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地表湍流通量包括显热通量和潜热通量,它的准确测定对天气气候预报、农业节水和水资源管理等意义重大。目前应用较为广泛的通量测量技术如涡动相关仪(EC)和大孔径闪烁仪(LAS),前者是单点观测,观测范围通常只有几百米,后者可以观测从几百米到十几公里尺度上的区域湍流通量,二者测量结果只是反映特定下垫面或某部分下垫面的物理过程,这样由点到面或者由线到面的空间代表性就成为通量观测中不可忽视的问题,通量观测足迹和源区的提出正是解决这一问题的有效方法。
本文根据Kormann和Meixner(2001)提出的方法,建立了EC和LAS通量解析足迹模型。文中详细介绍了足迹模型的理论依据和建立方法,并对二者模型的异同进行了阐释。另外,改善了FSAM模型和实现了Hsieh足迹计算方法,文中将对以上通量足迹模型在不同稳定度条件下的计算结果进行展示,并分析原因。
本文利用2008年海河流域通量观测站(密云、馆陶、大兴)和2008年黑河流域通量观测站(临泽草地生态试验站、阿柔观测站、盈科绿洲站、大野口关滩森林站)的观测数据,比较了多种气候学足迹的计算方法,分析了涡动相关仪与大孔径闪烁仪观测通量源区的时空变化特征.主要研究结论如下:
1.气候学足迹:
在计算日的足迹时,算术平均法、点跟踪平均法、加权平均法计算的结果差别较大,算术平均法、点跟踪平均法无法处理一些低通量数据的影响,难以区分观测通量不同大小时足迹的计算;在计算月的足迹时,算术平均法、点跟踪平均法、加权平均法计算的结果差别不大,主要是因为大量的观测数据的计算,掩盖了算法的缺陷。但是,值得注意的是,算术平均法、点跟踪平均法在计算气候学足迹之前,是需要进行一定的数据筛选,而加权平均法不需要剔除低通量观测数据,另外,加权平均法对夜间的观测数据同样可以进行足迹计算,而且计算结果更加真实,这是加权平均法最大的亮点,同时,其赋予权重的方法增加了足迹计算的难度,降低了它的可用性,而算术平均法、点跟踪平均法具有较好的可实现性。
2.海河流域观测通量的空间代表性分析:
1)密云观测站处于谷中,风向具有规律性,白天风向以西南风为主,而夜间以北风为主,早晚过渡时刻风向发生改变,一般出现时间是早8点和晚17点,最终导致EC通量贡献源区主要分布在西南方向和东北方向。EC通量源区分布在距塔500m范围以内,EC通量源区分布范围主要由风向决定。LAS通量贡献源区受风向变化影响不大,沿西南-东北方向分布,垂直LAS光程路径距离500m的范围为其主要贡献源区。EC通量观测的主要贡献地物是李子树,其次是苹果林和玉米地(裸地),李子林平均贡献率为45%、苹果林和玉米地(裸地)同为21%; LAS通量观测的主要贡献地物是居民地和苹果林,其次是玉米地,居民地和苹果林的平均贡献率均在30%左右,而玉米地的平均贡献率在20%左右。
2)馆陶观测站盛行风向是南风和北风,且风向变换较快,没有太长的过渡时间,东风和西风相对较少。EC通量源区形状不同,大致分布在南向和北向,距塔500m范围以内,LAS通量贡献源区受风向变化影响不大,沿南-北方向分布,垂直LAS光程路径距离500m的范围为其主要贡献源区。EC通量观测的主要贡献地物是玉米(冬小麦)和棉花(裸地),玉米(冬小麦)平均贡献率为47%、棉花(裸地)平均贡献率为45%; LAS通量观测的主要贡献地物与EC相同,依然是玉米(冬小麦)和棉花(裸地),玉米(冬小麦)、棉花(裸地)平均贡献率均在47%左右。
3)大兴观测站风向分布的范围较广,各方向的都有来风,风向的日变化没有一定规律,白天和夜间风向的变化没有太多差异。EC通量源区呈环状分布,距塔500m范围以内,LAS通量贡献源区受风向变化影响不大,沿南-北方向分布,但因较多风向与LAS光程路径垂直,源区范围较大,垂直LAS光程路径距离500m的范围为其主要贡献源区。
3.黑河流域观测通量的空间代表性分析:
1)大野口关滩站源区沿东北、西南方向分布,东北方向距观测塔200m范围为EC通量观测主要贡献源区,源区下垫面以林地为主,盈科绿洲站、阿柔站EC通量观测的主要贡献源区为距离观测塔周边250m环形范围,垂直LAS光程路径距离250m的范围为阿柔站LAS通量观测主要贡献源区,盈科绿洲站源区下垫面以小麦、玉米为主,阿柔站源区下垫面以草地为主。
2)阿柔观测站选择的典型天,10:30左右是EC和LAS观测通量观测差异出现的时刻,也是风向从东南转向西北方向的时刻,临泽草地站选择的典型天,14:00左右是通量观测差异出现的时刻;在各观测站点由EC观测的显热通量和LAS观测而得的显热通量,并没有一定的高低规律,需要分析下垫面的水热特性,结合足迹模型,来进行差异解释。