隴東黃土高原下墊面不均勻性指標(biāo)的建立及其對大孔徑閃爍儀(LAS)觀測感熱通量的影響

郝小翠，張強，楊澤粟

1 西北區(qū)域氣候中心，蘭州　730020　2　中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，蘭州　730020　3 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州　730000

?

隴東黃土高原下墊面不均勻性指標(biāo)的建立及其對大孔徑閃爍儀(LAS)觀測感熱通量的影響

郝小翠1,2，張強2,3，楊澤粟3

1 西北區(qū)域氣候中心，蘭州7300202中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，蘭州7300203 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州730000

摘要目前定量研究下墊面不均勻性對大孔徑閃爍儀(LAS)、渦動相關(guān)儀(ECS)觀測感熱通量差異的影響還比較少.本文利用黃土高原慶陽觀測站2012年6、7月典型晴天兩主風(fēng)向范圍E-SE和SW-W的陸面過程數(shù)據(jù)，在建立了下墊面不均勻性定量化指標(biāo)的基礎(chǔ)上，分析了下墊面不均勻性與地表溫度變率的關(guān)系及其對LAS、ECS觀測感熱通量差異的影響.結(jié)果表明：慶陽站下墊面不均勻性大小η和地表溫度變率г具有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到0.566以上，證明了新建立指標(biāo)的合理性.下墊面不均勻性大小η和LAS、ECS觀測的感熱通量差異HLAS-HECS具有很好的一致性，相關(guān)系數(shù)達到0.634.下墊面不均勻性對LAS和ECS的感熱通量差異影響顯著，下墊面越不均勻LAS和ECS測量的感熱通量差異越大.對兩主風(fēng)向分別進行分析，在E-SE風(fēng)向范圍η和HLAS-HECS的相關(guān)系數(shù)為0.430，HLAS和HEC擬合的線性趨勢系數(shù)為1.279，在SW-W風(fēng)向范圍η和HLAS-HECS的相關(guān)系數(shù)為0.680，HLAS和HEC擬合的線性趨勢系數(shù)為1.297.下墊面不均勻性的影響程度越大，LAS和ECS觀測的感熱通量差異越大.

關(guān)鍵詞大孔徑閃爍儀(LAS)； 渦動相關(guān)儀(ECS)； 下墊面不均勻性； 地表溫度變率； 感熱通量差異

1引言

地氣之間的動量、能量和物質(zhì)交換，深刻影響著全球大氣環(huán)流和氣候系統(tǒng)，是極端天氣形成和氣候變化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一(張強和王勝，2008).潛熱、感熱通量是反映地表與大氣相互作用的關(guān)鍵性參量，對其進行準確的觀測分析，有利于更好地研究邊界層的微氣象理論以及改善各種尺度氣象預(yù)報模式、污染擴散和空氣質(zhì)量模式的次網(wǎng)格參數(shù)化方法，對天氣氣候預(yù)報、水循環(huán)過程分析、農(nóng)業(yè)和水資源管理等意義重大(Dickinson，1995；盧俐等，2005；彭谷亮等，2007).

渦動相關(guān)儀(Eddy Covariancesystem，ECS)是當(dāng)前公認最精確的通量觀測系統(tǒng).但從理論上講，ECS是單點觀測，數(shù)據(jù)的空間代表性有限，應(yīng)用于非均勻下墊面有局限性(劉紹民等，2010；Liu et al.，2013).大孔徑閃爍儀(Large Aperture Scintillometer，LAS)的出現(xiàn)較好地解決了傳統(tǒng)觀測(ECS)的問題，它可以測量幾百米到數(shù)公里甚至10 km以上的路徑平均感熱通量，適合于非均勻下墊面觀測.正是由于這一優(yōu)勢，近年來該方法在國內(nèi)外很多通量觀測實驗中獲得日益廣泛的應(yīng)用.隨著LAS的廣泛應(yīng)用，關(guān)于LAS與公認的通量觀測技術(shù)ECS測量感熱通量差異的研究也越來越多.當(dāng)前有不少研究(Hoedjes et al.，2007；白潔等，2010；Liu et al.，2011)表明下墊面的不均勻性是導(dǎo)致兩者觀測差異的一個重要原因.但以往的研究多以定性分析為主，很少定量研究下墊面不均勻性對兩者觀測差異的影響.

目前，地表溫度空間差異常被用來反映下墊面不均勻性程度.但是空間地表溫度的實地觀測具有一定的技術(shù)困難，大范圍高密度觀測成本也太大，所以當(dāng)前主要是借助遙感技術(shù)反演空間地表溫度，視其不均勻性程度.不少學(xué)者在這方面做出了有意義的工作，如與本研究相關(guān)的，Hoedjes等(2007)用陸地資源衛(wèi)星Landsat 7/ETM+和先進星載熱發(fā)射和反射輻射儀(ASTER)測得摩洛哥馬拉喀什的橄欖園灌溉期7個30 min間隔的地表溫度熱紅外影像，結(jié)合足跡模型計算出LAS和ECS各自源區(qū)的加權(quán)地表溫度，分析每個間隔LAS和ECS的感熱通量差異與各自加權(quán)地表溫差的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加權(quán)地表溫差大于0.5 K時，兩者相關(guān)性較好.Liu等(2011)用陸地資源衛(wèi)星Landsat 5/TM和先進星載熱發(fā)射和反射輻射儀(ASTER)在中國黑河流域阿柔草地站獲得了地表溫度的4個遙感影像，結(jié)合足跡模型計算了LAS和ECS源區(qū)的非重疊區(qū)域地表溫度的標(biāo)準差，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準差越大，LAS和ECS的感熱通量差異越大，通過地表溫度的空間差異反映了下墊面不均勻性對LAS和ECS測量感熱通量的影響.

