ZZLAS型闪烁仪信号饱和界限的确定

闪烁仪能够快速准确地测量区域尺度水热通量,中国产ZZLAS型闪烁仪因测量准确、操作方便、价格低廉等优势在国内具有广阔的应用前景。为进一步提高ZZLAS型闪烁仪的测量精度,推广其在水热通量等研究领域的应用,本文于2014年8-9月,以BLS900为参考标准,分别选择孔径为0.15m和0.075m的ZZLAS型闪烁仪,在平坦均匀的草原下垫面进行信号饱和测定,确定ZZLAS型闪烁仪的饱和界限;并于2014年9-10月,用孔径为0.15m和0.075m的ZZLAS型闪烁仪在复杂的农田下垫面对饱和界限进行验证。结果表明,ZZLAS型闪烁仪的强饱和界限为0.359,弱饱和界限为0.099。验证结果显示,在上述饱和界限条件下,孔径为0.075m的ZZLAS型闪烁仪饱和率最大,为24.58%。实验所得的饱和界限可成为ZZLAS型闪烁仪饱和判断的参考,且在此饱和界限条件下,ZZLAS型闪烁仪发生的饱和现象多属弱饱和现象,可以通过数学方法进行修正。     

利用MODIS数据计算地表蒸散

地表蒸散影响着地表水分和能量的输送,在水文、气象、地理等诸多领域占有重要地位。该文首先基于大气辐射传输原理,利用MODIS大气产品提供的臭氧、水汽以及550 nm气溶胶含量,运用大气透过率计算模型,进行了太阳总辐射的计算,均方根误差（RMSE）为61.4 W/m2,相比FAO-56透过率模式112.1 W/m2的误差有了明显改进。在此基础上结合MODIS的地表温度、植被指数产品进行了地表蒸散的计算。瞬时显热通量与郑州市大孔径闪烁仪（LAS）观测相比,有较好的一致性,RMSE为29.9 W/m2。应用本文的透过率模型计算得到的日蒸散与观测值相比,RMSE为0.69 mm,应用FAO-56透过率计算式得到的日蒸散RMSE为1.42 mm。从验证结果来看,透过率的准确计算能够比较明显的提高地表蒸散计算精度。     

烟台棕壤土饱和导水率的初步研究

该文利用单环入渗的概化解,对不同土地利用方式下烟台棕壤土的饱和导水率进行了研究,同时分析了不同单环直径对求解饱和导水率产生的影响。研究结果表明：草地、裸地和道路的入渗速率、累积入渗量和饱和导水率呈现依次降低的变化趋势,利用直径为20、30和45 cm的入渗环得到的饱和导水率具有明显的差异性。根据求解的饱和导水率计算的累积入渗量非常接近实测值,整体相对误差很小,草地、裸地和道路,在5、7和40 m in后浮动在5%以内;在15、43和55 m in后变化幅度小于1%。20、30和45 cm入渗环累积入渗量计算值的相对误差初始阶段波动较大,随后逐渐趋于平稳。     

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（R2）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。     

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H_LAS 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4.05 μT 的距离。结果可为开展同类观测试验提供参考。     

北疆平原水库水面蒸发模型的建立与关键参数确定

北疆平原地区的温带大陆性干旱半干旱气候具有空气干燥、温差大、气压差异明显、风多且风速大等特点;而该地区平原水库又具有坝长,面积广而水深较浅的特点。已有的水面蒸发模型并未充分考虑到上述区域性和平原水库的特点,计算误差较大,不能准确估算出新疆灌区平原水库的蒸发量。文中以道尔顿模型为基础,依据已有3因子模型的研究方法,充分考虑了气压差、风速、湿度和温度共4个主要因素对水面蒸发的影响,建立4因子模型。通过理论分析得到各影响因素的表达式,由20 m2蒸发池试验观测获取公式中的关键参数。通过大泉沟平原水库完整的水文水资源观测资料,采用水量平衡法计算出水库蒸发量,4因子模型计算结果能与其基本吻合;同时考虑到尺度上的差异,引入修正系数对模型进一步进行修正,通过对观测数据的深度分析最终确定,在冰冻期修正系数为0.886,非冰冻期修正系数为0.939。修正后的4因子计算模型不仅能准确模拟出大泉沟水库的水面蒸发量,而且与北疆其他地区的7座水库蒸发量也能够较好吻合,验证了该模型的精确性和可靠性。该模型所需的数据都是基本的气象资料,易于获取,计算简便,实用性好。综上所述,该模型方法正确,能准确估算内陆干旱区平原水库的蒸发量,为内陆干旱区水资源合理利用与科学管理提供理论支持。     

