基于大孔径闪烁仪（LAS）测定农田显热通量的不确定性分析（可编辑）

基于大孔径闪烁仪（LAS）测定农田显热通量的不确定性分析（可编辑） 基于大孔径闪烁仪(LAS)测定农田显热通量的不确定 性分析 第 2 5 卷 第 1 1 期 地 球 科 学 进 展 V o l . 2 5 N o . 1 1 2 0 1 0 年 1 1 月 N o v . , 2 0 1 0 A D V A N C E S I N E A R T H S C I E N C E 文 章 编 号 : 1 0 0 1 ? 8 1 6 6 ( 2 0 1 0 ) 1 1 ? 1 1 9 9 ? 0 9 基 于 大 孔 径 闪 烁 仪 ( L A S ) 测 定 农 田 ? 显 热 通 量 的 不 确 定 性 分 析 1 1 2 1 1 1 1 ? 朱 治 林 , 孙 晓 敏 , 贾 媛 媛 , 温 学 发 , 张 仁 华 , 袁 国 富 , 唐 新 斋 ( 1 . 中 国 科 学 院 地 理 科 学 与 资 源 研 究 所 , 生 态 系 统 网 络 观 测 与 模 拟 重 点 实 验 室 , 北 京 1 0 0 1 0 1 ; 2 . 中 国 科 学 院 光 电 研 究 院 对 地 观 测 技 术 与 应 用 研 究 部 , 北 京 1 0 0 0 8 0 ) 摘 要 : 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 ( E C ) 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 ( L A S ) 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 : ? 无 论 白 天 还 是 夜 间 , 用 大 孔 径 闪 烁 仪 ( L A S ) 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 。 ? L A S 与 E C 对 比 观 测 表 明 : 白 天 显 热 通 量 较 小 时 , H 比 H 偏 大 , 白 天 显 热 通 量 较 大 时 , H 比 H 小 ; 当 显 热 通 量 由 小 L A S E C L A S E C 变 大 时 , 其 平 均 绝 对 误 差 越 来 越 大 , 相 对 误 差 越 来 越 小 。 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 ( f o o t p r i n t ) , 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 L A S 的 观 测 结 果 。 关 键 词 : 大 孔 径 闪 烁 仪 ( L A S ) ; 涡 度 相 关 ; 显 热 通 量 ; 像 元 尺 度 ( 公 里 尺 度 ) ; 农 田 中 图 分 类 号 : P 4 0 4 文 献 标 志 码 : A 近 十 几 米 到 几 百 米 , 最 多 可 以 到 几 公 里 内 ( 与 仪 器 1 引 言 高 度 、 风 速 风 向 等 有 关 ) , 并 且 还 要 求 下 垫 面 相 对 均 [ 2 , 3 ] 地 表 显 热 通 量 是 地 表 水 热 平 衡 的 重 要 组 成 部 匀 一 致 。 分 , 是 反 映 地 ? 气 间 能 量 交 换 强 度 的 一 个 重 要 指 标 。 随 着 全 球 气 候 变 化 等 环 境 问 题 受 到 越 来 越 多 的 显 热 通 量 不 仅 影 响 区 域 的 热 量 收 支 , 而 且 对 地 区 的 关 注 , 科 学 家 和 决 策 部 门 需 要 了 解 更 大 范 围 内 ( 如 水 分 循 环 也 产 生 深 刻 影 响 。 常 规 用 于 测 量 局 地 地 表 区 域 、 全 球 ) 的 水 热 平 衡 。 由 于 实 际 下 垫 面 的 复 杂 显 热 通 量 的 方 法 有 许 多 , 例 如 波 文 比 ? 能 量 平 衡 法 、 性 和 非 均 匀 性 , 仅 仅 靠 有 限 的 一 些 点 尺 度 的 观 测 来 空 气 动 力 学 法 和 涡 度 相 关 仪 法 和 表 面 温 度 ? 阻 抗 法 简 单 推 算 更 大 范 围 的 通 量 显 然 有 很 大 误 差 , 也 不 能 [ 1 ] 等 。 特 别 是 由 于 涡 度 相 关 技 术 的 快 速 发 展 , 在 局 满 足 目 前 科 学 研 究 的 需 要 。 就 目 前 而 言 , 利 用 遥 感 地 进 行 显 热 通 量 的 观 测 已 经 变 得 比 较 容 易 和 相 对 准 模 型 结 合 遥 感 观 测 数 据 是 实 现 由 点 到 面 进 行 尺 度 扩 确 可 靠 。 但 这 类 方 法 所 能 代 表 的 范 围 一 般 是 测 点 附 展 最 有 效 的 方 法 。 但 遥 感 本 身 并 不 能 直 接 测 量 下 垫 ? 收 稿 日 期 : 2 0 1 0 ? 0 3 ? 