然而，一方面，遙感技術(shù)本身存在著反演精度的問題.比如，遙感在反演地表溫度前對大氣輻射進行了各種近似和假設(shè)，這些近似和假設(shè)必然會直接影響到對地表溫度的反演精度；大氣的微氣象過程，比如云、霧、氣溶膠等的存在也會影響到遙感反演精度.另一方面，同一遙感系統(tǒng)先后探測同一地點的影像存在著時間間隔即遙感的時間分辨率，不同遙感器的時間分辨率不同，除了靜止氣象衛(wèi)星的時間分辨率為幾十分鐘，一般至少也要數(shù)小時以上，這便限制了一些短時的專題性研究.

考慮到衛(wèi)星遙感反演地表溫度存在的一些局限性問題.本文基于黃土高原2012年6、7月慶陽觀測站典型晴天的陸面過程綜合觀測資料，嘗試尋找一種新的定量化判斷指標(biāo)來研究下墊面的不均勻性，并分析其對LAS與ECS觀測感熱通量差異的影響.

2數(shù)據(jù)與方法

2.1站點資料介紹

本文研究資料來自坐落在隴東黃土高原董志塬的蘭州大學(xué)慶陽黃土高原草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)試驗站.該試驗站位于35°41′N和107°51′E，海拔高度為1297 m，年平均降水562 mm，年均蒸發(fā)量1504 mm，屬于半濕潤氣候區(qū)，土壤為黑壚土，當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)耕作方式以冬小麥—春玉米輪作為主.觀測場及其周圍比較空曠平坦.

該觀測基地安裝了大孔徑閃爍儀(LAS150，Kipp&Zonen，荷蘭)，渦動相關(guān)儀(含三維超聲風(fēng)速溫度儀CSAT-3、二氧化碳/水汽分析儀Li-7500)，風(fēng)、溫、濕梯度觀測系統(tǒng)(HMP45D/WAA151/WAV151)，土壤溫度測定儀(109)等.試驗區(qū)儀器觀測項目及配置情況詳見表1.大孔徑閃爍儀的光徑長度約為1000 m，光程上地形近似無起伏，發(fā)射端和接收端架設(shè)在相同的高度，架高為11.5 m，光程走向為NE-SW型.渦動相關(guān)儀架在梯度觀測塔上，距離LAS的光徑約20 m.試驗區(qū)儀器架設(shè)如圖1所示.

本研究主要用2012年6月1日至8月1日期間的觀測資料，這段時間的觀測資料相對比較連續(xù)，

圖1　試驗區(qū)儀器架設(shè)

儀器性能較好，資料誤差較小.并且，為了減少能量不平衡問題的復(fù)雜性，本文排除了云和降水對地表能量收支的影響，僅用試驗期間典型晴天的下墊面過程同步觀測資料.典型晴天如下，6月13日、6月15日、6月16日、6月20日、6月21日、7月1日和7月10日，分析的晴天日數(shù)總共7 d.本文所用時間均為北京時，比觀測站的地方時早大約1 h.

2.2觀測數(shù)據(jù)處理

2.2.1風(fēng)向統(tǒng)計

對試驗期間典型晴天(7 d)的風(fēng)向進行統(tǒng)計，如圖2所示，慶陽下墊面風(fēng)向主要分布在兩個范圍E-SE和SW-W，E-SE風(fēng)向的頻次占總頻次的22.45%，SW-W風(fēng)向的頻次占總頻次的55.10%.試驗期間以ECS為中心E-SE走向下墊面主要是玉米和小麥等農(nóng)作物，SW-W走向主要是雜草和樹木以及其他試驗所需的小型建筑.為了減少問題的復(fù)雜性，本文將利用這兩主風(fēng)向范圍的數(shù)據(jù)展開研究.

表1　試驗儀器觀測項目及配置情況

圖2　試驗期間典型晴天(7 d)慶陽下墊面的風(fēng)向玫瑰圖

2.2.2渦動相關(guān)儀

在對ECS觀測數(shù)據(jù)的處理過程中，本文利用英國愛丁堡大學(xué)發(fā)展的EdiRe軟件(http:∥www.geos.ed.ac.uk/abs/research/micromet/EdiRe)對ECS的數(shù)據(jù)進行后處理，包括對原始湍流資料去野點、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)處理(傾斜修正)、時間滯后修正、感熱通量的超聲虛溫修正、WPL修正、頻率響應(yīng)修正，最后計算得到感熱通量.

2.2.3大孔徑閃爍儀

(1)

(2)

(5)

(6)

其中，T為空氣溫度；p為氣壓；u為風(fēng)速；zLAS為閃爍儀光徑高度；d為零平面位移；β為波文比；L為莫寧-奧布霍夫(M-O)長度；T*為溫度特征尺度；fT為穩(wěn)定度普適函數(shù)，文中選取Andreas(1988)函數(shù)作為穩(wěn)定度函數(shù)進行計算；ρ為空氣密度；Cp為空氣定壓比熱；H為感熱通量；u*為摩擦速度；zu為風(fēng)速的觀測高度，本文中與zLAS一致；k為卡曼常數(shù)；z0為動力學(xué)粗糙度，Ψm為動量穩(wěn)定度修正函數(shù).

