饱和修正系数提高ZZLAS型闪烁仪测量显热通量精度

为了研究饱和效应对大孔径闪烁仪估算区域显热通量的影响,在2014年8—9月期间进行试验,以具有抗饱和性能的双光路BLS900型闪烁仪为参考,以孔径尺寸为0.075 m(文中简记为LAS1)、0.15 m(文中简记为LAS2)的中国产ZZLAS型闪烁仪为研究对象,通过光学传播原理计算出饱和修正系数,并对ZZLAS型闪烁仪的观测结果进行饱和修正分析。结果表明:LAS1的饱和修正系数为1.034,LAS2的饱和修正系数为1.019。试验观测中LAS1饱和率为24.58%,LAS2饱和率为2.04%,进行饱和修正后,LAS1的有效饱和修正率为12.87%。与BLS900相比,LAS1修正后显热通量均方根误差变为25.67 W/m2;LAS2的饱和修正率仅为0.32%,修正前后显热通量均方根误差基本无变化。进行饱和修正前,对BLS900与LAS1观测的显热通量进行F检验,未达到显著水平(P=0.15);通过计算得出的修正系数修正后,达到极显著水平(P=0.004);而利用BLS900的实时修正系数进行修正后,接近显著水平(P=0.06)。利用试验计算得出的饱和修正系数修正后,显热通量与参考标准的误差范围为1.28~53.42 W/m2,比修正前更接近BLS900的观测结果。研究对农田、人工林下垫面条件下的观测结果采用文中的饱和修正方法进行验证,结果也表明,经饱和修正后,闪烁仪观测的显热通量更接近BLS900的观测结果。当ZZLAS型闪烁仪发生明显饱和现象时,利用光学传播原理计算得出的修正系数对饱和数据进行修正效果显著。     

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。     

科尔沁梯级生态带水热通量动态变化及对环境因子的响应

大气边界层内的水热通量在气候系统中起着十分重要的作用。基于大孔径闪烁仪(LAS)科尔沁沙地梯级生态带水热通量2017年3—12月数据,探讨了水热通量与主要环境因子间的关系。结果表明:(1)水热通量日变化特征明显。晴天时显热通量曲线呈单峰状,潜热通量曲线在生长季呈双峰状,非生长季呈单峰状;阴天时显热通量和潜热通量无显著变化规律;土壤热通量曲线在整个研究时段较净辐射曲线表现为稳定的滞后性。(2)水热通量季节性变化显著。通量各月变化曲线峰值出现时间先后移再前移,符合季节变化规律;显热通量在非生长季占净辐射比例较大,生长季时占比降低;潜热通量在整个研究时段占净辐射比例最大,是近地面能量消耗主要形式。(3)太阳净辐射、空气温度、空气相对湿度等气象因子与水热通量的相关性显著;表层10 cm土层土壤与水热通量相关性最好,土壤温度、土壤含水率与水热通量相关性显著,土壤电导率与水热通量相关性不明显。     

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。     

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。     

半干旱区农田生态系统通量贡献区分析

通量贡献区是指对湍流交换过程有贡献的有效源(汇)区域,它与生态系统和大气间的通量交换密切相关。在实际观测中复杂的下垫面增加了通量观测的难度和不确定性,对通量贡献区评价能有效解决通量空间代表性的问题。为了研究半干旱区农田生态系统在完整的作物生育期通量贡献区的变化特点,该文根据位于黄土高原丘陵沟壑区的兰州大学半干旱区农业生态系统试验站的通量观测塔2014年12个月连续的玉米农田通量观测资料,应用Schmid的FSAM模型对半干旱区玉米农田的通量贡献区进行了分析。结果表明:本研究区的主风向是90°~180°(东南方向),次主风方向是270°~360°(西北方向);在主风向上,迎风方向非生长季的通量信息最远点大于生长季,而在垂直于迎风方向上则相反;生长季内迎风向通量信息最远距离呈现出先减小后变大的趋势,其中在抽雄期最小,垂直于迎风方向最大宽度变化无明显规律。大气稳定条件下通量贡献区面积比不稳定条件下大,且大气稳定条件下90%的通量信息来源于迎风向8~92 m,垂直于迎风向?35~35 m;不稳定条件下则分别为7~83 m和?25~25 m。白天90%的通量源区分布在离观测塔9~86 m,夜晚源区分布在离观测塔10~100 m,垂直于迎风向由白天的?21~21 m增加到夜晚的?35~35 m。由FSAM模型测得的通量贡献区可以较准确地反映农田生态系统的通量信息。     