1 6 ; 修 回 日 期 : 2 0 1 0 ? 0 7 ? 1 4 . ? 基 金 项 目 : 公 益 性 行 业 ( 气 象 ) 科 研 专 项 “ 大 尺 度 水 热 通 量 观 测 系 统 的 研 制 与 应 用 研 究 ” ( 编 号 : G Y H Y 2 0 0 7 0 6 0 4 6 ) ; 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 “ 基 于 地 表 温 度 ? 植 被 指 数 三 角 梯 形 特 征 空 间 的 区 域 蒸 散 发 遥 感 反 演 研 究 ” ( 编 号 : 4 0 8 7 1 1 6 9 ) 资 助 . 作 者 简 介 : 朱 治 林 ( 1 9 6 3 ? ) , 男 , 湖 北 荆 门 人 , 副 研 究 员 , 主 要 从 事 生 态 系 统 通 量 观 测 和 数 据 分 析 处 理 , 遥 感 尺 度 转 化 等 方 面 的 研 究 工 作 . E ? m a i l : z h u z l @ i g s n r r . a c . c n 通 讯 作 者 : 孙 晓 敏 ( 1 9 5 7 ? ) , 男 , 河 北 涉 县 人 , 研 究 员 , 主 要 从 事 水 热 碳 通 量 区 域 建 成 和 尺 度 转 化 方 面 研 究 . E ? m a i l : s u n x m @ i g s n r r . a c . c n ?1 2 0 0 地 球 科 学 进 展 第 2 5 卷 面 的 各 种 通 量 , 所 以 , 在 利 用 遥 感 模 型 和 数 据 进 行 反 高 出 地 面 的 高 度 , 大 气 温 度 尺 度 T 定 义 为 : ? 演 时 , 一 个 重 要 的 步 骤 是 要 对 扩 展 区 域 中 的 部 分 像 H T = - ( 3 ) ? C u ρ a p ? 元 ( 公 里 尺 度 ) 结 果 进 行 地 面 定 标 以 及 对 反 演 的 结 [ 4 ] L 为 莫 宁 ? 奥 布 霍 夫 长 度 , 计 算 公 式 为 : M O 果 进 行 验 证 。 2 u T 大 孔 径 闪 烁 仪 ( L A S ) 是 一 种 测 量 空 气 折 射 系 数 ? L = ( 4 ) M O g k T ? 的 湍 流 强 度 的 设 备 , 王 庭 义 于 1 9 7 8 年 提 出 设 想 , 后 [ 5 ] 上 两 式 中 , ρ 是 空 气 密 度 , C 为 常 压 下 的 空 气 a p 由 美 国 N O A A 波 传 播 实 验 室 开 发 研 制 成 功 。 该 比 热 ( 1 0 0 5 ( J / ( k g ? K ) ) , u 为 摩 擦 速 度 , k 是 卡 ? 仪 器 可 直 接 测 量 均 匀 或 非 均 匀 下 垫 面 上 像 元 尺 度 上 2 曼 常 数 ( 0 . 4 ) , g 是 重 力 加 速 度 ( 9 . 8 m / s ) 。 f 为 普 的 显 热 通 量 , 是 实 现 传 统 地 面 通 量 的 尺 度 扩 展 与 遥 适 函 数 , 在 不 稳 定 条 件 和 不 稳 定 条 件 下 , f 的 表 达 式 感 监 测 通 量 地 面 验 证 最 好 的 方 法 。 作 为 一 种 比 较 新 [ 1 0 ] 分 别 为 : 的 技 术 , 国 外 一 些 科 学 家 利 用 L A S 进 行 了 许 多 的 观 - 2 / 3 [ 6 ~ 1 0 ] Z - d Z - d 测 , 最 近 几 年 我 国 一 些 科 学 家 也 开 始 进 行 这 方 L A S L A S f ( ) = 4 . 9 ( 不 稳 定 层 结 ) 1 - 7 [ 1 1 ~ 1 4 ] [ 1 4 ] L L M O 面 的 观 测 研 究 , 卢 俐 等 还 对 L A S 在 国 内 外 M O 的 应 用 做 了 综 述 。 现 在 , 不 同 厂 家 研 制 生 产 的 仪 器 ( 5 ) Z - d 还 在 不 断 的 改 进 和 完 善 中 。 一 种 新 的 仪 器 在 正 式 使 Z - d L A S L A S - 2 / 3 f ( ) = 4 . 9 ( 稳 定 层 结 ) 1 + 2 . 2 ( ) L L 用 前 , 有 必 要 开 展 与 传 统 观 测 技 术 的 对 比 研 究 , 发 现 M O M O 它 在 使 用 过 程 中 可 能 存 在 的 问 题 , 特 别 是 由 于 环 境 ( 6 ) 影 响 而 产 生 的 不 确 定 性 。 