系列推薦

雙波長(zhǎng)閃爍儀系統(tǒng)

(Optical-Microwave System, OMS)

研究進(jìn)展及估算內(nèi)陸水體應(yīng)用案列

作者：應(yīng)用工程師 吳森

● OMS系統(tǒng)測(cè)算大尺度蒸散發(fā)的基本計(jì)算原理及相關(guān)研究進(jìn)展

蒸散(Evapotranspiration) 是全 球水循環(huán)的重要組成部分。在全 球氣候變化的背景下，氣溫、降水均發(fā)生了顯著的變化，水循環(huán)的加速導(dǎo)致區(qū)域水資源分布不均勻的現(xiàn)象更為嚴(yán)重。因此，蒸散的觀測(cè)已成為氣象學(xué)、水文學(xué)、地理學(xué)及生態(tài)學(xué)等相關(guān)學(xué)科共同關(guān)注的熱點(diǎn)主題。深入了解蒸散過(guò)程對(duì)天氣預(yù)報(bào)、干旱監(jiān)測(cè)、區(qū)域水資源管理及全 球變化等研究具有重要意義。

蒸散過(guò)程復(fù)雜，涉及范圍廣，包括中小尺度(幾百米范圍)和區(qū)域尺度(公里范圍)，其中以波文比-能量平衡法(BREB)、梯度迭代法、空氣動(dòng)力學(xué)方法、渦度相關(guān)法(Eddy Covariance；EC)以及蒸滲儀等計(jì)算、觀測(cè)方法為主的中小尺度的蒸散觀測(cè)成果豐碩，并且EC因其優(yōu)良快速的測(cè)量結(jié)果常被當(dāng)作通量的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。由于全 球變化和流域水文研究的需要，區(qū)域尺度的蒸散研究越來(lái)越受到重視。區(qū)域蒸散過(guò)程影響機(jī)制較多，觀測(cè)結(jié)果并不理想。若將中小尺度的單點(diǎn)式測(cè)量結(jié)果推廣到區(qū)域尺度，必須考慮下墊面的不均勻性，如植被的覆蓋率、地形的起伏程度等，同時(shí)還需考慮大氣狀態(tài)的平穩(wěn)性、湍流的發(fā)展以及局地微氣象條件的差異，因此要獲得區(qū)域面積平均蒸散需建立觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。利用遙感信息估算大尺度地表蒸散，即遙感模型法，成為近幾年觀測(cè)區(qū)域蒸散的有效技術(shù)之一，但該技術(shù)通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)區(qū)域蒸散進(jìn)行估算。由于對(duì)蒸散涉及的許多物理過(guò)程中可利用的要素進(jìn)行參數(shù)化的方法不是十分成熟，同時(shí)因?yàn)橄聣|面的非均勻性、遙感模型在不同區(qū)域的適用性不同、遙感反演地表參數(shù)存在不確定性等客觀因素的存在，遙感模型結(jié)果必須結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證改進(jìn)，模型參數(shù)也應(yīng)結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。如何獲得與遙感尺度相應(yīng)的地面蒸散實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成為模型驗(yàn)證的前提和重 點(diǎn)，也是遙感水文監(jiān)測(cè)的技術(shù)瓶頸。上世紀(jì)七十年代發(fā)展的基于湍流大氣光傳播理論與相似理論(Monin-Obukhov Similarity Theory，MOST)相結(jié)合光閃爍方法(Scintillometer Method)為上述問(wèn)題的解決提供了新的解決思路帶來(lái)了希望。