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。     

基于超分辨率重建和多模态数据融合的玉米表型性状监测

无人机遥感技术已逐渐成为获取作物表型参数的重要工具,如何在不降低测量精度的同时提高空间分辨率和测量通量受到表型研究人员的重视。该研究以玉米为研究对象,获取5个生育期无人机图像序列,结合小波变换与双三次插值对数码影像进行超分辨率重建,提取原始影像和重建影像的冠层结构、光谱等参数。基于单一参数和多模态数据构建地上生物量估算模型。结果表明：重建影像质量较高、失真较小,其峰值信噪比为21.5,结构相似性为0.81。航高60 m的重建影像地面采样距离与30 m的原始影像相近,但每分钟可多获取0.2 hm2地块的图像。多模态数据融合在一定程度上克服冠层饱和问题,相对于单一参数获得更高的生物量估测精度,拟合的决定系数为0.83,单一参数拟合的决定系数为0.095～0.750。在采用更高飞行高度条件下,结合超分辨率重建和多模态数据融合估算生物量的精度没有降低、反而略有提高,满足更高测量通量的需求,为解码基因型与表型关联的策略提供依据。     

黑河流域高山草甸湿地土壤CO_2通量日变化特征

采用Li-6400便携式光合作用测量系统连接Li-6400-09土壤呼吸室,在2013年生长季节对黑河流域高山草甸湿地土壤CO2通量进行了野外定位试验,统计分析了水热因子对高山草甸湿地土壤CO2通量特征的影响。结果表明,高山草甸湿地区不同层次土壤的日平均温度差值由土壤表层(0cm)的14.5℃骤降到土壤20cm层的5.8℃,对土壤呼吸有较大的影响;土壤CO2通量日变化特征明显,早晨8:00—10:00维持在较低水平,土壤CO2通量在0.81~1.10μmol/(m2·s),在11:00开始升高,13:00达到峰值,峰值为3.26μmol/(m2·s),18:00开始下降,整个过程呈单峰曲线;高山草甸湿地区土壤CO2通量与10cm土壤温度、土壤含水量存在不同程度的正相关关系,表明土壤CO2通量的变化受温度和水分所控制。     

Application of a displaced-beam small aperture scintillometer to a deciduous forest under unstable atmospheric conditions

Scintillometry is an optical measurement technique that measures turbulence. It offers advantages: it has a larger footprint because of its long measurement path and it is free from flow distortion resulting from the instrument itself. We applied a displaced-beam small aperture scintillometer (DBSAS) and an eddy-covariance (EC) system 10 m above a deciduous forest canopy of 18 m height under unstable atmospheric conditions between June 2002 and November 2002. The difference between DBSAS and EC sensors in terms of the dissipation rates of the turbulent kinetic energy (TKE) and the temperature fluctuations tended to change along with the deviation of vertical velocity normalized with mean wind speed. The greater value of dissipation rates by DBSAS is remarkable under the atmospheric unstable conditions with weak wind or under strong wind conditions. The dissipation rates by EC indicated greater values than by DBSAS under atmospheric neutral and weak wind conditions. The lack of energy balance observed by EC sensors showed dependence on the wind direction that was similar to relationship on the dissipation rates. The DBSAS tended to overestimate the heat fluxes against the eddy-covariance system, and did not indicate a clear relationship to the wind direction. As to verification of flux evaluated by eddy-covariance, comparison of the dissipation rates by the DBSAS with different footprints is effective on a forest canopy.     

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。     

Efficiency based wheat yield prediction in a semi-arid climate using surface energy budgeting with satellite observations

Accurate pre-harvest assessment of a staple food crop is an integral part of policy formulation in relation to food security issues. Here, two different approaches were attempted to estimate wheat yield using time series multi-year satellite (MODIS Aqua) optical-thermal data from a single earth observation (EO) mission. Surface energy budgeting was used to estimate evapotranspiration in terms of latent heat fluxes from net available energy and evaporative fraction to predict wheat yield over four agro-climate zones in semi-arid climate of Gujarat, India. Satellite based estimates of latent heat fluxes were found to show substantially less error with respect to the area-averaged heat flux measurements from LAS (large aperture scintillometer) as compared to measurements from BREB (Bowen Ratio Energy Balance) alone. The deviations in satellite based zonal CWU were found to have a strong correlation (r = 0.71) with the deviations from zonal wheat yield. Among both the approaches, the radiation use efficiency (RUE) based approach produced better accuracy in the predicted yield with lower root mean square error (RMSE) of 390 kg ha⁻¹ (14.8% of reported mean) and higher correlation coefficient (r = 0.92) than the water use efficiency (WUE) based approach (RMSE 573 kg ha⁻¹, 21.8% of reported mean; r = 0.80). Uncertainties in the satellite based core inputs resulted into a net 10-12% error in predicted yield in case of RUE approach. Our demonstrative case studies recommend that the coupled use of satellite observations from multiple EO missions and radiative transfer simulation would be effective to make efficiency based approaches operationally viable for regional wheat yield forecasting in near real time.     