本 文 利 用 在 中 国 科 学 院 禹 这 组 方 程 最 后 由 摩 擦 速 度 的 表 达 式 进 行 封 闭 城 综 合 试 验 站 内 用 大 孔 径 闪 烁 仪 ( L A S ) 和 涡 度 相 关 k u u = ? l n [ ( Z - d ) / z - ψ [ ( Z - d ) / L ] + ψ ( z / L ) ( E C ) 方 法 观 测 的 数 据 , 对 禹 城 农 田 上 用 L A S 测 量 u o m m u M O m o m M O 的 显 热 通 量 ( H ) 和 用 E C 方 法 在 观 测 的 显 热 通 量 ( 7 ) L A S ( H ) 结 果 进 行 了 比 较 分 析 , 主 要 目 的 是 比 较 两 者 式 中 : Z 为 风 速 测 量 高 度 , ψ 是 积 分 动 量 稳 定 性 函 E C u m [ 1 1 ] 之 间 的 变 化 趋 势 , 绝 对 误 差 和 相 对 误 差 的 大 小 , 分 析 数 , 在 不 稳 定 条 件 下 , ψ 定 义 为 : m 2 产 生 差 异 的 可 能 原 因 。 1 + x 1 + x ( Z / L ) = 2 l n ( ) + l n ( ) ψ m M O 2 2 2 测 量 原 理 和 方 法 - 2 a r c t a n ( x ) + π / 2 ( 8 ) - 1 / 4 这 里 , x = [ 1 - 1 6 ( Z / L ) ] 。 在 稳 定 条 件 下 , 定 ψ 2 . 1 大 孔 径 闪 烁 仪 的 原 理 和 通 量 计 算 方 法 m 义 为 : 闪 烁 仪 由 一 个 可 以 发 射 某 个 波 长 光 波 的 发 射 器 ψ ( Z / L ) = - 5 ( Z / L ) ( 9 ) 和 一 个 接 收 器 组 成 。 当 发 射 的 电 磁 波 在 扰 动 大 气 中 m M O M O 上 述 方 程 组 中 的 变 量 是 隐 函 数 , 不 能 直 接 求 解 , 沿 直 线 传 播 时 , 其 能 量 将 会 被 一 系 列 的 过 程 ( 最 重 2 根 据 C 数 据 , 平 均 风 速 u , 平 均 绝 对 温 度 , 估 计 的 Τ 要 的 过 程 是 空 气 折 射 指 数 的 波 动 ) 消 弱 , 从 而 使 得 T 粗 糙 度 z 和 零 平 面 位 移 高 度 d , 显 热 通 量 可 由 以 上 接 收 端 的 能 量 参 数 产 生 脉 动 。 闪 烁 仪 就 是 利 用 接 收 0 2 系 列 公 式 迭 代 计 算 得 到 。 信 号 的 闪 烁 来 测 得 空 气 折 射 指 数 的 结 构 参 数 C , 该 n 2 . 2 涡 度 相 关 显 热 通 量 的 测 量 和 计 算 参 数 受 大 气 温 度 ( T ) 、 绝 对 湿 度 ( Q ) 和 压 力 ( P ) 波 动 涡 度 相 关 技 术 在 最 近 2 0 年 内 得 到 了 快 速 发 展 的 影 响 。 在 假 定 温 湿 扰 动 完 全 相 关 的 情 况 下 , 温 度 2 2 [ 1 1 , 1 4 ] 和 广 泛 应 用 , 尽 管 该 方 法 也 有 许 多 限 制 条 件 和 不 确 结 构 参 数 C 与 C 之 间 存 在 如 下 关 系 : T n - 6 2 定 性 , 但 仍 然 被 认 为 是 最 好 的 测 量 地 ? 气 交 换 的 微 - 0 . 7 8 × 1 0 P 2 2 2 0 . 0 3 C ? ( ) C ( 1 ) 1 + n T 2 [ 2 , 3 ] T 气 象 方 法 。 目 前 在 全 球 有 几 百 个 站 点 都 在 用 涡 β 2 式 中 : 为 波 文 比 ( 显 热 与 潜 热 通 量 之 比 ) 。 一 旦 C 度 相 关 方 法 对 下 垫 面 的 热 量 、 水 分 和 C O 通 量 的 交 β T 2 [ 2 ] 已 知 , 就 可 以 利 用 莫 宁 ? 奥 布 霍 夫 相 似 关 系 导 出 显 换 进 行 观 测 研 究 。 用 涡 度 相 关 方 法 计 算 显 热 通 热 通 量 Η 。 量 的 公 式 为 : 2 2 / 3 C ( Z - d ) Z - d H = C w ′ t ′ ( 1 0 ) ρ T L A S L A S E C a p = f ( ) ( 2 ) T 2 L T M O 式 中 : w 是 垂 直 风 速 , t 是 温 度 , 上 撇 号 表 示 是 实 际 观 ? 这 里 , d 为 零 平 面 位 移 高 度 , Z 为 仪 器 ( 光 束 ) L A S 测 值 与 一 定 时 段 内 的 平 均 值 之 差 。 实 际 观 测 中 , 空1 2 0 1 第 1 1 期 朱 治 林 等 : 基 于 大 孔 径 闪 烁 仪 ( L A S ) 测 定 农 田 显 热 通 量 的 不 确 定 性 分 析 气 温 度 脉 动 是 用 超 声 风 速 仪 测 量 的 , 而 超 声 风 速 仪 h , z = 0 . 1 h ( h 为 作 物 高 度 ) 。 从 6 月 1 3 日 开 始 , 小 0 直 接 测 量 的 是 一 个 受 空 气 湿 度 影 响 的 温 度 , 所 以 必 麦 收 割 后 , 统 一 设 定 零 平 面 位 移 d = 0 . 0 5 m 。 