相关法在2022年6月~2023年5月进行观测,经过数据质量控制和质量评价分析,得到42%的优质CO_(2)通量数据.结果表明,大毛尖山周边以针阔混交林为主,能量闭合度为0.89,能够很好的代表站点通量情况.CO_(2)通量在日尺度上均表现为U型变化,范围为-1.20~0.89mgCO_(2)/(m^(2)·s).四季碳汇能力强弱依次为,夏季、春季、秋季、冬季;各月份净生态系统碳交换量(NEE)均为负值,整体表现为碳汇.CO_(2)通量与气象因子中的空气温度呈负相关,相对湿度和平均风速正相关,夜间因呼吸作用产生的CO_(2)通量与土壤温度正相关.本研究初步解释了大毛尖山森林生态系统的碳汇特征.

基于同步观测信息利用的高寒湖泊湍流通量数据插补方法

源区划分和质量过滤提高湖面涡动相关通量数据可靠性的同时,却降低了通量时间序列的连续性.为此,本文基于TensorFlow机器学习框架构建了一种超宽人工神经网络(ANN)模型.在选择输入ANN模型的特征变量信息时,我们采取了尽可能获取湍流输送过程中热力、动力学同步观测背景强迫信息的原则.通过ANN模型模拟通量的插补,本文实现了通量时间序列连续性的优化,插补后的羊卓雍错湖面通量数据的时间覆盖率从不足0.40提升至超过0.98.基于10次折叠交叉验证的ANN模型通量模拟性能检验则表明,各个检验组之间ANN模型的模拟误差波动较小,这显示出了较好的稳健性.具体地讲,感热通量、潜热通量和水汽通量原始观测平均值分别约为18.8 W/m^2、81.5 W/m^2和1.84 mmol/(s·m^2),10组交叉验证的插补感热通量、潜热通量和水汽通量平均绝对误差分别为5.4 W/m^2、15.7 W/m^2和0.35 mmol/(s·m^2).这表明本文所探索的ANN建模结构和同步观测变量筛选原则可更充分地利用观测点局地同步观测信息估算通量强度,有效地优化湍流通量数据的时间连续性,从而提升通量数据的可分析性.

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。

复杂条件下湍流通量的观测与分析

随着气候与环境问题的突出,地球生态系统与大气间的CO2、水汽和能量交换引起更大关注。全球通量网和其它研究计划已在不同地区建立了大量通量站;并主要利用涡动相关方法进行通量的观测与分析。许多通量站设在地形起伏、斑块植被地区,且由于长期连续运转,不可避免地会遇到许多不利气象条件。国内各部门应用的涡动相关方法通量观测系统已有数百套。此方法似乎简单,而较准确的有代表性的通量取得却涉及许多问题。国外近10年来有关研究很活跃,国内则显得相对薄弱。仪器和台站很多,却缺乏合乎国际规范的处理程序和质量控制体系,影响到资料共享和合作研究。应根据国际最新进展和部分台站资料,在做成较规范的湍流资料处理程序的基础上,建立包括通量源区分析的质量控制与保证系统。对地形和植被都较复杂的情况,结合国际上几个较典型的通量站和国内祁连山大野口等通量站特点,做了简要介绍。

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。

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。

EBEX-2000湍流热通量订正和地表能量平衡闭合问题研究

运用EBEX-2000实验资料,分析超声虚温订正和Webb订正对湍流热通量计算的影响及这两种订正的主要控制因子,并在对湍流热通量进行修正的基础上简单讨论了能量平衡闭合率（EBR）的影响因子,结合实际的天气、地形条件给出了比较合理的解释。研究结果表明：超声虚温订正值为–40~2 W/m^2,有明显日变化,均值为8 W/m^2,主要受大气稳定度和水汽垂直梯度影响;Webb订正值范围为5~14 W/m^2,订正量均值较小,约1.8 W/m^2,白天为正值,夜间为负值,主要受波文比和空气比湿的影响,出现较大修订值的几率很小;30min平均的能量平衡闭合比率（EBR）约为0.63,其日变化幅度剧烈,日变化幅度及夜间离散度很大,并且随土壤含水量的突然上升而急剧下降。