2.3通量印痕模型

通量源區(qū)是指儀器所能觀測到的實際下墊面的通量貢獻區(qū)域，往往通過印痕模型模擬出來.目前流行的印痕分析模型主要有兩種：歐拉模型和拉格朗日隨機模型.基于計算效率的考慮，本文選擇歐拉解析方法，依據(jù)彭谷亮等(2007)，蔡旭暉等(2010)基于Kormann和Meixner(2001)的模型以及將點通量的足跡函數(shù)與LAS的空間權(quán)重函數(shù)相結(jié)合的方法建立了LAS和ECS的通量印痕模型.渦旋印痕模型的主要輸入?yún)?shù)有：奧布霍夫長度(L)、平均風(fēng)速(u)、摩擦速度(u*)、風(fēng)向(Dir)、湍流側(cè)向風(fēng)速標(biāo)準差(σv)、觀測區(qū)域的粗糙度(z0)以及風(fēng)速計的觀測高度(z).對于LAS印痕模型，除了以上參數(shù)還需要輸入LAS的架設(shè)高度(zLAS)、光程長度(Path)以及LAS發(fā)射光的波長(λ)和儀器光學(xué)鏡面直徑(d).本文計算LAS通量印痕的區(qū)域是以100×100的網(wǎng)格矩陣，分辨率是20 m.

3下墊面不均勻性定量化指標(biāo)的建立

不均勻下墊面的熱力強迫往往會引起局地環(huán)流或中小尺度運動，這種有組織的局地環(huán)流會形成十分關(guān)鍵的垂直運動(黃先倫和李國平，2008；張強和李宏宇，2010；張強等，2012).黃先倫和李國平(2008)用積分變換法求出了Boussinesq方程組的解析解：

(7)

式(7)中ω是垂直速度，Q是地面熱力強迫項(可代表地面感熱加熱).N為浮力頻率，b為浮力，t為時間.考慮地面加熱(地面感熱加熱)的空間分布特點，Q具有如下形式：

(8)

其中，Q0為地面熱源的強度，a為加熱區(qū)域的半徑，x、z為三維坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)和垂直高度，本文只考慮單點上的垂直速度，于是可將(8)式中x取為0，本文中ω是超聲風(fēng)速儀所測得的，那么z就該取為超聲風(fēng)速儀的架設(shè)高度，即為4 m，這樣(8)式可變?yōu)镼=Q0cos(z)=Q0cos(4)=-0.654Q0,

(9)

將(9)式代入(7)式，有

(10)

由上面的數(shù)學(xué)分析可看出，數(shù)值上垂直速度與地面感熱加熱的大小成正比關(guān)系，即地面熱力強迫作用越強，垂直風(fēng)場越強.而不均勻的熱力強迫正反映了下墊面的熱力不均勻性，由此可猜測，垂直速度ω也許可以反映下墊面的不均勻性.

鑒于本文的研究目的，建立的不均勻性指標(biāo)還要能夠反映出下墊面不均勻性對LAS和ECS觀測感熱通量的影響.我們知道LAS和ECS所測量的感熱通量是各自通量源區(qū)范圍內(nèi)感熱通量的平均值.根據(jù)加權(quán)平均理論，每個時刻總能在LAS的通量源區(qū)上找到一點，該點的感熱通量可以代替LAS觀測的平均感熱通量HLAS；同時，也總能在ECS的通量源區(qū)上找到一點，該點的感熱通量也可以代替ECS觀測的平均感熱通量HECS.以主風(fēng)向E為例，用LAS和ECS印痕模型計算得到了各自的通量源區(qū)(圖3).可在LAS源區(qū)(圖3a)和ECS源區(qū)(圖3b)內(nèi)各找一加權(quán)平均點，假設(shè)為a點和b點，見圖中矩形所在位置，a點的感熱通量可代替LAS的平均感熱通量HLAS，b點的感熱通量可代替ECS的平均感熱通量HECS，那么LAS和ECS測量的感熱通量差異就可以表示為a點感熱通量Ha與b點感熱通量Hb的差.即

(11)

考慮到感熱通量是地面感熱加熱造成的，理論上，地面感熱加熱量越大，感熱通量也應(yīng)越大.(10)式給出了垂直速度與地面熱源強度(地面感熱加熱)的關(guān)系，這里我們假設(shè)地面熱源強度Q0與感熱通量H呈簡單的線性關(guān)系，將Q0用nH進行替換，其

圖3　E風(fēng)向LAS (a)和ECS (b)的通量源區(qū)● 代表ECS所在位置；▲ 代表LAS發(fā)射端和接收端的位置； ■ 代表E風(fēng)向LAS和ECS加權(quán)平均點a和b所在位置；箭頭代表風(fēng)向；等值線由內(nèi)到外分別為50%、70%和90%通量貢獻率區(qū)域.

