机载涡动相关区域湍流水热通量观测方法研究

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1、摘要摘要地-气间水热通量的直接观测是准确获取地表与大气之间物质与能量交换的关键，其中区域尺度的地表水热通量观测更是当前的研究重点与难点所在。地面塔基涡动相关湍流通量观测虽然能够以较高的精度对地-气间的水热通量交换进行长期地、连续地直接观测，但其观测结果只能代表通量塔周围数百米的空间范围。光闪烁仪法虽然能够提供较大空间范围的通量观测，但其观测的空间覆盖密度较低，难以提供足够范围的区域通量观测真值。机载涡动相关湍流通量观测技术可以在区域尺度上对地表湍流通量进行直接观测，近年来受到越来越多的关注，其观测结果的可靠性已

2、得到了广泛的认可，然而相关的研究在我国仍处于空白阶段。本文首先针对机载涡动相关湍流通量观测技术进行深入研究，结合目前成熟的机载通量观测平台SkyArrow650ERA对机载湍流通量观测系统的组成和观测的基本原理以及系统检校和数据处理方法等进行了详细地阐述。其次，本文以在荷兰2008年开展的机载湍流通量观测实验期间搜集的数据为基础，针对目前机载涡动相关湍流通量观测数据处理获取水热通量的方法中存在的一些不足进行深入的分析，并提出解决不足和改进机载湍流通量观测技术的方案或方法。本文的主要研究内容及结论如下：1、机载涡

3、动相关方法可以快速地获取沿观测航线的瞬时湍流通量信息。对于机载湍流通量计算而言，平均长度（窗口长度）的选择是影响湍流通量计算结果的可靠性及相应物理意义的一个重要方面。为准确地获取湍流水热通量观测结果，本章针对近中性到不稳定的大气条件，给出了计算“局地”意义的湍流水热通量最适窗口长度范围，使得计算的湍流水热通量能较好地代表其空间代表区内湍流通量混合的均值，降低异质性湍流（中尺度湍流）的影响。本研究基于大量的机载通量观测数据，首先采用Ogive分析方法获取从近中性至不稳定大气条件下可能的窗口长度范围，然后结合湍流通

4、量计算的不确定分析，最终确定了近中性到不稳定大气条件下的计算“局地”意义湍流通量最适的窗口长度范围。结果表明，大气稳定度条件对窗口长度的选择具有显著影响：1）在近中性条件下，局地湍流混合不充分，“局地”意义的湍流通量非常容易受到中尺度湍流的影响，I机载涡动相关区域湍流水热通量观测方法研究采用较短的窗口长度可有效去除中尺度湍流的影响。本文发现最适窗口长度在2000m到2500m的范围内，可以有效地去除中尺度湍流的影响并保证湍流水热通量的计算具有可靠的精度；2）在一般不稳定条件下，地表湍流混合充分，局地湍涡的典型长

5、度尺度相对较长，中尺度湍流对“局地”意义的湍流通量影响较小，本研究发现最适窗口长度在3900m到5000m之间的范围；3）在强不稳定的条件下，由大尺度的湍涡主导着能量的传输，需要更长的窗口长度以便包含进行主要能量传输的大型湍涡，使得湍流水热通量计算的结果达到一个相对稳定并且可靠的精度，本研究发现其最适宜的窗口长度在4500m到5000m之间。2、为准确获取在观测中对湍流通量有重要影响的下垫面信息，针对机载湍流通量观测特点，本文提出了一种考虑地表异质性对机载湍流通量的足迹分析方法。传统的机载湍流通量观测的足迹分析

6、常以均匀地表假设为前提，忽略了地表异质性对湍流通量计算的影响。本文采用了参数化的二维拉格朗日足迹模型，针对每个湍流通量的计算窗口，将计算窗口划分为若干子窗口，计算每个子窗口的子足迹。采用子足迹的方式将地表异质性的影响引入到足迹分析中，然后对子足迹进行融合并对足迹权重进行标准化，获得了能够反映地表异质性的足迹结果。此外，本文也给出了基于均匀地表假设的足迹分析方式。通过两种足迹分析方法的对比，结果表明：本文提出的考虑地表异质性的机载湍流通量足迹分析方法能够反映出地表异质性带来的地表通量贡献空间分布的不均匀性，而均匀

7、地表假设的足迹分析方法往往会忽略某些特殊地类的通量贡献。3、为将沿航线观测的湍流通量信息扩展到整个研究区域，获取区域上分布式的地表水热通量值，本文提出了采用人工神经网络（ANN）模型，结合均匀地表假设的足迹分析方法，对机载湍流通量观测结果进行空间升尺度，构建区域上地表连续的水热通量序列数据。为了对复杂的地表通量环境进行建模，本文采用了ANN模型来学习湍流水热通量与不同地表以及大气驱动因子之间的非线性关系。以荷兰2008年8月进行的飞行观测作为数据基础，地表参数采用了MODIS的地表温度（LST）以及增强型植被指

8、数（EVI）数据，并考虑了其它对湍流通量有影响的地表参数（如地表反照率albedo和地形DEM等）。然后结合观测期间的多种大气参数，在基于互信息的输入变量选择的基础上分别建立并训练了感2热和潜热通量的ANN模型。在对模型的可靠性进行验证后（感热通量：R=0.8，222RMSE=16.6W/m；潜热通量：R=0.75，RMSE=42.7W/m），本文选择了荷兰中II摘要部和西部两个区域的