低丘山地人工林显热通量空间代表性和尺度效应的研究

摘要

涡动相关仪和大孔径闪烁仪是目前比较流行的地面通量观测技术，其中涡动相关仪(EC)是单点观测，观测范围通常只有几百米；大孔径闪烁仪(LAS)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，这样通量印痕模型和通量源区的提出正是解决由点到面空的间代表性以及通量测算尺度转换的有效方法。
　　 本文参考Meijninger将通量印痕模型分析应用于LAS，综合基于单点的通量印痕函数的原始定义式和LAS沿光程路径方向的权重函数，建立了LAS通量印痕模型函数，采用了位于河南省济源市的华北低丘山地30年生栓皮栎-侧柏-刺槐人工林生态系统的2009年5月-12月的观测数据，分别分析了不同时空变化条件下该森林生态系统基于LAS和EC观测得到的通量源区分布变化情况，并比较了两者源区变化的差异。同时，分析确定了该下垫面条件下LAS测算显热通量的计算方法；利用通量印痕模型对由EC观测的得到区域平均显热通量进行订正，并分析了LAS与EC测算区域显热通量的相关性。主要研究结论如下：1．敏感性分析
　　 分别对LAS通量印痕模型以及LAS显热通量的计算进行敏感性分析，结果表明：LAS通量印痕对风向、莫宁—奥布霍夫长度，大气动力学粗糙度和观测高度和LAS光径有效高度等因子比较敏感。LAS显热通量的计算对风速、零平面位移和LAS光径有效高度比较敏感，气压和气温的变化对于LAS显热通量的计算影响很小。在干旱或者半干旱半湿润地区，波文比可以忽略或者赋予定值，对结果影响不大。2.LAS通量源区的时空变化分析：
　　 (1)不同风向条件下，在大气不稳定时，东南风向时源区面积最小，为1.1547km2;西南风向时面积最大，为1.5237km2;在大气层结稳定时，西北风向时源区最小，为1.7271km2，西南风向时最大，为3.5289km2。并且在大气不稳定时的源区面积均小于稳定条件下的面积。其中，大气层结稳定时面积最小的西北风向时的源区面积比不稳定时面积最大的西南风向时的源区面积还要大11.8％。在风向近似垂直于光程路径路线时，LAS能够利用整个光程路径较大范围地观测通量源区；而在风向与光程路径夹角较小时，总有部分光程路径上无法观测到通量信息。
　　 (2)典型晴好天气里，上午8点源区面积较大，为1.1483km2，到11点时源区面积达到最小，为0.4518km2。14点后通量源区面积也随之由0.4779 km2增加到17点的0.7137km2。通量源区的变化情况与辐射、温度等影响大气稳定状况和湍流交换的气象要素的变化趋势是一致的。
　　 (3)受大气状态、风向及下垫面的性状的影响，各月通量源区分布具有非均匀性。2009年5-12月期间，各月源区面积分别为1.834km2、1.680km2、2.043km2、1.671km2、1.380km2、2.118km2、1.587km2、1.922km2。7月及10月通量源区面积较大，其大气层结稳定的天数分别占每月总统计时数的56.0％和56.3％，而9月与11与的通量源区较小，其大气层结稳定的天数分别只占每月总统计时数的27.6％和39.9％。
　　 (4)EC通量源区分布符合通量源区的基本分布规律，无论在何种大气状况下，还是在风向发生变化的时候，通量源区均小于LAS通量源区分布。3．分析LAS与EC测算的观测区域的平均显热通量的相关性，HLAS与HfEC的线性相关系数可达0.97。说明在分析通量印痕模型和通量源区的基础上，采用LAS测算低丘山地人工混交林显热通量具有较好的可行性。