中n為兩者的比例系數(shù)，那么(10)式可變?yōu)?/p>

(12)

將式(12)轉(zhuǎn)換為用垂直速度ω來表示感熱通量H，(12)式可變?yōu)?/p>

(13)

那么(11)式可變?yōu)?/p>

(14)

或者

(15)

在只有固定單點的垂直速度數(shù)據(jù)時，考慮到任意時刻都存在以下關(guān)系：

(16)

其中m為ω和ωb-ωa的比例系數(shù).a、b點的確定是隨著HLAS和HECS的變化而變化的，不同時刻a、b點可能不同，ωb-ωa也可能不同，但是無論a、b點如何變化，固定單點任一時刻的垂直速度ω都可以找到對應(yīng)的系數(shù)m使(16)式成立.于是(14)、(15)式可變?yōu)?/p>

(17)

(18)

從以上兩式可以看出，LAS和ECS的感熱通量差與單點的垂直速度ω成正比關(guān)系，并同時受a、b點的垂直速度ωa、ωb，浮力頻率N，浮力b，Q和H的比例系數(shù)n以及ω和ωb-ωa的比例系數(shù)m等量的影響.

上面的數(shù)學(xué)分析利用加權(quán)平均的假設(shè)證明了單點垂直速度ω可以反映下墊面不均勻性對LAS和ECS測量感熱通量差異的影響.另外，考慮到要是在LAS的光徑路線較長或下墊面很不均勻的情況下，垂直速度的空間代表性可能會存在一定的局限性，而本文中LAS的光徑路線較短，觀測站所在下墊面也較均勻，無大的地形起伏等因素，這也為用垂直速度做不均勻性指標(biāo)提供了可行性.最后，圖4給出了慶陽站試驗期間典型晴天(7d)近地層大氣局地垂直風(fēng)速的平均日變化特征，該圖顯示，慶陽觀測站白天局地垂直運動均表現(xiàn)為下沉運動，單向運動減少了雙向運動可能造成的量值上的復(fù)雜性.據(jù)此，本文將嘗試以垂直速度作為下墊面不均勻性的判斷指標(biāo)，研究下墊面不均勻性對LAS和ECS測量感熱通量差異的影響.

圖4　試驗期間典型晴天(7d)近地層4 m高處垂直風(fēng)速的平均日變化

考慮到下墊面不均勻性程度理應(yīng)是一無量綱量，對垂直速度進行歸一化處理，定義下墊面不均勻性程度大小為η，表示如下：

(19)

式(19)中，η表示下墊面不均勻性的程度，是一個無量綱量.η介于0～1之間，當(dāng)η等于0時下墊面不均勻性程度最小，下墊面完全均勻，η的絕對值越大，下墊面越不均勻，最大趨向于1，具有收斂性.ω為局地垂直速度，可由超聲風(fēng)速儀觀測得到.ωmax為該樣本中垂直速度絕對值的最大值.

4下墊面不均勻性指標(biāo)與地表溫度變率的關(guān)系

地表溫度空間差異作為一個經(jīng)常用來標(biāo)定下墊面不均勻性程度的物理量，有必要將本文新建立的不均勻性指標(biāo)計算結(jié)果與其進行對比分析.由于地面觀測儀器有限，空間地表溫度的獲取有一定難度.考慮到地表溫度空間差異的變化可視為無數(shù)個單點上的地表溫度變化的積分，在空間地表溫度無法獲取的時候，單點地表溫度的變化有一定的代表性.在此基礎(chǔ)上，本文提出地表溫度變率的概念，表達式如下：

(20)

其中，г是地表溫度變率，T1、T2分別為t1、t2時刻的地表溫度，地表溫度可由放置在土壤表層的土壤溫度觀測系統(tǒng)觀測得到.由于ECS的數(shù)據(jù)時間間隔為半小時，地表溫度變率也要相應(yīng)地給出半小時平均數(shù)據(jù)，而地表溫度的觀測時間間隔是10 min，所以t1、t2可分別取為所求時刻10 min前和10 min后的時刻，于是上式可以簡化為

(21)

上式中г的單位是K/10 min.

在利用(19)式、(21)式分別計算了下墊面不均勻性大小和地表溫度變率后，圖5給出了試驗期間典型晴天(7 d)下墊面不均勻性大小與地表溫度變率的平均日變化比較，圖6給出了兩者的相關(guān)散點圖.由圖5可看出不均勻性大小與地表溫度變率的平均日變化趨勢比較一致，在中午前呈小幅緩慢增加趨勢，13∶30達到最大值，然后以較快的速度下降，兩者總體均呈先小幅增加后減小的單峰型日變化趨勢.圖6的散點圖進一步說明了不均勻性大小與地表溫度變率的關(guān)系.圖6顯示，無論是圖(a)中地表溫度變率大于0的時候還是圖(b)中地表溫度變率小于0的時候，下墊面不均勻性程度都表現(xiàn)出隨著地表溫度變率絕對值增大而增大的趨勢.而且不均勻性大小與地表溫度變率具有很好的相關(guān)關(guān)系，地表溫度變率大于0時，兩者相關(guān)系數(shù)為0.566，地表溫度變率小于0時，兩者相關(guān)系數(shù)達到0.601.兩者很好的相關(guān)性說明垂直速度可以代替地表溫度來表征下墊面的不均勻性.

深究其原因，熱力學(xué)能量方程可以很好地解釋這種相關(guān)性并不是偶然的，而是存在著必然性.局地溫度變化是垂直絕熱項、溫度平流項和非絕熱項三者共同作用的結(jié)果，公式表示如下(朱乾根等，2007)：

圖5　試驗期間典型晴天(7d)下墊面不均勻性大小η與地表溫度變率г的平均日變化

圖6　試驗期間典型晴天(7 d)下墊面不均勻性大小η與地表溫度變率г((a): г>0,(b):г<0)的相關(guān)性

(22)

(23)

通過研究新舊兩種不均勻性判斷指標(biāo)之間的關(guān)系，垂直速度作為新不均勻性判斷指標(biāo)的合理性得到了進一步的佐證.下面將借助垂直速度這一新的不均勻性指標(biāo)分析下墊面不均勻性對LAS和ECS測量感熱通量差異的影響.