1978年Wang T提出了利用光閃爍法測(cè)量通量的假設(shè)，美國(guó)NOAA波傳播實(shí)驗(yàn)室將此假設(shè)變成了可能[8-9]。隨后的幾十年間，基于近紅外光、微波、可見(jiàn)光的各種光閃爍方法測(cè)量通量的儀器迅速發(fā)展，并于九十年代中后期開(kāi)始用于實(shí)際觀測(cè)研究。光閃爍方法主要分為“單波長(zhǎng)方法”和“雙波長(zhǎng)方法”。單波長(zhǎng)方法是基于近紅外方式(0.67~0.94μm)的光閃爍儀器，此類儀器主要包括小孔徑閃爍儀(Small Aperture Scintillometer， SAS)、大孔徑閃爍儀(Large Aperture Scintillometer， LAS)和超大孔徑閃爍儀(Extra Large Aperture Scintillometer， XLAS)，其中SAS測(cè)量距離僅為200~250 m，XLAS的測(cè)量距離可達(dá)10 km，目前光閃爍方法的應(yīng)用以LAS為主。與單波長(zhǎng)方法不同，雙波長(zhǎng)方法是通過(guò)紅外-微波聯(lián)合系統(tǒng)(Optical-Microwave System， OMS)工作，該聯(lián)合系統(tǒng)包括近紅外閃爍儀和微波閃爍儀(Microwave System，MWS)。2000年，中荷合作項(xiàng)目“中國(guó)能量與水平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEWBMS)”S次引進(jìn)LAS以來(lái)，先后在黃河流域、黑河流域、海河流域、黃土高原、青藏高原等地方展開(kāi)了針對(duì)LAS的專門(mén)研究，并成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的閃爍儀[8-9]。光閃爍方法可以測(cè)量區(qū)域范圍內(nèi)的平均通量，既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀測(cè)方法空間代表性不足的問(wèn)題，同時(shí)也與遙感的象元尺度匹配度高，較好地驗(yàn)證了遙感模型的反演結(jié)果[10-11]。因此光閃爍法在短短幾十年間得到了迅速發(fā)展，并表現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，成為區(qū)域通量研究領(lǐng)域的重要方法，其不僅實(shí)現(xiàn)了區(qū)域通量的連續(xù)觀測(cè)，同時(shí)也驗(yàn)證了遙感反演結(jié)果，改善了遙感模型參數(shù)，為區(qū)域尺度上的水資源管理做出來(lái)重要貢獻(xiàn)，但光閃爍方法還存在如信號(hào)飽和、相似函數(shù)選擇等不確定性，還有待進(jìn)一步研究。

1. 光閃爍方法原理及計(jì)算過(guò)程

光在湍流大氣中傳播，由于空氣溫度、濕度和壓強(qiáng)的波動(dòng)導(dǎo)致大氣折射率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光束的頻率、振幅、強(qiáng)度等出現(xiàn)了無(wú)規(guī)則的變化，產(chǎn)生了所謂的“光閃爍”現(xiàn)象。光閃爍方法就是根據(jù)接收光強(qiáng)變化的信號(hào)來(lái)來(lái)測(cè)定空氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)（）。（）受空氣的溫度(T)、濕度(q)以及氣壓(P)的波動(dòng)而發(fā)生變化，因此可用溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)（）、濕度結(jié)構(gòu)參數(shù)（）和溫度與濕度的協(xié)方差項(xiàng)（）表示。在近紅外方式工作時(shí)，T的波動(dòng)對(duì)（）的影響Z 大，為了便于計(jì)算，假設(shè)溫度和濕度的相關(guān)系數(shù)為1，并引入表示波文比系數(shù)(β)進(jìn)行簡(jiǎn)化。在紅外-微波雙波長(zhǎng)工作方式下，不僅需要計(jì)算近紅外波段的（,LAS），同時(shí)還需計(jì)算微波波段的（,MWS）。

2. 光閃爍方法蒸散觀測(cè)的研究進(jìn)展

單波長(zhǎng)方法:

以近紅外方式工作的單波長(zhǎng)光閃爍方法通常以波長(zhǎng)為880nm或940nm的LAS為主要觀測(cè)儀器。該方法發(fā)展初期，在平坦下墊面條件下對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)研究，并與EC測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：LAS的測(cè)量結(jié)果與EC相比具有較好的1:1關(guān)系[12-16]。國(guó)內(nèi)在2000年S次引進(jìn)LAS以來(lái)，結(jié)合相關(guān)氣象資料，分別對(duì)樂(lè)至、乾安、鄭州等地區(qū)初步進(jìn)行水熱通量的研究對(duì)比，結(jié)果認(rèn)為L(zhǎng)AS測(cè)量的顯熱通量與當(dāng)?shù)氐臍鉁夭钕嚓P(guān)性顯著，結(jié)合凈輻射資料得出的潛熱通量均能反映當(dāng)?shù)啬芰康募竟?jié)變化規(guī)律[17-18]。隨后黃河流域、海河流域、黑河流域、黃土高原、青藏高原等不同地區(qū)的LAS應(yīng)用試驗(yàn)表明，LAS觀測(cè)結(jié)果與EC方法、波文比方法測(cè)量結(jié)果一致性很高[8,11,19-20]。

實(shí)際研究中，區(qū)域尺度的下墊面大部分是非均勻的，由于地形起伏、植被異質(zhì)等客觀因素的存在，光閃爍方法在此類條件下的適用性受為關(guān)注。Hemakumara等[21]在斯里蘭卡Horana的混合植被區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，Beyrich等[16]對(duì)德國(guó)東北地區(qū)森林和農(nóng)田混合區(qū)域研究時(shí)，張勁松等[22]在地形起伏的低地山丘人工混交林的研究中將兩臺(tái)EC的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行權(quán)重疊加，郝小翠等[23]研究隴東黃土高原下墊面不均勻性對(duì)光閃爍方法的影響，上述非均勻下墊面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，考慮采樣尺度，并利用權(quán)重函數(shù)對(duì)不同地段通量值進(jìn)行修正，光閃爍法同樣可以取得良好結(jié)果。光閃爍方法在非均勻下墊面的良好結(jié)果說(shuō)明，光閃爍方法在實(shí)際應(yīng)用中可以與遙感模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。Watts等[24]根據(jù)AVHRR數(shù)據(jù)以及LAS觀測(cè)結(jié)果對(duì)墨西哥北部半干旱地區(qū)的地表通量進(jìn)行研究，Meijninger等[25]在土耳其西部灌溉區(qū)域用LAS分別測(cè)量2700 m和670 m距離的顯熱通量與LANDSAT數(shù)據(jù)相比，Nobuhle等[26]對(duì)南非不同生態(tài)氣候區(qū)的研究表明，光閃爍方法測(cè)量結(jié)果與衛(wèi)星遙感模型運(yùn)算結(jié)果一致性高。同樣結(jié)果也出現(xiàn)在黑河流域、青藏高原等實(shí)驗(yàn)中[8,11,19]?？傮w說(shuō)來(lái)，以近紅外方式工作的光閃爍方法適應(yīng)不同條件下墊面，且該技術(shù)已經(jīng)成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。

雙波長(zhǎng)方法:

紅外-微波雙波長(zhǎng)方式工作的光閃爍方法還處于起步階段。Kohsiek 等[27]Z 先采用波長(zhǎng)為1cm、發(fā)射頻率為30GHz的微波成功計(jì)算出潛熱通量。1988年Hill采用173 GHz的頻率研究認(rèn)為低頻波動(dòng)的水汽會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，S次完整提出“雙波長(zhǎng)”方法計(jì)算過(guò)程[28]。McMillan[29]系統(tǒng)地分析了不同波長(zhǎng)測(cè)量的結(jié)果，并認(rèn)為理想波長(zhǎng)為11mm或3.2mm。從對(duì)水汽敏感程度以及成本因素考慮，這兩種波長(zhǎng)成為以后MWS試驗(yàn)的首 選。Lüdi 等[30]認(rèn)為假設(shè)RTq利用微波和近紅外交互測(cè)量的方法得出與EC具有高吻合度的結(jié)果。Meijninger 等[31]驗(yàn)證了雙波長(zhǎng)方法在非均勻下墊面測(cè)算區(qū)域蒸散的可行性。Ward 等[32]在英國(guó)Swindon城郊區(qū)域利用雙波長(zhǎng)方法研究水熱通量，測(cè)量結(jié)果變化趨勢(shì)明顯，與EC結(jié)果一致性較高。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院黃河小浪底森林生態(tài)站是國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展雙波長(zhǎng)方法研究的機(jī)構(gòu)之一，依托黃河小浪底生態(tài)定位站分析了華北低地山丘人工林生長(zhǎng)季的蒸散特征，證明了在非均勻地形下的使用優(yōu)點(diǎn)[5]。