饱和状态下黄绵土坡面细沟侵蚀可蚀性和临界剪切应力特征

土壤可蚀性参数和临界剪切应力是评价土壤易侵蚀程度和抗水流剪切变形能力的重要指标,目前在黄绵土坡面细沟侵蚀过程中,土壤饱和条件下可蚀性参数和临界剪切应力的变化尚不明确。该研究采用室内土槽模拟冲刷试验确定不同坡度（5°、10°、15°、20°）和流量（2、4、8 L/min）下饱和黄绵土坡面的最大细沟剥蚀率,基于数值法、修正数值法和解析法计算土壤可蚀性参数和临界剪切应力。结果表明,3种方法所得最大细沟剥蚀率均随坡度和流量增加而增大,其中修正数值法和解析法计算的最大细沟剥蚀率更接近。土壤可蚀性参数分别是0.485、0.283和0.268 s/m,土壤临界剪切应力分别为1.225、1.244和1.381 N/m2。修正数值法可提高数值法近似计算的精度,使近似计算结果更接近解析法计算获得的理论值。饱和较未饱和黄绵土的土壤可蚀性参数略有减小（16.83%）,而临界剪切应力减小了66.97%,表明土壤饱和对黄绵土土壤可蚀性参数影响很小,但大幅度削弱了土壤临界剪切应力,使得黄绵土坡面饱和后土壤侵蚀更为强烈。此外,饱和黄绵土边坡的临界剪切应力比饱和紫色土坡面大6.38%,而细沟可蚀性参数大2.35倍,表明土壤饱和对2种土壤临界剪切应力影响程度相似,但黄绵土较紫色土对土壤侵蚀的敏感性更高。研究结果可为饱和状态下不同土壤坡面细沟侵蚀模型参数的优化提供参考。     

双波长交互法测算华北人工林平均水热通量的应用分析

基于红外?微波闪烁仪方法（Optical-Microwave Scintillometer,OMS）,对华北低丘山地人工林生态系统进行热量通量观测,并比较OMS估算结果与涡动相关系统（Eddy Covariance,EC）观测结果的差异,分析OMS方法的估算结果对能量平衡的影响,探讨影响OMS观测结果的影响因子。结果表明,OMS系统观测的显热通量与EC观测结果具有良好的一致性,但观测的潜热通量比EC观测结果高估约28%。由于对潜热通量的高估,OMS系统在观测研究中存在过闭合现象,超出幅度约5%。分析认为,波文比、风速对OMS观测影响显著。OMS作为新兴的水热通量观测方法,可以直接同时测算出区域尺度水平上显热通量和潜热通量,缩短了采样间隔,统计不确定性减小,有助于更精确地测量热量通量,深入研究能量闭合问题。     

双环入渗仪的缓冲指标对测定土壤饱和导水率的影响

双环入渗仪在测定田间土壤饱和导水率时被广泛采用。本文采用不同直径的双环入渗仪(内环直径分别为20 cm、40 cm、80 cm和120 cm)和不同的内外环直径比,即不同的缓冲指标(0.2、0.33、0.5和0.71),进行了16组定水头积水入渗试验,研究了双环入渗仪缓冲指标对土壤饱和导水率测定的影响。结果表明:内环直径较小的入渗仪,其累积入渗过程曲线的分布较分散;随着入渗环直径逐渐增大,分散范围逐渐缩小。另外,随着缓冲指标的逐渐增大,测定的土壤饱和导水率并没有明显的增大或减小趋势,但内环直径20 cm的入渗仪测定的土壤饱和导水率的波动最大,而80 cm和120 cm内径的双环入渗仪测定的土壤饱和导水率最稳定,并且始终非常接近。因此,相对于双环入渗仪内环大小或土壤非均质性的影响,双环入渗仪的缓冲指标对于土壤饱和导水率测定的影响要小。     

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（H_LAS和H_EC）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，H_LAS和H_EC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H_LAS和H_EC之间线性回归方程斜率为1.13，拟合优度R²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H_LAS和H_EC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，H_LAS和H_EC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，R_n）、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。     