5下墊面不均勻性對LAS、ECS測量感熱通量差異的影響

5.1LAS、ECS測量感熱通量差異與下墊面不均勻性的關(guān)系

圖7是試驗期間典型晴天(7 d)LAS、ECS觀測感熱通量差異與下墊面不均勻性大小的平均日變化比較(a)及其相關(guān)性(b).由圖7a可看出LAS、ECS感熱通量差異和下墊面不均勻性大小平均日變化趨勢比較一致，兩者都主要表現(xiàn)為先增加后減少的變化趨勢.只是在早晨和傍晚時HLAS-HECS的增加和減少幅度比同時段下墊面不均勻性程度的變化幅度大，這可能是因為早晚存在部分HLAS-HECS小于0的情況，而午間HLAS-HECS總是為正值，對總?cè)諗?shù)進行半小時平均計算后就出現(xiàn)了早晚差值偏離午間差值較大的情況，即早晚變化幅度較大.從圖7b給出的LAS、ECS觀測感熱通量差異HLAS-HECS與下墊面不均勻性大小η的相關(guān)散點統(tǒng)計圖可看出，HLAS-HECS隨著η的增大而增大，下墊面越不均勻LAS和ECS觀測感熱通量的差異越大.HLAS-HECS和η在大多時候保持了很好的一致性，相關(guān)系數(shù)高達0.634，可以建立如下線性擬合關(guān)系式：

(24)

圖7　試驗期間典型晴天(7 d)LAS、ECS觀測感熱通量差HLAS-HECS與下墊面不均勻性大小η的平均日變化(a)及其相關(guān)性(b)

以上分析說明，下墊面不均勻性對LAS、ECS測量的感熱通量差異存在著顯著的影響，下墊面越不均勻LAS和ECS測量的感熱通量差異就越大.LAS和ECS測量的感熱通量差異除了可以用HLAS-HECS表示,HLAS/HECS也是一種表示兩者差異的方式，并且相對用得更多.這兩種表示方式之間存在以下關(guān)系：

(25)

(26)(26)式表明，HLAS/HECS受下墊面不均勻性大小η和HECS兩個因子共同影響.當(dāng)η為0.022時，HLAS/HECS=1，即LAS、ECS測量的感熱通量無差異.由于本文中η幾乎都是大于0.022的，所以在HECS確定時，η越大HLAS/HECS越大，即下墊面越不均勻LAS和ECS測量的感熱通量差異越大.

圖8給出了慶陽觀測站試驗期間典型晴天(7 d)兩主風(fēng)向范圍LAS和ECS觀測的感熱通量散點圖.由圖可看出LAS測量的HLAS和ECS測量的HECS有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.867，HLAS大于HECS，HLAS是HECS的1.293倍.試驗期間慶陽站下墊面性質(zhì)的不均勻性是造成這種差異的一個重要原因.

5.2不同風(fēng)向范圍下墊面不均勻性對LAS、ECS觀測感熱通量差異的影響

風(fēng)向指明了儀器觀測到湍流通量的來源方位，本研究試驗期間主要存在兩個主風(fēng)向范圍，下面將 分別分析兩個主風(fēng)向范圍下墊面不均勻性對LAS、ECS觀測感熱通量差異的影響程度.

圖8　試驗期間典型晴天(7 d)兩主風(fēng)向范圍LAS與ECS測量感熱通量的比較

圖9為試驗期間典型晴天(7 d)兩個主風(fēng)向范圍LAS、ECS觀測感熱通量差異與下墊面不均勻性大小的相關(guān)散點圖.該圖顯示，E-SE風(fēng)向HLAS-HECS和η的相關(guān)系數(shù)為0.430，SW-W風(fēng)向HLAS-HECS和η的相關(guān)系數(shù)為0.680，說明下墊面不均勻性對E-SE風(fēng)向LAS、ECS觀測感熱通量差異的影響程度要小于SW-W風(fēng)向的.分別計算兩主風(fēng)向下墊面不均勻性大小的平均值，E-SE風(fēng)向η的平均值為0.400，SW-W風(fēng)向η的平均值為0.410，說明E-SE風(fēng)向的下墊面要比SW-W風(fēng)向的稍均勻，這與各自風(fēng)向的下墊面類型有關(guān).在2.2.1節(jié)已有說明，E-SE風(fēng)向主要是兩種農(nóng)作物覆蓋，而SW-W風(fēng)向的下墊面類型則比E-SE風(fēng)向的稍復(fù)雜.對比分析發(fā)現(xiàn)E-SE風(fēng)向η的平均值稍小，相應(yīng)的該風(fēng)向η對HLAS-HECS的影響程度也較?。籗W-W風(fēng)向η的平均值稍大，該風(fēng)向η對HLAS-HECS的影響程度也較大.王嬋(2011)的研究表明：下墊面不均勻性的影響對風(fēng)向的依賴性很明顯，當(dāng)背景風(fēng)向和不均勻下墊面的走向一致，即背景風(fēng)沿著不均勻下墊面時，下墊面不均勻性的影響非常顯著.對此我們可以進一步理解為：當(dāng)某風(fēng)向的下墊面不均勻性越大時，該風(fēng)向下墊面不均勻性的影響就越大.這就合理解釋了以上結(jié)果，SW-W風(fēng)向下墊面不均勻性程度比E-SE風(fēng)向的大，SW-W風(fēng)向下墊面不均勻性對LAS、ECS觀測感熱通量差異的影響程度也就比E-SE風(fēng)向的大.