3. 光閃爍方法應(yīng)用前景

區(qū)域蒸散，特別是非均勻下墊面下的區(qū)域蒸散測(cè)量一直是水汽通量觀測(cè)研究的重 點(diǎn)與難點(diǎn)，光閃爍方法的出現(xiàn)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)域蒸散直接觀測(cè)的要求。雖然EC方法常作為通量觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)用于各種陸面實(shí)驗(yàn)中，但其存在空間代表性不足的局限性，同時(shí)EC方法的觀測(cè)要求嚴(yán)格，比如大氣狀態(tài)平穩(wěn)、湍流充分發(fā)展、需在常通量層進(jìn)行以及下墊面水平均勻等?，F(xiàn)實(shí)觀測(cè)中由于下墊面復(fù)雜、局地微氣象特征差異顯著等因素造成觀測(cè)條件不佳時(shí)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及數(shù)據(jù)修正方式得出較好的結(jié)果，但由單點(diǎn)或多點(diǎn)觀測(cè)擴(kuò)展至面平均通量并非易事，而光閃爍方法是基于光傳輸理論發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，根據(jù)可以反映光路上湍流強(qiáng)弱的光強(qiáng)脈動(dòng)，結(jié)合相似理論直接測(cè)量出數(shù)百米至數(shù)公里尺度的平均通量。光閃爍方法的實(shí)驗(yàn)表明，光閃爍方法可以獲得區(qū)域水平上的平均通量，由于平均時(shí)間與EC相比很短，因而其統(tǒng)計(jì)不確定性小。下墊面均勻時(shí)，光閃爍法的測(cè)量結(jié)果與EC測(cè)量結(jié)果十分一致，而在非均勻下墊面條件下，充分考慮風(fēng)向與通量源區(qū)的影響后，光閃爍方法也可以取得很好的結(jié)果，尤其是與EC聯(lián)合使用不僅能獲得更好的區(qū)域平均通量，而且也能精確細(xì)化各源區(qū)的通量水平。正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，光閃爍方法不僅彌補(bǔ)了EC測(cè)量的局限性，成為區(qū)域通量觀測(cè)的重要技術(shù)手段，同時(shí)也成為衛(wèi)星遙感模型反演的Z 佳檢驗(yàn)手段，表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

在應(yīng)用光閃爍方法測(cè)量區(qū)域蒸散時(shí)，為了獲得更大的源區(qū)，利用光閃爍方法時(shí)應(yīng)該讓光路徑與主風(fēng)向垂直。使用光閃爍方法時(shí)，光路徑上不同距離的通量貢獻(xiàn)不同，由路徑權(quán)重函數(shù)可知，通量貢獻(xiàn)Z 大位置在光路徑中間，而兩端對(duì)通量貢獻(xiàn)較小，因此可以忽略接收端和發(fā)射端載體的影響。在下墊面極其復(fù)雜時(shí)，使用光閃爍方法時(shí)需將光程高度提升至摻混高度以上，避免信號(hào)飽和而造成的結(jié)果偏低，同時(shí)還需考慮光程有效高度、下墊面粗糙度、風(fēng)速、風(fēng)向等影響。