所 有 [ 1 5 ] 须 对 所 计 算 的 通 量 进 行 湿 度 校 正 : 通 量 都 是 利 用 该 采 集 器 实 时 进 行 初 步 的 计 算 , 然 后 [ 3 ] w ′ t ′ = w ′ t ′ - 0 . 5 T w ′ q ′ ( 1 1 ) 在 后 期 进 行 必 要 的 校 正 。 c s 式 中 : w ′ t ′ 和 w ′ t ′ 分 别 为 校 正 前 和 校 正 后 的 温 度 与 s c 4 结 果 和 分 析 ? 垂 直 风 速 的 协 方 差 , w ′ q ′ 为 水 汽 通 量 , T 是 空 气 平 均 4 . 1 用 L A S 和 涡 度 相 关 方 法 测 量 的 感 热 通 量 的 初 温 度 ( K ) 。 为 了 得 到 更 加 精 确 的 显 热 通 量 , 用 上 述 步 比 较 公 式 计 算 的 结 果 进 行 了 一 系 列 的 校 正 。 本 研 究 中 , 在 用 W I N L A S 软 件 进 行 迭 代 计 算 时 , 由 于 软 件 用 超 声 风 速 仪 计 算 的 显 热 通 量 除 了 进 行 水 汽 校 正 [ 3 , 1 6 ] 本 身 无 法 预 先 判 断 大 气 是 处 于 稳 定 还 是 非 稳 定 状 外 , 还 进 行 了 2 次 坐 标 旋 转 校 正 和 频 谱 校 正 。 态 , 所 以 计 算 的 H 有 2 组 结 果 ( 分 别 假 定 大 气 在 稳 L A S 3 实 验 场 地 、 仪 器 安 装 和 数 据 采 集 定 和 不 稳 定 情 况 下 ) 。 为 了 比 较 用 2 种 方 法 得 到 的 结 果 , 首 先 要 对 用 L A S 观 测 的 结 果 进 行 大 气 的 稳 定 观 测 是 在 位 于 山 东 省 的 中 国 科 学 院 禹 城 综 合 试 度 进 行 判 断 。 在 此 , 我 们 采 用 H 的 结 果 ( 正 数 或 者 验 站 ( 3 6 ? 5 0 ′ N , 1 1 6 ? 3 4 ′ E , 2 3 . 4 m ) 进 行 的 , 下 垫 面 地 E C [ 1 0 , 1 7 ] 势 平 坦 , 主 要 组 成 是 农 田 , 其 间 还 有 田 间 道 路 、 防 护 负 数 ) 来 作 为 判 断 大 气 稳 定 度 的 标 准 , 这 样 就 保 证 了 2 种 结 果 之 间 不 会 出 现 有 符 号 相 反 的 数 。 林 等 。 本 文 分 析 的 L A S 观 测 数 据 时 段 为 2 0 0 9 年 4 月 2 2 日 至 6 月 2 7 日 。 6 月 7 日 之 前 , 农 田 种 植 的 是 图 1 是 用 2 种 方 法 得 到 的 显 热 通 量 在 2 个 典 型 小 麦 , 小 麦 收 割 后 主 要 作 物 是 玉 米 。 下 垫 面 状 况 下 的 日 变 化 情 况 。 图 1 a 是 在 小 麦 生 长 大 孔 径 闪 烁 仪 是 由 荷 兰 K i p p & Z o n e r 公 司 生 产 中 期 ( 5 月 6 日 ) 的 情 况 , 图 1 b 是 在 小 麦 收 割 后 玉 米 的 L A S , 该 仪 器 发 射 器 的 波 长 为 8 8 0 n m , 仪 器 发 射 刚 出 苗 不 久 ( 6 月 2 4 日 ) 的 情 况 。 从 图 1 中 可 以 看 端 和 接 收 端 离 地 高 度 为 8 . 8 m , 两 者 之 间 的 水 平 距 出 , 2 种 方 法 得 到 显 热 通 量 的 日 变 化 , 无 论 白 天 还 是 离 为 1 2 4 0 m , 总 体 方 向 是 南 北 向 。 涡 度 相 关 系 统 的 夜 间 , 总 的 趋 势 还 是 很 一 致 的 , 特 别 是 在 显 热 通 量 比 仪 器 位 于 发 射 仪 和 接 收 仪 之 间 的 农 田 , 距 离 发 射 端 较 大 的 玉 米 生 长 初 期 。 另 外 , 有 些 研 究 者 认 为 , L A S 约 3 0 0 m 。 与 本 研 究 相 关 的 主 要 仪 器 包 括 超 声 温 度 在 大 气 处 于 稳 定 层 结 下 ( 一 般 是 夜 间 ) 是 不 能 应 用 [ 1 1 ] 风 速 仪 ( C S A T 3 , C a m p b e l l S c i e n t i f i c L t d , U S A ) 和 L i ? 的 , 但 根 据 我 们 的 观 测 结 果 , L A S 在 大 气 稳 定 层 7 5 0 0 C O / H O 红 外 分 析 仪 ( L I ? C O R B i o s c i e n c e s , 结 下 也 可 以 得 到 比 较 好 的 结 果 ( 图 1 ) 。 例 如 在 图 2 2 L i n c o l n , U S A ) ; C N R ? 