CN108984792B - 利用alpha不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地面通量观测数据处理技术领域，涉及利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法。本发明的方法包括：构建所述方法所需要的输入数据集；针对涡动通量观测数据有部分缺失的目标时间段，计算该时间段内未缺失时刻的潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值；基于Priestley－Taylor方程，根据上述平均值，求出对应时间段未缺失时刻的平均ALPHA值；基于ALPHA保持恒定的特征，将平均ALPHA值作为数据缺失时刻的ALPHA值，根据上述方程和地表能量平衡方程，对地面涡动通量观测数据缺失时刻的通量进行插补。对于快速准确的利用遥感手段进行潜热通量和显热通量的估算和验证研究具有重要意义。

Description

利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法

技术领域

本发明属于地面通量观测数据处理技术领域，具体而言，涉及一种利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法。

背景技术

基于涡动相关技术的通量观测研究是目前最为直接的一种定量测定地表能量平衡和能量通量的技术。通量观测数据是区域和全球尺度上地表能量平衡和水循环研究过程中极为重要的实测数据。但是，由于通量观测技术和环境条件的限制，在通量观测数据发布之前，必须对站点测得的通量观测数据进行一系列的处理，来进行数据质量的控制，包括WPL校正、坐标轴旋转和异常值剔除等一系列过程。同时由于天气原因、仪器故障、系统故障等外界干扰以及由上述数据质量控制过程造成了地面通量观测数据的缺失，因此需要对缺失的涡动通量观测数据进行合理的插补。由于缺失数据插补对结果估算的不确定性，使其在通量研究中具有重要的位置。

目前，虽然通量界有一些可用的插补方法，但这些方法对各种缺失数据的插补都具有一定的局限性，所以缺失数据的插补在很大程度上要依赖于研究人员的选择。在实际观测中，由于气象原因或者仪器、系统故障，以及数据质量控制等原因导致的地面通量观测数据缺失的现象普遍存在，因此，发展一种可靠的插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法，对于快速准确地获取站点和小区域尺度涡动通量连续变化过程具有重要意义。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法，以克服上述问题或者至少部分地解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

根据本发明的一个方面，本发明提供一种利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法，所述方法包括以下步骤：

S1：构建所述方法所需要的输入数据集；

S2：针对涡动通量观测数据有部分缺失的目标时间段，计算该时间段内未缺失时刻的潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值；

S3：基于Priestley－Taylor方程，根据潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值，求出对应时间段未缺失时刻的平均ALPHA值；

S4：基于ALPHA在目标时间段内保持恒定的特征，将所述的平均ALPHA值作为数据缺失时刻的ALPHA值，根据Priestley－Taylor方程和地表能量平衡方程，对地面涡动通量观测数据缺失时刻的潜热通量和显热通量进行插补。

作为进一步优选技术方案，步骤S1中，还包括获取相关数据，对获取的数据进行预处理的步骤；

优选地，所述相关数据包括涡动相关及能量平衡通量观测数据和气象观测数据；

优选地，所述涡动相关及能量平衡通量观测数据包括潜热通量观测数据、显热通量观测数据、土壤热通量观测数据和净辐射数据；

优选地，获取一定时间间隔的涡动相关及能量平衡通量观测数据和气象观测数据；所述一定时间间隔为10～120分钟时间间隔，优选为30～60分钟时间间隔，进一步优选为30分钟时间间隔。

作为进一步优选技术方案，步骤S2中，针对涡动通量观测数据有部分缺失的目标时间段，计算该时间段内白天所有未缺失时刻的一定时间间隔潜热通量、土壤热通量和净辐射的有效数据累加值，并分别取平均，得到对应的潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值；

优选地，所述目标时间段为半天、一天或几天，优选为一天；

优选地，所述一定时间间隔为10～120分钟时间间隔，优选为30～60分钟时间间隔，进一步优选为30分钟时间间隔。

作为进一步优选技术方案，白天时段的判定方法为：

若某一时刻的入射短波辐射R_s＞5W/m²，则认为是白天时刻，该时刻的数据为当日白天的数据。

作为进一步优选技术方案，目标时间段内白天数据所有未缺失时刻的潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值的计算公式分别为：