圖9　試驗期間典型晴天(7 d)風(fēng)向在E-SE范圍(a)和在SW-W范圍(b)LAS、ECS觀測感熱通量差HLAS-HECS與下墊面不均勻性大小η的相關(guān)性

下墊面不均勻性對LAS、ECS觀測感熱通量差異影響程度的大小應(yīng)該直接反應(yīng)到LAS與ECS觀測感熱通量差異的大小上.為此，圖10進一步給出了試驗期間典型晴天(7 d)兩主風(fēng)向范圍LAS與ECS測量感熱通量的相關(guān)性.由圖可見，E-SE風(fēng)向觀測的感熱通量，LAS是ECS的1.279倍，相關(guān)系數(shù)為0.888；SW-W風(fēng)向觀測的感熱通量，LAS是ECS的1.297倍，相關(guān)系數(shù)為0.856.該結(jié)果與以上分析相符，E-SE風(fēng)向下墊面不均勻性對LAS、ECS觀測感熱通量差異的影響程度較小，LAS和ECS觀測感熱通量差異就較小，相關(guān)系數(shù)也較高；SW-W風(fēng)向下墊面不均勻性對LAS、ECS觀測感熱通量差異的影響程度較大，LAS和ECS觀測感熱通量差異就較大，相關(guān)系數(shù)也較低.表2詳細列出了試驗期間典型晴天(7 d)兩主風(fēng)向下墊面不均勻性大小的平均值、下墊面不均勻性與LAS、ECS觀測感熱通量差HLAS-HECS的相關(guān)系數(shù)以及LAS和ECS觀測感熱通量的擬合結(jié)果.

表2　試驗期間典型晴天(7 d)兩個主風(fēng)向范圍η的平均值、η和HLAS-HECS的相關(guān)系數(shù)以及HLAS和HECS擬合結(jié)果的比較

以上分析通過本文新建立的不均勻性判斷指標(biāo)——垂直速度，討論了黃土高原隴東地區(qū)下墊面不均勻性對LAS和ECS兩種方法測量感熱通量差異的影響，結(jié)果表明下墊面不均勻性對兩者差異的影響很大，下墊面越不均勻LAS和ECS的感熱通量差異越大.就不均勻性的影響而言，這與Hoedjes等(2007)在摩洛哥馬拉喀什的橄欖園以及Liu等(2011)在中國黑河流域阿柔草地站的研究結(jié)論一致.當(dāng)然，除了垂直風(fēng)的影響，水平風(fēng)對LAS、ECS測量感熱通量差異的影響也是不可忽略的.其中，水平風(fēng)向主要是決定了湍流通量的來源方位，在圖3的源區(qū)圖中已有體現(xiàn).至于水平風(fēng)速的影響，郝小翠等(2014)曾有研究表明：水平風(fēng)速對LAS、ECS測量的感熱通量差異有顯著影響，風(fēng)速越大兩者差異越小.另外，LAS和ECS的感熱通量差異還與兩者源區(qū)差異、ECS的能量閉合程度及其對低頻渦旋的低估有關(guān)(von Randow et al.，2008；Liu et al.，2013；郝小翠等，2013)，由于篇幅有限，本文不做深入探討.

圖10　試驗期間典型晴天(7 d)風(fēng)向在E-SE范圍(a)和在SW-W范圍(b)LAS與ECS測量感熱通量的比較

6結(jié)論與討論

基于黃土高原慶陽觀測站2012年6、7月典型晴天的陸面過程數(shù)據(jù)，本文建立了下墊面不均勻性定量化指標(biāo)，分析了下墊面不均勻性大小與地表溫度變率的關(guān)系，主要研究了下墊面不均勻性對LAS、ECS觀測感熱通量差異的影響.主要結(jié)論如下：

(1) 通過對慶陽站下墊面不均勻性大小和地表溫度變率的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到0.566以上，新舊兩種不均勻性指標(biāo)之間較好的相關(guān)性更好地佐證了新指標(biāo)的合理性.

(2) 下墊面不均勻性大小η與LAS、ECS感熱通量差HLAS-HECS的變化趨勢具有很好的一致性，兩者相關(guān)系數(shù)達到0.634.下墊面不均勻性對LAS和ECS測量的感熱通量差異有著顯著的影響，下墊面越不均勻兩者差異越大.

(3) 對兩主風(fēng)向分別進行分析，下墊面不均勻性大小η和LAS、ECS感熱通量差異HLAS-HECS的相關(guān)系數(shù)在E-SE風(fēng)向范圍為0.430，在SW-W風(fēng)向范圍為0.680.不同風(fēng)向范圍下墊面不均勻性對LAS和ECS觀測感熱通量差異影響程度不同，以致不同風(fēng)向LAS和ECS觀測感熱通量差異大小也有所不同，LAS和ECS的感熱通量擬合系數(shù)在E-SE風(fēng)向范圍為1.279，在SW-W風(fēng)向范圍為1.297.總體表現(xiàn)為不均勻性的影響程度越大，LAS和ECS觀測差異越大.