1 四 分 量 辐 射 观 测 仪 1 a 中 , 根 据 涡 度 相 关 的 测 量 , 1 4 : 0 0 左 右 就 开 始 出 现 ( K i p p & Z o n e n , T h e N e t h e r l a n d s ) , 温 湿 度 ( H M P 4 5 C , 向 下 的 显 热 通 量 , 大 气 表 现 为 稳 定 状 态 ( 由 暖 平 流 V a i s a l a , H e l s i n k i , F i n l a n d ) 和 风 速 ( A 1 0 0 R , V e c t o r 引 起 ) , 在 1 6 : 0 0 ~ 1 8 : 0 0 点 间 向 下 的 显 热 通 量 达 到 I n s t r u m e n t s , D e n b i g h s h i r e , U K ) 的 梯 度 , 主 要 仪 器 的 最 低 , 随 后 又 有 一 个 回 升 的 过 程 ( 向 下 的 显 热 通 量 安 装 高 度 约 为 2 m 。 减 弱 ) , 并 在 2 1 : 0 0 左 右 达 到 夜 间 的 显 热 通 量 高 峰 , L A S 的 输 出 结 果 是 用 C R 1 0 0 0 ( C a m p b e l l S c i e n ? 显 热 通 量 接 近 于 零 。 在 这 期 间 , H 也 出 现 了 和 H L A S E C t i f i c L t d , U S A ) 数 据 采 集 器 采 集 的 , 每 2 s 自 动 测 量 几 乎 一 致 的 变 化 , 相 似 的 变 化 在 其 他 时 段 也 可 以 从 并 采 集 一 组 数 据 , 每 1 0 m i n 输 出 一 组 所 有 测 量 值 的 图 1 中 看 到 。 虽 然 在 夜 间 H 也 呈 现 与 H 相 似 的 L A S E C 均 值 及 其 标 准 偏 差 等 统 计 结 果 , 然 后 用 K i p p & Z o n e n 变 化 , 但 由 于 L A S 计 算 的 理 论 依 据 是 相 似 理 论 , 所 公 司 所 提 供 的 软 件 W I N L A S 计 算 显 热 通 量 和 其 他 结 以 在 夜 间 的 弱 湍 流 状 况 下 , 用 L A S 得 到 显 热 通 量 结 果 。 计 算 过 程 中 涉 及 到 的 一 些 基 本 气 象 数 据 如 温 湿 果 是 不 可 靠 的 。 度 、 风 速 、 气 压 、 波 文 比 等 均 来 源 于 中 国 通 量 网 的 观 虽 然 变 化 趋 势 是 基 本 一 致 的 , 但 两 者 之 间 的 结 测 数 据 , 包 括 微 气 象 数 据 和 用 涡 度 相 关 系 统 ( 采 样 果 还 是 存 在 一 定 的 差 异 , 而 导 致 这 一 差 异 原 因 是 复 频 率 是 1 0 H z , 平 均 时 间 是 3 0 m i n ) 测 量 的 通 量 数 杂 的 , 也 是 本 文 重 点 讨 论 的 问 题 。 为 了 更 加 全 面 地 据 , 由 于 该 数 据 是 3 0 m i n 的 平 均 结 果 , 为 了 和 L A S 反 映 整 个 观 测 期 间 的 结 果 , 我 们 分 别 按 照 不 同 时 期 的 1 0 m i n 结 果 相 配 合 , 我 们 将 这 些 结 果 进 行 线 性 内 绘 制 了 散 点 图 并 分 别 计 算 了 两 者 之 间 的 相 关 关 系 插 得 到 1 0 m i n 的 结 果 。 计 算 过 程 需 要 的 零 平 面 位 ( 图 2 ) 。 从 图 2 a 可 以 看 出 , 在 小 麦 生 长 期 间 , 白 天 移 ( d ) 和 粗 糙 度 长 度 ( z ) 取 经 验 常 数 。 其 中 d = 0 . 5 显 热 通 量 不 是 很 大 , 日 最 大 值 一 般 都 小 于 1 0 0 W / 01 2 0 2 地 球 科 学 进 展 第 2 5 卷 图 1 典 型 天 气 条 件 下 用 L A S 和 涡 度 相 关 方 法 观 测 的 显 热 通 量 日 变 化 比 较 . F i g . 1 C o m p a r i s o n o f d i u r n a l c h a n g e s o f s e n s i b l e h e a t f l u x e s m e a s u r e d b y L A S a n d E C m e t h o d s i n t y p i c a l w e a t h e r c o n d i t i o n a . 小 麦 生 长 期 ( 5 月 6 日 ) ; b . 玉 米 生 长 初 期 或 裸 地 ( 6 月 2 4 日 ) 图 2 用 L A S 和 涡 度 相 关 方 法 观 测 的 显 热 通 量 的 比 较 a . w h e a t g r o w i n g p h a s e ( 6 M a y , 2 0 0 9 ) ; b . c o r n s e e d l i n g F i g . 