基于集合卡尔曼滤波的地表水热通量同化研究

地表水热通量是研究地表能量转换与水文过程中的重要参数,本文借助通用陆面模式CLM3.0(Community Land Model3.0)为动力框架,利用集合卡尔曼滤波作为同化算法构建单站点的地表水热通量同化系统,并利用Ameriflux通量观测网上Chestnut Ridge、ARM SGP Main以及Tonzi Ranch三个站点的通量观测数据进行直接同化地表水热通量试验。结果表明,在三种不同下垫面下,RMSE直接同化水热通量能够很好地改善地表总水热通量的估算效果。经过同化通量观测值,模式输出的通量值的RMSE均有减小。在代表农田下垫面的ARM SGP Main站,感热通量的RMSE由67.49W/m2下降至14.07W/m2,潜热通量的RMSE由70.07W/m2下降至14.35W/m2;在代表森林下垫面的Chestnut Ridge站,感热通量的RMSE由82.56W/m2下降至48.56W/m2,潜热通量的RMSE由42.99W/m2下降至38.92W/m2;在代表草地下垫面的Tonzi Ranch站,感热通量的RMSE由62.99W/m2下降至17.85W/m2,潜热通量的RMSE由44.76W/m2下降至36.01W/m2。相对于通过同化地表温度和湿度间接改善地表水热通量预报的研究结果,直接同化地表水热通量的结果好于前者。但值得注意的是,针对集合同化方法,不同初始场误差、观测误差和大气强迫数据误差的扰动强度都会对同化结果造成影响。从同化系统对3种误差的敏感性分析结果来看:观测误差的影响最大且减小观测误差能够减小同化后的RMSE值,估计观测误差的方法是否合理会直接影响同化结果的好坏;初始场误差对同化后的RMSE值影响最小;另外,增加大气强迫数据误差和初始场误差能减小同化后的RMSE值。     

Persistent effects of fire-induced vegetation change on energy partitioning and evapotranspiration in ponderosa pine forests

We compared energy fluxes between a site converted from ponderosa pine (Pinus ponderosa) forest to sparse grassland by a severe wildfire 10 years ago and a nearby, unburned forest. We used eddy covariance and associated instruments to measure total radiation, net radiation, albedo, and fluxes of energy into latent heat, sensible heat, and the soil. Total radiation, vapor pressure deficit, and air temperature were similar for each site. Compared to the unburned site, net radiation efficiency (net radiation/total radiation) was 30% lower and albedo 30% higher at the burned site. The magnitude of sensible and latent heats varied seasonally at both sites. Sensible heat was the major component of the energy balance in cold or dry seasons, whereas latent heat was the major component in the warm and wet season. Soil heat flux was the smallest in magnitude of the measured energy fluxes. Compared with the unburned forest, the burn-created grassland generally had lower sensible and latent heats, but greater soil heat flux for both soil cooling in winter and warming in summer. The grassland had similar maximum air temperature as the forest, and warmer surface soil temperature during the summer. Thus, the lower albedo and greater sensible heat of the forest did not produce a warmer site compared with the grassland, apparently because of the cooling effect of greater latent heat in the forest. Our results suggest only small changes in site air temperature, but larger changes in site surface soil temperature by shifts from forest to grassland caused by severe fire in northern Arizona ponderosa pine forests.     

蒸发比法能量强制闭合及其对稻田蒸散量估算精度的影响

为探求节水灌溉稻田蒸发比(潜热通量与有效能量的比值,EF)变化特征及能量平衡闭合情况对稻田蒸散量测算的影响,该研究采用涡度相关系统,监测了2014-2016年节水灌溉稻田湍流通量过程,分析了稻田蒸发比的不同时间尺度的变化特征,对比了能量强制闭合前后湍流通量的比例与过程变化。结果表明,节水灌溉稻田EF与旱作物不同,小时尺度EF先减小后增加,在10:00-12:00时段的数值最为稳定。水稻全生育期EF均在0.7～1.0之间变化,均值约0.93,潜热蒸散是稻田主要的能量消耗项。能量强制闭合修正后湍流通量明显增加,日峰值差异最大,昼夜交替时,稻田能量平衡处于过闭合状态;能量强制闭合后不同时间尺度上的蒸散量都明显增加,能量强制闭合是涡度相关法准确计算蒸散量的前提。研究结果可为稻田蒸散量准确测算与蒸散模型扩展研究提供重要的数据支撑与方法。     

华北平原典型冬小麦农田生态系统能量平衡与闭合研究

准确量化分析地气之间的物质和能量交换对于水资源管理和农业可持续发展是十分重要的。能量平衡闭合是评估观测数据准确性和分析地表能量平衡的一个重要的评价指数。本研究利用开路涡度相关系统和全要素自动气象站对华北平原典型冬小麦农田生态系统2013—2014年度的能量通量及常规气象要素进行了连续观测,分析了冬小麦农田各能量通量的日变化和年变化特征,计算冬小麦在4个生育时期(出苗期、越冬期、拔节期和灌浆期)的能量闭合和波文比。结果表明:在日尺度上,选取的4个生育时期净辐射和各能量分量的日变化趋势均为单峰二次曲线,净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在12:00—13:00,土壤热通量的峰值出现在14:00—15:00。在年尺度上,净辐射和潜热通量的变化趋势较为一致,均在越冬期达到最低值114.51 W·m~(-2)和13.47 W·m~(-2),而在灌浆期达到最大值327.02 W·m~(-2)和116.56 W·m~(-2)。选取的4个生育时期的代表性观测日期能量闭合良好,能量闭合率分别为0.49、0.77、0.81和0.76。4个生育时期内波文比值日变化趋势均呈倒"U"型,出苗期波文比在14:00达到最大值2.12;越冬期、拔节期和灌浆期在10:00左右达到最大值,分别为1.48、0.31和0.58。本文的定量化结果可为华北平原农田生态系统水热通量等研究提供依据。     