南极中山站附近冰盖近地面层湍流参数的观测研究

利用2007/2008年中国第24次南极考察队在南极中山站附近冰盖上观测试验获得的湍流脉动及相关资料,对原始资料通过坐标旋转订正后,应用涡动相关法计算分析了冰盖近地面层的湍流强度(I)、稳定度参数(z/L)、摩擦速度(u*)、拖曳系数(Cd)、地表粗糙度(z0)及动量通量(τ)和感热通量(H),并与空气动力学方法的计算结果进行对比。结果表明,Louis方案能够较好地模拟近地面层湍流通量;在平均状态下,全天雪面以感热形式从大气获得净的能量;近中性层结下地表粗糙度z0为4.54×10-4m,拖曳系数Cd=1.7×10-3,在非中性条件下,稳定度越小Cd越大,反之,则稳定度越大Cd越小。

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.

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。

编辑选编

利用神经网络将CO2净通量分解为光合作用和呼吸作用.涡动相关(EC)技术用于测量生态系统与大气之间CO2的净交换(NEE),为研究生态系统对气候变化的响应提供了独特的机会。NEE是由所有呼吸过程产生的CO2总释放量(RECO)与光合作用碳的总吸收量(GPP)之间的差值。这两种总CO2通量是通过应用基于生理的功能关系和有限数量的环境驱动因素的分解方法从EC测量中反演而来。然而,应用于全球通量观测网络(FLUXNET)EC观测的分解方法,并不能解释调节GPP和RECO通量动态的多重共同作用因素。

陇中黄土高原垂直感热平流输送对LAS和EC观测感热通量差异的影响

利用"黄土高原陆面过程试验研究(LOPEX)"2010年6月定西站的陆面过程综合观测资料,以造成大孔径闪烁仪(LAS)和涡动相关仪(EC)测量感热通量的差异为切入点,从中尺度垂直感热平流输送过程入手,将垂直感热平流输送的贡献作为地表有效能量的一部分引入EC直接观测的感热通量,对比引入前后LAS和EC测量感热通量的差异大小。结果表明:黄土高原定西观测站近地层大气垂直方向主要表现为向上运动,峰值达到0.074m·s-1,为垂直感热平流输送提供了必要的动力条件。尤其该地区处在半干旱区,地表受太阳辐射加热比较显著,近地层温度梯度最大可达0.39K·m-1,为产生垂直感热平流提供了能量基础。加入垂直感热平流输送的贡献后,EC地表能量不闭合度的日均值由直接观测的0.30缩小到0.24。修正后,LAS和EC测量的感热通量拟合的线性趋势系数由直接观测时的1.258缩小到1.186,两者差异得以缩小。

近地层能量平衡闭合问题--综述及个例分析

近地层能量闭合问题,即测量到的感热和潜热通量之和一般总小于近地层可利用能量(净辐射与土壤热通量之差),是近20年来困扰地气相互作用实验研究的主要难点之一。对国内外有关研究现状做了综述,与解决此问题日益迫切的要求相适应,问题的实质及解决途径近年来已逐渐明朗。"涡动相关方法"应用在复杂的大气湍流通量观测中的局限,特别是对低频较大尺度湍流通量的低估,仍是关键所在。在理论分析的基础上,结合2008年部分"黑河综合实验"资料对有关计算结果做了具体介绍。以阿柔站6天连续资料为例,仔细计算土壤浅层热储存,在涡动相关资料再处理中加上高低频损失修正等,再参考该站大口径闪烁仪(LAS)观测对感热通量的提高,能量闭合率可达到99%,当然这只是个例。许多复杂情况下,较大尺度的涡旋或湍流有组织结构(TOS)会有更明显影响。近地层能量闭合问题的根本解决必须考虑后者的贡献,提高通量观测的时空代表性。