利用近紅外工作的單波長(zhǎng)方法進(jìn)行觀測(cè)時(shí)會(huì)受到空氣濕度的影響，在計(jì)算 時(shí)通常會(huì)采用波文比修正，但正確估算波文比并非易事，特別是當(dāng)波文比較小時(shí)，結(jié)果的不確定性很大。單波長(zhǎng)方法只能直接得出顯熱通量，獲得潛熱通量需根據(jù)凈輻射、土壤熱通量以及其他能量傳感器觀測(cè)結(jié)果，利用能量平衡余項(xiàng)法間接得出，但由于各分量尺度不同，結(jié)果存在不確定性。利用紅外-微波雙波長(zhǎng)聯(lián)合工作的光閃爍方法不僅可以直接測(cè)量區(qū)域平均顯熱通量，而且也能在不考慮波文比修正系數(shù)的前提下得到區(qū)域平均蒸散量，大大減少了不確定性，在未來(lái)高精度的區(qū)域通量研究中具有更大的優(yōu)勢(shì)。

總之，光閃爍方法，特別是雙波長(zhǎng)方法在非均勻地表通量觀測(cè)研究中表現(xiàn)出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?，具有廣闊的應(yīng)用前景。在應(yīng)用過(guò)程中，考慮到結(jié)果的精確性，計(jì)算過(guò)程中的參數(shù)如濕度、有效高度、相似函數(shù)、風(fēng)速等，還需進(jìn)行更加深入的研究分析，特別是利用雙波長(zhǎng)方法時(shí)，考慮到水汽的吸收效應(yīng)，環(huán)境濕度的正確表示更是研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的通量源區(qū)模型是在近中性條件下基于湍流擴(kuò)散而建立的，當(dāng)大氣層結(jié)穩(wěn)定或?qū)咏Y(jié)極不穩(wěn)定時(shí)，通量源區(qū)會(huì)隨之?dāng)U展或縮小，因此涉及通量源區(qū)評(píng)價(jià)時(shí)還需充分考慮其變化情況，利用雙波長(zhǎng)方法進(jìn)行觀測(cè)研究時(shí)更應(yīng)深入分析。雙波長(zhǎng)方法包含近紅外和微波兩套系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)的通量源區(qū)并非完全重合，路徑權(quán)重函數(shù)并非完全相同，二者的有效高度也有差異，這也是雙波長(zhǎng)方法應(yīng)用中急需解決的問(wèn)題。設(shè)置源區(qū)評(píng)價(jià)置信分析、開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)、減少或消除匹配程度低的信號(hào)以及精化數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法是提高雙波長(zhǎng)方法測(cè)量結(jié)果的有效途徑。

內(nèi)陸水體的S次應(yīng)用案例

1.研究目標(biāo)

該研究目的是比較OMS與渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)測(cè)量的水體上方的感熱通量和潛熱通量。更具體地說(shuō)，該研究探索了幾種使用直接閃爍儀計(jì)算湍流通量的方法（主要是設(shè)定RTq為常數(shù)，文中記為T(mén)W；計(jì)算實(shí)時(shí)RTq，文中記為BC）。這些方法所用的數(shù)據(jù)來(lái)源與閃爍儀測(cè)量和輔助觀測(cè)的常規(guī)氣象因子（溫度，濕度，氣壓、風(fēng)速以及凈輻射等），同時(shí)也研究了采用渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)閃爍儀計(jì)算通量的影響。閃爍儀系統(tǒng)不能直接判斷湍流通量的傳輸方向，文章根據(jù)光束中心地表溫度與近地表空氣溫度的差異來(lái)描述大氣穩(wěn)定性，從而確定通量傳輸方向。

該研究的具體目標(biāo)是：

(1) 比較渦動(dòng)相關(guān)和閃爍測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)構(gòu)參數(shù)；