其中，

为目标时间段内白天数据所有未缺失时刻的潜热通量的平均值；

为目标时间段内白天数据所有未缺失时刻的土壤热通量的平均值；

为目标时间段内白天数据所有未缺失时刻的净辐射的平均值；n为目标时间段内白天数据未缺失的有效数据的个数。

作为进一步优选技术方案，步骤S3中，平均ALPHA值的计算公式为：

其中，

为对应时间段未缺失时刻的Priestley－Taylor平均ALPHA系数；

为对应时间段未缺失时刻的平均饱和水汽压曲线斜率，单位为kPa/℃；

为对应时间段未缺失时刻的平均干湿球常数；

和

分别为目标时间段内白天数据所有未缺失时刻的潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值。

作为进一步优选技术方案，步骤S4包括：

S41：根据Priestley－Taylor方程，对地面涡动通量观测数据缺失时刻的潜热通量进行插补；

S42：根据地表能量平衡方程，对地面涡动通量观测数据缺失时刻的显热通量进行插补。

作为进一步优选技术方案，步骤S41中，涡动通量观测数据缺失时刻的蒸散发LE_lack的计算公式为：

其中，Δ_lack、γ_lack、

和G_lack分别为涡动通量观测数据缺失时刻的饱和水汽压曲线斜率、干湿球常数、净辐射和土壤热通量。

作为进一步优选技术方案，步骤S42中，涡动通量观测数据缺失时刻的显热通量H_lack的计算公式为：

其中，

G_lack和LE_lack、分别为涡动通量观测数据缺失时刻的净辐射、土壤热通量和蒸散发。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种以上所述的利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法在遥感反演地表蒸散发的验证或地表蒸散发升降尺度研究等领域中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明基于ALPHA系数不变的假设，通过利用Priestley－Taylor方程和地表能量平衡方程，利用目标时间段数据未缺失时刻的涡动通量观测数据和能量观测数据，插补地面涡动通量观测数据缺失时刻的潜热通量和显热通量，进而实现利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据。本发明在插补地面缺失的涡动通量观测数据时，利用了Priestley－Taylor方程的ALPHA系数在目标时间内保持不变的特点，通过计算数据未缺失时刻的平均ALPHA系数，作为通量观测数据缺失时刻的瞬时ALPHA系数，结合通量观测数据缺失时刻的能量观测数据，进行插补得到缺失时刻的涡动通量观测数据。本发明能够有效解决由于天气原因、仪器故障或者数据质量控制等原因导致的部分地面涡动通量观测数据缺失的问题，对于快速准确的利用遥感手段进行潜热通量和显热通量的估算和验证研究具有重要意义。

本发明能够有效地插补地面缺失的涡动通量观测数据，既有明确的理论基础，又具有方法简单、灵活、易于操作，可操作性强，结果可靠性好等特点。

具体实施方式

下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。

第一方面，在至少一个实施例中提供一种利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法，所述方法包括以下步骤：

S1：构建所述方法所需要的输入数据集；

S2：针对涡动通量观测数据有部分缺失的目标时间段，计算该时间段内未缺失时刻的潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值；

S3：基于Priestley－Taylor方程，根据潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值，求出对应时间段未缺失时刻的平均ALPHA值；

S4：基于ALPHA在目标时间段内保持恒定的特征，将所述的平均ALPHA值作为数据缺失时刻的ALPHA值，根据Priestley－Taylor方程和地表能量平衡方程，对地面涡动通量观测数据缺失时刻的潜热通量和显热通量进行插补。

本发明基于ALPHA系数不变的假设/特征，通过利用Priestley－Taylor方程和地表能量平衡方程，利用目标时间段(例如全天)数据未缺失时刻的涡动通量观测数据和能量观测数据，插补地面涡动通量观测数据缺失时刻的潜热通量和显热通量，进而实现利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据。

本发明有效避免了由于天气原因、仪器故障或者数据质量控制而导致的部分地面通量观测数据缺失的问题，以及引起的进行日尺度实测验证时，由于地面通量观测数据的缺失而造成的不确定性，有助于连续地分析一天内地面通量观测数据的变化趋势，以及得到更合理的日尺度观测值，对于快速准确的利用遥感手段进行潜热通量和显热通量的估算和验证研究具有重要意义。

可以理解的是，上述“ALPHA”代表的是希腊字母α，其为Priestley－Taylor方程的系数。

在本发明的一种优选实施方式中，所述方法包括以下步骤：

S1：获取相关的数据，对获取的数据进行预处理；初步构建利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据所需要的输入数据集；

S2：针对涡动通量观测数据有部分缺失的目标时间段，计算该时间段内白天所有未缺失时刻的一定时间间隔潜热通量、土壤热通量和净辐射的有效数据累加值，并分别取平均，得到对应的潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值；

S3：基于Priestley－Taylor方程，根据潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值，求出对应的白天数据未缺失时刻的平均ALPHA值