2 S c a t t e r p l o t o f a l l s e n s i b l e h e a t f l u x e s m e a s u r e d p h a s e ( 2 3 J u n e , 2 0 0 9 ) b y L A S a n d E C m e t h o d s d u r i n g a . 小 麦 生 长 期 4 月 2 2 日 至 6 月 5 日 ; b . 裸 地 或 玉 米 生 长 初 期 6 月 6 日 至 6 月 2 8 日 2 m , 而 夜 间 向 下 的 通 量 相 对 比 较 大 , 绝 对 值 基 本 上 a . w h e a t p h a s e ( 2 2 A p r i l ? 5 J u n e ) a n d b . c o r n s e e d l i n g 和 白 天 在 一 个 数 量 级 上 。 根 据 两 者 之 间 的 线 性 回 归 p h a s e ( 6 J u n e ? 2 8 J u n e ) 计 算 的 结 果 , 总 体 上 看 , H 的 绝 对 值 比 H 要 高 L A S E C 2 1 0 % 左 右 , 并 且 两 者 之 间 的 数 据 相 对 比 较 离 散 ( R 2 = 0 . 6 7 8 6 ) , 特 别 是 当 显 热 通 量 处 于 ? 3 0 W / m , 两 者 之 间 更 加 离 散 。 而 在 裸 地 和 玉 米 生 长 初 期 , 虽 然 H 比 H 要 小 2 0 % 左 右 ( 图 2 b ) , 但 两 者 之 间 的 线 L A S E C 2 性 关 系 很 好 ( R = 0 . 9 5 0 6 ) , 两 者 之 间 可 能 存 在 一 定 的 系 统 偏 差 。 为 了 更 好 地 研 究 两 者 之 间 特 别 是 白 天 的 差 异 或 不 确 定 性 , 我 们 分 别 计 算 了 两 者 之 间 的 绝 对 误 差 图 3 用 L A S 和 涡 度 相 关 方 法 观 测 的 白 天 显 热 通 量 ( H - H ) 和 相 对 误 差 ( 绝 对 误 差 与 H 之 比 ) 。 L A S E C E C 绝 对 误 差 的 时 间 序 列 变 化 图 3 是 2 种 方 法 测 定 的 显 热 通 量 的 绝 对 误 差 在 2 个 F i g . 3 T i m e s e r i e s c h a n g e s o f a b s o l u t e d i f f e r e n c e s 月 的 变 化 情 况 ( 仅 选 择 显 热 通 量 为 正 的 情 况 ) , 从 图 o f t w o s e n s i b l e h e a t f l u x e s m e a s u r e d b y L A S a n d 3 可 以 看 出 , 在 4 ~ 5 月 ( 小 麦 生 长 期 ) , 绝 对 误 差 表 E C m e t h o d s r e s p e c t i v e l y 现 为 正 差 值 , 而 在 后 期 为 负 差 值 , 两 者 之 间 的 绝 对 误 2 2 差 一 般 都 在 ? 5 0 W / m 范 围 内 。 图 4 是 两 者 之 间 的 当 显 热 通 量 绝 对 值 较 小 时 ( 例 如 H < ? 5 0 W / m ) , 相 对 误 差 随 着 显 热 通 量 ( H ) 的 变 化 。 可 以 看 出 , 两 者 之 间 的 相 对 误 差 的 变 化 ( 不 确 定 性 ) 非 常 大 , 并 E C1 2 0 3 第 1 1 期 朱 治 林 等 : 基 于 大 孔 径 闪 烁 仪 ( L A S ) 测 定 农 田 显 热 通 量 的 不 确 定 性 分 析 且 主 要 表 现 为 H 大 于 H , 我 们 认 为 主 要 归 因 于 2 化 趋 势 有 很 大 的 正 相 关 性 , 风 速 大 比 值 就 高 而 与 空 气 L A S E C 种 方 法 的 精 度 问 题 , 即 随 机 误 差 。 随 着 H 的 变 大 , 水 汽 含 量 之 间 不 存 在 相 关 关 系 。 图 6 是 在 小 麦 生 长 相 对 误 差 就 越 来 越 小 , 并 且 趋 向 某 一 个 值 ( 负 值 ) , 期 间 观 测 的 比 值 与 风 速 之 间 的 关 系 , 虽 然 两 者 的 相 关 虽 然 在 该 研 究 中 用 L A S 观 测 的 显 热 通 量 比 涡 度 相 系 数 比 较 小 , 但 变 化 趋 势 是 比 较 明 显 存 在 的 。 关 的 结 果 偏 小 , 但 由 于 两 者 所 受 通 量 贡 献 源 区 大 小 和 涡 度 相 关 能 量 闭 合 率 等 因 素 影 响 , 所 以 , L A S 的 测 量 结 果 偏 小 是 否 具 有 普 遍 性 尚 待 研 究 。 4 . 2 误 差 和 不 确 定 性 分 析 要 分 析 产 生 以 上 差 别 的 原 因 , 必 须 从 观 测 场 地 情 况 和 计 算 方 法 中 所 涉 及 到 的 变 量 参 数 的 不 确 定 性 着 手 。 