日光温室土墙传热特性及轻简化路径的理论分析

为减小日光温室土墙厚度,该研究在分析土墙温度变化的基础上提出了土墙轻简化路径并进行了理论分析。根据测试分析,土墙可划分为用于储蓄热量的蓄热层和防止热量从蓄热层向室外方向流失的保温层。土墙86.9%的部分为保温层。模拟结果表明使用由47 cm厚夯土和7 cm厚聚苯板(热阻等于3.13 m厚夯土保温层)构成的复合墙在夜间的放热量与3.6 m厚土墙相近。使用保温材料替代夯土保温层来减薄土墙在理论上可行。另外,根据模拟,当土壤20 cm深处温度提高至23℃后,土壤供热量可超过测试条件下土壤和土墙放热量总和。为此,土墙在理论上可通过以下2条途径实现轻简化:1)使用保温材料建造墙体保温层;2)使用土壤蓄热替代墙体蓄热。     

日光温室土墙体温度变化及蓄热放热特点

为研究日光温室土墙体温度变化规律及蓄放热特性,以泰安市下挖式土墙日光温室为研究对象,在温室北墙布置5个测试层,通过各测试层最冷季节(30 d)温室内气温、墙体温度、室外气温及室外太阳辐照度测试数据,分析了土墙日光温室内部温度及墙体内温度的分布规律。结果表明:各测试层墙体表面及0.1~0.6 m处测点的温度均呈现出随温室气温周期性变化的规律,且随着墙体厚度的增加温度的波动幅值逐渐减小,相位明显后移;0.7 m以后测点的温度幅值趋于稳定,处于稳态向室外的导热过程。基于墙体温度分布规律,对墙体白天的蓄热量、夜间的放热量及墙体夜间放热效率进行了计算,得出墙体夜间放热效率为43%,表明土墙白天蓄积热量的43%用于改善夜间温室内热环境。对墙体蓄热和放热量计算,综合评价墙体的平均放热效率,可以为土墙日光温室结构优化及热负荷计算提供指导,为各地土墙温室轻简化技术研究提供理论基础。     

利用热脉冲技术测量土壤表层含水率

准确测定表层土壤水分对陆地-大气间水热交换研究具有重要意义。由于对土壤结构影响轻微,热脉冲技术在原位监测含水率方面具有较大优越性,但目前田间应用集中在5 cm以下土层。该研究利用多针热脉冲传感器测定土壤容积热容量,然后基于热脉冲含水率法和热脉冲含水率变化法分别得到了3、9、21和39 mm的土壤含水率。结果表明,与烘干法含水率比较,热脉冲含水率变化法含水率在4个深度的均方根误差分别为0.022、0.006、0.004和0.006 m3/m3,均小于相应深度上热脉冲含水率法含水率的均方根误差。另外,热脉冲含水率变化法也降低了4个热脉冲传感器测定含水率的变异性。因此,热脉冲技术能够监测表层的土壤水分动态,表层土壤含水率的均方根误差在0.022 m3/m3以内。     

若尔盖高原高寒草甸地表能量交换和蒸散研究

若尔盖高原高寒草甸生态系统是青藏高原能量和水分循环的重要组成部分,但该地区地面水热通量观测数据非常缺乏。本研究基于涡动相关法,于2013年11月1日−2014年10月31日,利用三维超声风温仪和红外开路二氧化碳/水汽分析仪在若尔盖高原一典型高寒草甸开展周年通量观测,以揭示其地表能量交换和蒸散特征及影响因素。结果表明：高寒草甸地表能量通量各组分呈显著的日变化和季节变化特征,净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年均值分别为94.5、21.0、51.8和1.2Wm−2。非生长季感热稍占优势,生长季潜热占绝对主导地位,波文比全年平均值为0.70,能量平衡闭合率年平均值为0.77。辐射是感热通量的主要气象影响因子,潜热通量则受温度、辐射和饱和水汽压差共同影响。日蒸散量变化范围为0.12～5.09mmd−1,全年平均值为1.82mmd−1。非生长季蒸散主要受土壤表面导度因子控制,生长季则由辐射主导,土壤和植被表面导度因子为次要影响因素。在季节尺度上,蒸散的变化取决于降水分布,全年降水和蒸散量分别为682.7mm和673.6mm,其中生长季分别占全年总量的84%和82%。6−7月降水匮乏抑制了蒸散,此时土壤储水成为蒸散的主要水源,从全年看,降水基本都以蒸散的方式返回大气。与青藏高原上同类观测研究相比,地表能量通量和蒸散都有相似的季节变化趋势,但观测到的年平均波文比和年蒸散量最大,气温、降水、地表植被等因素的共同作用导致这一结果。研究数据可作为地面验证资料,用于若尔盖地区陆面模式参数化方案的优化和卫星遥感反演资料的校验。