Non-turbulent fluxes of carbon dioxide and sensible heat—A comparison of three forested sites

The advection initiative ADVEX within CarboEurope-IP conducted advection experiments at three European coniferous sites in 2005 and 2006. All experiments shared the same geometry and instrumentation. Data of the ADVEX experiments were used to calculate advective fluxes of carbon dioxide and sensible heat using exactly the same method. However, the advective flux of sensible heat can be assessed more easily than the carbon dioxide flux with its associated complex measurements of gas concentrations. We explored the possibility to use advective fluxes of sensible heat as a proxy for the corresponding flux of carbon dioxide despite somewhat differing sinks and sources. On average, advective fluxes of sensible heat were of opposite sign in relation to the advective fluxes of carbon dioxide for the three investigated sites, especially during nighttime. Therefore, the respective gradients were of opposite sign, on average, for vertical and (to a lesser extent) horizontal direction. This is not as obvious for horizontal direction as for the vertical direction. A scheme is presented to explain the correlation of the respective gradients for different conditions. Based on the gained insights and regression statistics, two simple empirical models were tested to derive advective fluxes of carbon dioxide from advective fluxes of sensible heat. Our results suggest that the advective flux of sensible heat could be taken as an indicator concerning the presence and sign of carbon dioxide advection. However, the suitability of advective fluxes of sensible heat as a quantitative proxy for advective fluxes of carbon dioxide is more problematic because the representativeness including the magnitude of advection derived from advection measurements is not yet clarified. An inspection of the budget of sensible heat and carbon dioxide revealed considerable changes by advection. The results indicate that the budget of carbon dioxide might be generally more affected by the investigated non-turbulent advective fluxes than the budget of sensible heat.     

Correction of sonic anemometer angle of attack errors

An improved method of correcting for the angle of attack error resulting from the imperfect (co)sine response of ultrasonic anemometers is proposed. The angle of attack, which was calculated as the arctangent of observed wind vectors, contains the angle of attack errors in the vectors themselves, and hence this angle was ‘false’. The ‘true’ angle of attack should be calculated from the corrected or ‘true’ wind vectors. In the improved method, the ‘true’ angle of attack is derived by solving a nonlinear equation which connects the ‘false’ angle of attack to the ‘true’ one. In applying this method to the case of R2- and R3-type Solent ultrasonic anemometers, the fit of the function for the sine responses to wind tunnel data was improved, and the cosine response function was also improved to consider the effect of the difference of the vertical positions of the transducers. The nonlinear equation was solved using the Steffensen method; robustly and adequately fast for practical use in calculating eddy fluxes. The accuracy of the correction method is improved over a previous one, especially at large angles of attack. Applying our correction method to field data from two forests and one peat bog, the eddy fluxes of sensible heat, latent heat and CO₂were increased and the energy balance closure rates were improved. These results indicate that a large portion of energy imbalance can be accounted for by the ultrasonic anemometer angle of attack dependent errors.     

漓江上游山区复杂地形水热通量的时空变化规律

为了估算漓江上游农林经济的发展对决定地表微气候环境的水热通量的影响,计算山区复杂地形影响下的地表太阳辐射以改进SEBAL模型,提出归一化水热通量使不同时相具有可比性,对漓江上游1989-2006年5景TM/ETM卫星图像利用改进模型反演水热通量。结果表明,在空间上随植被覆盖度的增加,显热通量降低而潜热通量增加,植被覆盖度在0.2～0.7时的影响非常显著。1989-2000年植被覆盖度均值明显降低,而2000-2006年逐渐上升,导致波文比(显热与潜热比)均值明显升高然后逐渐降低,归一化潜热数值较高的像元比例减少然后增加,归一化显热数值较高的像元比例增加然后减少。尽管在2006年植被覆盖度均值接近于1989年,但波文比均值仍明显高于1989年。研究区经济林、旱地农作物面积的增加,阔叶林面积减少,水源林的减少与退化,导致了显热与潜热比平均值的升高。