本文通過實驗分析與數(shù)學(xué)推理相結(jié)合的方式探索了一種新的下墊面不均勻性定量化指標(biāo)——垂直風(fēng)速，并通過其研究了下墊面不均勻性對LAS和ECS測量感熱通量差異的影響.一方面，相比于以往通過遙感反演地表溫度的空間差異來反映下墊面不均勻性，垂直速度的獲取要更容易實現(xiàn)，直接通過地面儀器實地觀測即可獲得，而且由于是實地觀測，精度上也要優(yōu)于遙感反演.另一方面，文中應(yīng)用加權(quán)平均理論，結(jié)合數(shù)學(xué)推理，說明了單點垂直速度也可以用來反映下墊面不均勻性對LAS和ECS測量感熱通量差異的影響，對以往我們認為的單點觀測難以研究LAS和ECS源區(qū)下墊面不均勻性的影響而言是一個突破.

不過，本文還存在一些有待改進的地方.本研究中LAS光線路徑較短、下墊面較均勻是新指標(biāo)成立的前提，在LAS光徑路線較長或者下墊面很不均勻的情況下，單點垂直速度的指標(biāo)可能會存在一定的空間局限性.另外，在進行某些數(shù)學(xué)分析時為了減少問題的復(fù)雜性做了一些簡化和假設(shè)，這些假設(shè)可能會對結(jié)果造成不可避免的影響，有必要開展進一步的工作加以完善.本文作為對下墊面不均勻性定量化的初步探索，具有一定的參考意義，下墊面不均勻性指標(biāo)體系的定量化研究仍是一項長期而艱巨的過程，尚待進一步探索.

致謝本文所用觀測數(shù)據(jù)為蘭州干旱氣象研究所王勝副研究員提供，中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所的王介民研究員、蘭州干旱氣象研究所的岳平老師也對本文給予了幫助，作者一并在此表示衷心的感謝.

References

Bai J,Liu S M,Ding X P.2010.Temporal-spatial characteristics analysis of area-averaged sensible heat fluxes by large aperture scintillometer over Hai River Basin.Advances in Earth Science (in Chinese),25(11): 1187-1198.

Cai X H,Zhu M J,Liu S M,et al.2010.Flux footprint analysis and application for the large aperture scintillometer.Advances in Earth Science (in Chinese),25(11): 1166-1174.

Dickinson R E.1995.Land-atmosphere interaction.Reviews of Geophysics,33(S2): 917-922.

Hao X C,Zhang Q,Yue P,et al.2013.Study of characteristic quantity T*by large aperture scintillometer over Chinese Loess Plateau.Plateau Meteorology (in Chinese),32(3): 665-672.

Hao X C,Zhang Q,Yue P,et al.2014.Analysis of physical factor of sensible heat flux by LAS over Loess Plateau.Plateau Meteorology (in Chinese),33(4): 957-966.

Hoedjes J C B,Chehbouni A,Ezzahar J,et al.2007.Comparison of large aperture scintillometer and eddy covariance measurements: can thermal infrared data be used to capture footprint-induced differences.Journal of Hydrometeorology,8(2): 144-159.

Huang X L,Li G P.2008.Effects of thermal forcing on the local circulation.Journal of Applied Meteorological Science (in Chinese),19(4): 488-495.

Kormann R,Meixner F X.2001.An analytical footprint model for non-neutral stratification.Boundary-Layer Meteorology,99(2): 207-224.

Liu S M,Lu L,Mao D,et al.2007.Evaluating parameterizations of aerodynamic resistance to heat transfer using field measurements.Hydrology and Earth System Sciences,11(2): 769-783.

Liu S M,Li X W,Shi S J,et al.2010.Measurement,analysis and application of surface energy and water vapor fluxes at large scale.Advances in Earth Science (in Chinese),25(11): 1113-1127.

Liu S M,Xu Z W,Wang W Z,et al.2011.A comparison of eddy-covariance and large aperture scintillometer measurements with respect to the energy balance closure problem.Hydrology and Earth System Sciences,15(4): 1291-1306.

Liu S M,Xu Z W,Zhu Z Z,et al.2013.Measurements of evapotranspiration from eddy-covariance systems and large aperture scintillometers in the Hai River Basin,China.Journal of Hydrology,487: 24-38.

Lu L,Liu S M,Sun M Z,et al.2005.Advances in the study of areal surface fluxes with large aperture scintillometer.Advances in Earth Science (in Chinese),20(9): 932-938.

Peng G L,Cai X H,Liu S M.2007.A flux footprint model for large aperture scintillometer.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis (in Chinese),43(6): 822-827.

von Randow C,Kruijt B,Holtslag A A M,et al.2008.Exploring eddy-covariance and large-aperture scintillometer measurements in an Amazonian rain forest.Agricultural and Forest Meteorology,148(4): 680-690.

Wang C.2011.Simulation study of effects of surface heterogeneities on vertical velocity field in the boundary layer[Ph.D.thesis] (in Chinese).Lanzhou: Lanzhou University.

Zhang Q,Wang S.2008.On land surface processes and its experimental study in Chinese Loess Plateau.Advances in Earth Science (in Chinese),23(2): 167-173.

Zhang Q,Li H Y.2010.The relationship between surface energy balance unclosure and vertical sensible heat advection over the Loess Plateau.Acta Physica Sinica (in Chinese),59(8): 5888-5895.

Zhang Q,Li H Y,Zhao J H.2012.Modification of the land surface energy balance relationship by introducing vertical sensible heat advection and soil heat storage over the Loess Plateau.Sci.China Earth Sci.,55(4): 580-589.