(2) 比較使用這些系統(tǒng)獲得的H和LE通量；

(3) 探索使用地表-空氣溫差來(lái)補(bǔ)充一個(gè)完全獨(dú)立的閃爍測(cè)量系統(tǒng)；

(4) 討論閃爍測(cè)量和MOST（莫寧-奧布霍夫相似理論）在大型水體上使用時(shí)的局限性。

2. 方法

實(shí)驗(yàn)在加拿大魁北克省東北部(50.68°N， 63.25°W;圖 1 (a))的一個(gè)水庫(kù)上進(jìn)行，觀測(cè)期間水位沒(méi)有明顯改變，且無(wú)結(jié)冰。觀測(cè)設(shè)備包括雙波長(zhǎng)閃爍儀系統(tǒng)(OMS，包括近紅外閃爍儀、微波閃爍儀)、渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)以及一些輔助觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)間為2019年8月14日至10月9日，共57天。在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，水庫(kù)從蓄熱期(平均地表溫度(Twater)低于2m的空氣溫度(T))轉(zhuǎn)為放熱期(Twater大于T )。選擇該段時(shí)間是因?yàn)榇髿鈱咏Y(jié)條件為中性或或不穩(wěn)定狀況，更符合MOST的使用條件(Ward et al. 2015)。

圖 1 (a) Romaine-2水庫(kù)的南部地區(qū)，在閃爍儀路徑的中心向北拍攝；(b) 加拿大Romaine-2水庫(kù)的位置（紅星）；(c) 閃爍儀（三角形）、渦動(dòng)相關(guān)通量塔（彩色圓圈）和溫度鏈（黑點(diǎn)）在地形等值線上的位置，包括水庫(kù)測(cè)深（陸地和水等值線以海拔米為單位，從水面開(kāi)始）

2.1 閃爍儀

OMS觀測(cè)路徑長(zhǎng)1745 m，98%的光路位于水面,OMS光束在路徑中間交叉(見(jiàn)圖2，頂部面板)。光路的平均高度zm為9.9 m，考慮到水力發(fā)電引起的水位波動(dòng)，zm始終保持在距離水面9.5 ~10.7 m。在通量計(jì)算時(shí)，使用每日變化的閃爍儀高度。由于光路下的水面大部分是平坦的，有效測(cè)量高度zm,eff (Hartogensis et al 2003)等于zm。在整個(gè)研究期間通量源區(qū)大多位于水面（圖 3），通量足跡模型使用Kljun等人(2015)模型，該模型已被Isabelle等人(2020)用于閃爍儀的觀測(cè)分析。

圖 2  (a)從發(fā)射塔(左)到接收塔(右)的閃爍儀路徑視圖和浮臺(tái)通量塔的投影位置。注意，浮臺(tái)位于梁以北約1.6公里處，方向?yàn)槲鞅?東南，如圖1c所示。(b)沿路徑的加權(quán)函數(shù)WS。垂直虛線表示閃爍儀路徑的中點(diǎn)  

圖 3 整個(gè)研究期間浮臺(tái)通量塔(黑色)和閃爍儀(紅色)的足跡貢獻(xiàn)等值線。源區(qū)等高線對(duì)應(yīng)于總測(cè)量通量的百分比。例如，在整個(gè)研究期間用閃爍儀測(cè)量的通量有80%來(lái)自Z 大的紅色區(qū)域。使用Kljun等人的模型計(jì)算足跡(2015)，并根據(jù)閃爍儀光束進(jìn)行了調(diào)整，如Isabelle等人(2020)

2.2 基于浮臺(tái)的渦動(dòng)相關(guān)測(cè)量

一個(gè)配備了一個(gè)渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)安裝在3 × 3 m2的浮臺(tái)(圖 1(c))，為了避免受巨浪的破壞，浮臺(tái)固定在兩個(gè)島嶼之間，位于光路以北1km處。浮臺(tái)配備快速響應(yīng)聲波風(fēng)速計(jì)和紅外氣體分析儀(IRGASON， Campbell Scientific， USA)，距離水面上方2米的，浮臺(tái)系留在水庫(kù)30m深。渦流相關(guān)傳感器向東(114°)，垂直于主水庫(kù)軸，以便從兩個(gè)主要方向取樣風(fēng)。為了校正波浪引起的運(yùn)動(dòng)，在渦動(dòng)相關(guān)傳感器的安裝臂上安裝了一個(gè)加速度計(jì)(AHRS， Lord Sensing MicroStrain， USA)，水平距離為0.9米。使用CR3000數(shù)據(jù)記錄器(Campbell Scientific， USA)在10hz頻率下收集渦動(dòng)相關(guān)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)。