根 据 L A S 计 算 显 热 通 量 的 公 式 ( 3 ) 可 知 , 显 热 通 量 受 2 个 变 量 ( 即 温 度 尺 度 T 和 摩 擦 风 速 u ) ? ? 的 影 响 , 而 影 响 这 2 个 变 量 的 主 要 因 子 就 是 产 生 差 图 4 用 2 种 方 法 观 测 显 热 通 量 的 相 对 误 差 随 涡 度 别 的 主 要 原 因 。 可 以 归 纳 为 以 下 几 个 方 面 : 观 测 ? 相 关 显 热 通 量 的 变 化 场 地 的 非 均 匀 性 和 受 影 响 的 范 围 不 一 样 , 特 别 是 可 F i g . 4 T h e c h a n g e s o f r e l a t i v e e r r o r o f t h e t w o f l u x e s 能 受 风 速 风 向 的 影 响 ; ? 涡 度 相 关 系 统 仪 器 和 方 法 w i t h s e n s i b l e h e a t f l u x m e a s u r e d b y E C m e t h o d 的 精 度 或 者 不 确 定 性 及 其 对 波 文 比 的 影 响 ; ? 在 计 算 过 程 中 , 部 分 参 数 ( 如 波 文 比 、 零 平 面 位 移 、 粗 糙 度 等 ) 的 取 值 不 合 适 。 现 逐 一 分 析 这 些 因 子 对 结 果 的 影 响 。 4 . 2 . 1 观 测 场 地 和 气 象 要 素 对 比 较 结 果 的 影 响 分 析 用 涡 度 相 关 方 法 验 证 L A S 的 测 量 精 度 和 估 算 其 不 确 定 性 , 实 验 应 该 是 在 面 积 足 够 大 并 且 平 坦 均 匀 的 下 垫 面 进 行 。 然 而 , 实 际 情 况 一 般 很 难 满 足 理 想 的 要 求 。 在 本 研 究 中 , 虽 然 观 测 地 面 是 平 坦 的 , 但 下 垫 面 状 况 并 非 非 常 均 匀 , 主 要 表 现 为 影 响 L A S 的 图 5 在 低 显 热 通 量 情 况 下 , 白 天 的 H 与 H L A S E C 观 测 区 域 有 防 风 林 、 道 路 和 不 同 的 作 物 , 使 得 下 垫 面 之 比 随 风 速 和 水 汽 密 度 的 变 化 ( 2 0 0 9 年 4 月 2 6 日 ~ 3 0 日 ) 的 植 被 高 度 和 密 度 存 在 一 些 无 法 定 量 描 述 的 差 异 , F i g . 5 T h e c h a n g e s o f t w o f l u x e s r a t i o ( H / H ) L A S E C 这 就 造 就 了 地 表 粗 糙 度 在 L A S 观 测 线 上 的 非 均 匀 w i t h w i n d s p e e d a n d a i r w a t e r d e n s i t y d u r i n g d a y t i m e 性 。 涡 度 相 关 系 统 的 观 测 高 度 为 2 m 左 右 , 影 响 其 i n w e a k s e n s i b l e h e a t e x c h a n g e c o n d i t i o n 测 量 结 果 的 通 量 贡 献 区 ( f o o t p r i n t ) 一 般 在 上 风 方 向 周 围 1 0 0 ~ 2 0 0 m 的 范 围 。 而 L A S 的 观 测 距 离 为 4 . 2 . 2 涡 度 相 关 方 法 的 不 确 定 性 对 波 文 比 和 T 的 ? 1 2 4 0 m , 影 响 它 的 范 围 就 比 涡 度 相 关 要 大 且 复 杂 得 影 响 多 。 由 于 场 地 的 非 均 匀 性 , 2 种 方 法 的 通 量 贡 献 区 虽 然 涡 度 相 关 方 法 是 目 前 最 好 的 测 量 地 ? 气 交 [ 1 8 ] 是 不 完 全 一 样 的 , 所 以 , 2 种 通 量 的 结 果 必 然 产 生 一 换 的 方 法 , 但 仍 然 存 在 一 定 的 误 差 和 不 确 定 性 。 定 的 偏 差 。 能 量 平 衡 比 率 , 即 由 涡 度 相 关 系 统 测 量 的 显 热 通 量 气 象 和 环 境 因 子 也 可 能 直 接 或 间 接 影 响 L A S 和 潜 热 通 量 之 和 与 有 效 能 量 之 比 ( H + L E ) / ( R - n 通 量 结 果 。 我 们 分 析 用 2 种 方 法 得 到 的 显 热 通 量 比 G ) , 它 是 判 断 涡 度 相 关 系 统 可 靠 性 的 一 个 重 要 指 值 ( H / H ) 和 其 他 气 象 条 件 ( 包 括 温 度 , 湿 度 等 ) [ 1 9 ] L A S E C 标 。 根 据 统 计 计 算 , 禹 城 在 L A S 观 测 期 间 的 平 均 的 关 系 发 现 , 在 小 麦 生 长 期 间 显 热 通 量 比 较 弱 ( 例 能 量 闭 合 比 率 为 0 . 