Zhu Q G,Lin J R,Shou S W,et al.2007.Principle and Method of Synoptic Meteorology.4th ed.(in Chinese).Beijing: China Meteorological Press.

附中文參考文獻

白潔,劉紹民,丁曉萍.2010.海河流域不同下墊面上大孔徑閃爍儀觀測顯熱通量的時空特征分析.地球科學(xué)進展,25(11): 1187-1198.

蔡旭暉,朱明佳,劉紹民等.2010.大孔徑閃爍儀的通量印痕分析與應(yīng)用.地球科學(xué)進展,25(11): 1166-1174.

郝小翠,張強,岳平等.2013.黃土高原大孔徑閃爍儀觀測特征量T*的研究.高原氣象,32(3): 665-672.

郝小翠,張強,岳平等.2014.黃土高原影響LAS觀測感熱通量的物理因素分析.高原氣象,33(4): 957-966.

黃先倫,李國平.2008.熱力強迫對局地環(huán)流的擾動作用.應(yīng)用氣象學(xué)報,19(4): 488-495.

劉紹民,李小文,施生錦等.2010.大尺度地表水熱通量的觀測、分析與應(yīng)用.地球科學(xué)進展,25(11): 1113-1127.

盧俐,劉紹民,孫敏章等.2005.大孔徑閃爍儀研究區(qū)域地表通量的進展.地球科學(xué)進展,20(9): 932-938.

彭谷亮,蔡旭暉,劉紹民.2007.大孔徑閃爍儀湍流通量印痕模型的建立與應(yīng)用.北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),43(6): 822-827.

王嬋.2011.下墊面非均一性影響邊界層垂直速度場的數(shù)值模擬研究[博士論文].蘭州: 蘭州大學(xué).

張強,王勝.2008.關(guān)于黃土高原陸面過程及其觀測試驗研究.地球科學(xué)進展,23(2): 167-173.

張強,李宏宇.2010.黃土高原地表能量不閉合度與垂直感熱平流的關(guān)系.物理學(xué)報,59(8): 5888-5895.

張強,李宏宇,趙建華.2012.垂直平流輸送和土壤熱儲存補償對黃土高原地表能量平衡的修正.中國科學(xué): 地球科學(xué),42(1): 42-51.

朱乾根,林錦瑞,壽紹文等.2007.天氣學(xué)原理和方法(4版).北京: 氣象出版社.

(本文編輯胡素芳)

基金項目干旱氣象科學(xué)研究基金項目(IAM201413)和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB430206)聯(lián)合資助.

作者簡介郝小翠，女，1987年生，主要從事邊界層氣象和陸面過程的研究.E-mail：hao_xiaocui@126.com

doi:10.6038/cjg20160305 中圖分類號P414

收稿日期2015-09-27，2015-12-31收修定稿

A new index for land surface inhomogeneity and its impact on sensible heat flux measured by Large Aperture Scintillometer (LAS) over eastern Gansu of Loess Plateau

HAO Xiao-Cui1,2，ZHANG Qiang2,3，YANG Ze-Su3

1NorthwestRegionalClimateCenter,Lanzhou730020,China2InstituteofAridMeteorology,CMA;KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandReducingDisasterofGansuProvince;KeyLaboratoryofAridClimaticChangeandDisasterReductionofCMA,Lanzhou730020,China3CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China

AbstractThere are few quantitative researches focused on the influence of inhomogeneous land surface condition on sensible heat fluxes measured by Large Aperture Scintillometer (LAS) and Eddy Covariance System (ECS) at present.In this paper,based on the observed land surface process data in two prevailing wind directions (E-SE and SW-W) at Qingyang site in the Loess Plateau during June and July 2012,firstly,a quantitative index representing the degree of land surface inhomogeneity was established,and then an analysis was made of the relationship between surface inhomogeneity and surface temperature variability and its influence on the difference between LAS and ECS measured sensible heat fluxes.Results showed that the land surface inhomogeneity η had a good correlation with surface temperature variability г with a correlation coefficient up to 0.566,indicating that η can well represent land surface inhomogeneity.η also had a good consistency with the difference between LAS and ECS measured sensible heat fluxes (HLAS-HECS),its correlation coefficient being up to 0.634.η significantly influenced the difference between LAS and ECS measured sensible heat fluxes.The more inhomogeneous η was,the greater HLAS-HECSwas.For the two prevailing wind directions,η had a correlation coefficient of 0.430 with HLAS-HECSin E-SE wind direction,the fitting coefficient being 1.279; η had a correlation coefficient of 0.680 with HLAS-HECSin SW-W wind direction,the fitting coefficient being 1.297.LAS and ECS measured sensible heat fluxes will have a greater difference when the influence of land surface inhomogeneity is larger.

KeywordsLarge Aperture Scintillometer (LAS)； Eddy Covariance System (ECS)； Land surface inhomogeneity； Surface temperature variability； Difference of sensible heat flux

郝小翠，張強，楊澤粟.2016.隴東黃土高原下墊面不均勻性指標(biāo)的建立及其對大孔徑閃爍儀(LAS)觀測感熱通量的影響.地球物理學(xué)報，59(3):816-827,doi:10.6038/cjg20160305.

Hao X C,Zhang Q,Yang Z S.2016.A new index for land surface inhomogeneity and its impact on sensible heat flux measured by Large Aperture Scintillometer (LAS) over eastern Gansu of Loess Plateau.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):816-827,doi:10.6038/cjg20160305.