2.3 其他測(cè)量

凈輻射(Kipp & Zonen，荷蘭)安裝在浮臺(tái)上離水面2米高，主要觀測(cè)輻射收支，即入射和出射短波和長(zhǎng)波輻射。使用TB4雨量計(jì)(Hyquest Solutions，美國(guó))監(jiān)測(cè)降雨，位于閃爍儀光路以南約2.5km處(見(jiàn)圖 1(c))。

用兩鏈探針測(cè)量水柱溫度。第 一鏈位于閃爍儀路徑的中間，長(zhǎng)70米，位于水庫(kù)大約100米深的部分。第二條鏈位于浮臺(tái)附近，長(zhǎng)度為15米，位于水庫(kù)30米深的區(qū)域(圖 1(c))。第 一和第二鏈分別有31個(gè)和20個(gè)傳感器，其中11個(gè)位于頂部3 m， 7個(gè)位于以下7 m， 12.5 ~ 32.5 m和40 ~ 70 m分別有9個(gè)和4個(gè)特征層。每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)每30分鐘采樣一次。水面溫度是用一塊白色泡沫遮擋太陽(yáng)輻射的浮動(dòng)傳感器測(cè)量的，用于獲得水-空氣溫差△Tw-a。

3. 結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)比較

3.2 通量的比較

圖 5渦動(dòng)相關(guān)浮臺(tái)通量與閃爍儀通量的比較。左圖顯示了渦動(dòng)相關(guān)與閃爍測(cè)量雙色方法之間的比較，右圖顯示了渦動(dòng)相關(guān)與閃爍測(cè)量雙波長(zhǎng)方法之間的比較。上行顯示了顯熱通量比較，閃爍儀顯熱通量用相關(guān)方法計(jì)算(a、e);（ b、f）為 獨(dú)立方法。底行顯示了潛熱通量的比較，閃爍儀潛熱通量相關(guān)方法計(jì)算(c、g); (d、h)為 獨(dú)立方法。紅點(diǎn)、灰點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)分別代表不穩(wěn)定(ζ <?0.05)、接近中性(?0.05 < ζ < 0.05)和穩(wěn)定(ζ > 0.05)。每個(gè)圖都有 1：1 線（黑色虛線）

利用水體表面與空氣溫差符號(hào)用作通量方向指示時(shí)，BCi(bichromatic independent)感熱通量方向與渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)的感熱通量方向更趨于一致（圖 5）。對(duì)于H和LE以及所有穩(wěn)定條件，各方法與EC相關(guān)性從Z 佳到Z 差依次為：TWd(two-wavelength dependent)、BCd(bichromatic dependent)、TWi(two-wavelength independent)和BCi(bichromatic independent)。采用水和空氣之間的溫差表征通量傳輸方向，可以顯著改善其BC的性能，而成本適中。

圖 6 (a) 8 月 16 日至 18 日的 H 和 (c) LE 數(shù)據(jù)以及 9 月 30 日至 10 月 2 日的 (b) H 和 (d) LE 數(shù)據(jù)的兩個(gè) 3 天周期

BC湍流通量可以觀察到寒冷地區(qū)水體在能量收支方面的典型行為。仲夏雖然有大量的凈輻射，但H和LE的含量相對(duì)較少，因?yàn)榇罅康臒崃績(jī)?chǔ)存在水中。秋季的凈輻射較低，但H較大，因?yàn)闊崃繌乃w釋放 （圖 6）。渦動(dòng)相關(guān)測(cè)量值與閃爍儀測(cè)量H之間的良好一致性，但在判斷通量傳輸方向存在欠缺，特別是在早晚過(guò)渡時(shí)期。當(dāng)用渦動(dòng)相關(guān)測(cè)量時(shí)，感熱通量符號(hào)清楚地遵循水-空氣溫差的符號(hào)和大小。對(duì)于潛熱通量，普遍觀察到閃爍儀通量高于渦動(dòng)相關(guān)，特別是在白天對(duì)獨(dú)立方法，而更好的一致性在夜間。潛熱通量在白天達(dá)到Z 大值，與感熱通量相反。