7 7 , H 可 能 存 在 偏 低 的 现 象 ( 无 E C 2 如 小 于 5 0 W / m ) , 风 速 与 比 值 的 关 系 存 在 明 显 的 法 证 明 显 热 通 量 和 潜 热 通 量 各 偏 低 多 少 ) 。 如 果 该 相 关 性 , 而 与 其 他 气 象 要 素 关 系 不 大 。 图 5 是 2 种 结 论 成 立 , 2 种 方 法 得 到 的 结 果 在 小 麦 观 测 期 间 的 显 热 通 量 的 比 值 与 风 速 和 水 汽 含 量 在 4 个 白 天 ( 4 偏 差 会 减 少 , 而 在 玉 米 生 长 期 观 测 的 结 果 就 更 加 偏 月 2 6 ~ 2 9 日 ) 的 变 化 图 , 我 们 发 现 , 风 速 与 比 值 的 变 低 , 这 种 过 大 的 偏 差 说 明 可 能 在 计 算 玉 米 生 长 期 间1 2 0 4 地 球 科 学 进 展 第 2 5 卷 的 H 时 所 选 取 的 参 数 不 合 适 。 充 分 的 情 况 下 。 图 7 是 显 热 通 量 的 校 正 系 数 ( 定 义 L A S 涡 度 相 关 系 统 的 不 确 定 性 特 别 影 响 当 大 气 处 于 为 考 虑 了 水 汽 影 响 的 显 热 通 量 和 未 考 虑 水 汽 影 响 的 准 中 性 条 件 下 的 相 对 误 差 , 这 也 是 导 致 在 弱 显 热 通 显 热 通 量 之 比 ) 随 波 文 比 的 变 化 。 从 图 7 可 以 看 量 的 情 况 下 相 对 误 差 很 大 的 主 要 原 因 。 对 于 典 型 的 出 , 随 着 波 文 比 的 逐 步 变 大 , 其 校 正 系 数 越 来 越 趋 向 晴 天 , 低 显 热 通 量 一 般 出 现 在 日 出 日 落 前 后 , 此 时 大 于 1 。 特 别 是 当 波 文 比 大 于 1 以 后 , 校 正 系 数 对 波 气 稳 定 度 处 于 准 中 性 状 态 , 显 热 通 量 微 弱 并 且 方 向 文 比 不 敏 感 。 但 当 下 垫 面 的 蒸 发 比 较 强 烈 时 , 波 文 不 稳 定 , 而 用 L A S 软 件 无 法 判 断 大 气 稳 定 或 者 不 稳 比 就 会 变 的 很 小 , 例 如 当 波 文 比 小 于 0 . 5 以 后 , 校 正 定 , 从 而 得 到 2 种 可 能 的 结 果 。 所 以 , 在 准 中 性 层 结 系 数 对 波 文 比 的 变 化 非 常 敏 感 。 图 8 是 在 L A S 观 条 件 下 , 即 使 实 际 的 显 热 通 量 方 向 没 有 变 化 , 但 由 于 测 期 间 波 文 比 在 白 天 的 变 化 情 况 , 可 以 看 到 , 在 小 麦 H 的 误 差 可 能 导 致 显 热 通 量 的 方 向 发 生 改 变 , 从 而 生 长 期 间 ( 约 6 月 7 日 前 ) , 大 部 分 时 间 波 文 比 小 于 E C 导 致 H 也 变 得 不 稳 定 。 例 如 , 在 5 月 6 日 上 午 ( 参 0 . 5 , 特 别 是 在 前 期 , 波 文 比 更 小 , 这 就 可 能 造 成 L A S L A S 看 图 1 a ) , 大 部 分 时 间 H 均 为 小 的 正 值 , 但 8 : 3 0 的 在 该 时 段 观 测 存 在 大 的 不 确 定 性 。 而 在 麦 收 后 和 玉 E C H 为 很 小 的 负 值 , 导 致 H 也 必 须 取 负 值 , 使 得 米 生 长 初 期 , 由 于 没 有 或 者 很 少 的 作 物 蒸 腾 , 显 热 通 E C L A S H 出 现 一 个 大 的 波 动 。 同 样 , 在 1 3 : 3 0 左 右 , 也 是 量 和 潜 热 通 量 在 同 一 个 量 级 , 波 文 比 也 明 显 变 大 , 此 L A S 显 热 通 量 由 正 转 负 的 时 间 , 我 们 看 到 H 出 现 一 个 时 涡 度 相 关 的 观 测 误 差 或 不 确 定 性 对 L A S 的 影 响 L A S 明 显 的 变 化 , 但 H 的 变 化 就 相 对 平 稳 。 由 于 测 量 就 小 多 了 , 导 致 H 比 H 小 的 主 要 原 因 就 可 能 是 E C L A S E C 误 差 和 绝 对 值 处 于 同 样 的 量 级 , 所 以 也 造 成 其 结 果 其 他 变 量 和 参 数 的 不 确 定 性 。 ( 比 值 ) 非 常 不 稳 定 。 图 7 波 文 比 对 L A S 显 热 通 量 的 校 正 系 数 随 波 文 比 的 理 论 变 化 F i g . 7 T h e o r e t i c a l v a r i a t i o n c u r v e o f c o r r e c t i o n f o r 图 6 小 麦 生 长 期 间 ( 低