圖 7通過(guò)閃爍測(cè)量方法、雙色依賴性（BCd）、雙色依賴性（BCi）、雙波長(zhǎng)依賴性（TWd）和雙波長(zhǎng)依賴性（TWi）方法獲得的整個(gè)研究期間累積（左）蒸發(fā)和（右）顯熱通量的比較，與浮臺(tái)位點(diǎn)的渦流方差測(cè)量。請(qǐng)注意，未顯示使用 BCi 的累積 H 比較，因?yàn)樗@示負(fù)結(jié)果。僅顯示兩個(gè)系統(tǒng)都可以進(jìn)行測(cè)量的周期。1：1 線表示為黑色細(xì)線

閃爍儀測(cè)量LE通常偏大。渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)測(cè)量了90mm的蒸發(fā)量，而閃爍儀分別測(cè)量了150mm和223mm的蒸發(fā)量 (圖 7)。在能量通量方面，渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)測(cè)量到的潛熱通量為230 MJ m-2，而閃爍儀測(cè)量到的潛熱通量分別為370 MJ m-2和550 MJ m-2。此外，對(duì)于感熱通量，渦動(dòng)相關(guān)方差測(cè)量到72 MJ m-2，而閃爍儀測(cè)量到43 - 50 MJ m-2(圖 7(b))。

閃爍儀與渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)之間的對(duì)準(zhǔn)對(duì)感熱通量的較高空氣溫度較好，對(duì)潛熱通量的較低空氣溫度略好。在觀測(cè)站點(diǎn)，較高的溫度通常表明白天接近中性的條件，此時(shí)H的相關(guān)性Z 好。對(duì)于H和LE，在較低的摩擦速度下，系統(tǒng)之間有較高的相關(guān)性。這也是在接近中性或不穩(wěn)定條件下系統(tǒng)之間更好的比較的必然結(jié)果。

4. 結(jié)論

（1）閃爍儀在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)了穩(wěn)健性。與渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)相比，湍流通量在接近中性條件下具有很強(qiáng)的相關(guān)性，但在不穩(wěn)定和穩(wěn)定條件下表現(xiàn)出較低/較弱的相關(guān)性。盡管兩種方法在結(jié)構(gòu)參數(shù)和溫度濕度相關(guān)性上的一致性較差，但得到了上述結(jié)果。用閃爍儀計(jì)算感熱通量似乎對(duì)這些直接測(cè)量不是很敏感。然而，潛熱通量的計(jì)算似乎對(duì)明顯高估的濕度結(jié)構(gòu)參數(shù)很敏感。我們建議未來(lái)的微波閃爍儀工作應(yīng)始終包括詳盡的光譜分析。

（2）閃爍儀判斷的感熱通量傳輸方向存在不確定性，，這大大降低了與渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)的一致性，在閃爍測(cè)量法的計(jì)算中加入渦動(dòng)相關(guān)變量后，結(jié)果得到了極大的改善。使用光束中心位置的地表-空氣溫差作為大氣穩(wěn)定層結(jié)和感熱通量傳輸方向可顯著改善閃爍儀的不足。

（3）閃爍儀對(duì)潛熱通量的估計(jì)明顯過(guò)高，以及在某些情況下無(wú)法正確測(cè)量溫濕度相關(guān)性，還需進(jìn)一步研究。

設(shè)備簡(jiǎn)介

雙波長(zhǎng)閃爍儀系統(tǒng)（Optical-Microwave System，OMS）

荷蘭Kipp&Zone公司出品的LAS MKⅡ大孔徑閃爍儀（簡(jiǎn)稱LAS）+德國(guó)RPG公司出品的RPG-MWSC-160微波閃爍儀（簡(jiǎn)稱MWSC）。

開(kāi)路式渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)（Open Path Eddy Covariance System）

美國(guó)Campbell 公司出品的IRGASON 開(kāi)路渦動(dòng)相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。