S41：基于ALPHA在目标时间段内保持恒定的特征，将所述的平均ALPHA值作为数据缺失时刻的ALPHA值，根据Priestley－Taylor方程，对地面涡动通量观测数据缺失时刻的潜热通量进行插补

S42：基于地表能量平衡方程，对地面涡动通量观测数据缺失时刻的显热通量进行插补。

需要说明的是，步骤S1中，输入数据包括涡动相关及能量平衡通量观测数据和气象观测数据等，但本发明不对具体的涡动相关数据及能量平衡通量观测数据做具体限定；计算过程中所需要的具体的气象数据，本发明在此不一一列举，本发明对于具体的气象数据也不做具体限定。

可以理解的是，本发明对于目标时间段的具体时间没有特殊限制，本领域技术人员可根据实际情况，选择适宜的时间段进行插补，例如可以为半天、一天或者几天等，优选是一天。本发明下面主要以一天(全天)数据为例进行进一步的说明，但这不应视为对本发明的限制。

进一步需要说明的是，本发明对于上述的“一定时间间隔”也没有特殊限制，本领域技术人员可根据实际情况，选择适宜的时间间隔进行计算，例如可以为30min、60min、90min、120min等，优选采用的是30min或60min的时间间隔。本发明下面主要以30min(半小时)时间间隔为例进行进一步的说明，但这不应视为对本发明的限制。

应当理解的是，本发明所述方法的说明中未详细描述的内容，均是本领域技术人员容易想到的常用参数或操作方式，或是本领域常规的条件，因此可以省略对其的详细说明。

下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例

一种利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法，包括以下步骤：

S1：构建所述方法所需要的输入数据集；

所述S1具体包括：

初步构建利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的输入数据集，并进行相关数据的获取，对获取的通量数据进行数据预处理。即首先获取半小时时间间隔的涡动相关及能量平衡通量观测数据和气象观测数据，包括潜热通量观测数据，记为LE_i；显热通量观测数据，记为H_i；土壤热通量观测数据，记为G_i；净辐射数据，记为Rn_i；以及气象观测数据。

S2：针对涡动通量观测数据有部分缺失的目标时间段，计算该时间段内未缺失时刻的潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值；

所述S2具体包括：

针对涡动通量观测数据有部分缺失的某一天，选择当日白天时段的数据，其中白天时段的判定方法为，若某一时刻的入射短波辐射R_s＞5W/m²，则认为是白天时刻，该时刻的数据为当日白天的数据；计算该日白天所有未缺失时刻的半小时时间间隔潜热通量、土壤热通量和净辐射的有效数据累加∑LE、∑G和∑R_n，并分别取平均，得到对应的多时刻通量和辐射平均值，分别记为

和

三者平均值的计算公式分别如公式(1)、(2)和(3)所示：

其中，n为当日白天数据未缺失的有效数据个数，即有效半小时的时刻数量。

S3：基于Priestley－Taylor方程，根据潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值，求出对应时间段未缺失时刻的平均ALPHA值；

所述S3具体包括：

根据步骤S2算出的当日白天的多时刻通量和辐射平均值，求出对应的白天数据未缺失时刻的平均ALPHA值

平均ALPHA值的计算公式如公式(4)所示：

其中，

为当日白天所有涡动通量观测数据未缺失时刻的Priestley－Taylor平均ALPHA系数；

为当日白天所有涡动通量观测数据未缺失时刻的平均饱和水汽压曲线斜率，单位为kPa/℃；

为当日白天所有涡动通量观测数据未缺失时刻的平均干湿球常数；

和

分别为当日白天数据未缺失的多时刻潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值。

S4：基于ALPHA在目标时间段内保持恒定的特征，将所述的平均ALPHA值作为数据缺失时刻的ALPHA值，根据Priestley－Taylor方程和地表能量平衡方程，对地面涡动通量观测数据缺失时刻的潜热通量和显热通量进行插补；

所述S4具体包括：

S41：基于ALPHA在一天内保持恒定的特征，步骤S3得到的白天数据未缺失时刻的平均

可作为数据缺失时刻的ALPHA，故一天内任意时刻的

然后根据Priestley－Taylor方程，结合地面涡动通量观测数据缺失时刻的净辐射和土壤热通量数据，计算得到涡动通量观测数据缺失时刻的蒸散发LE_lack，其计算公式如公式(5)所示：

其中，Δ_lack、γ_lack、

和G_lack分别为当日涡动通量观测数据缺失时刻的饱和水汽压曲线斜率、干湿球常数、净辐射和土壤热通量。

S42：基于地表能量平衡方程，可计算得到涡动通量观测数据缺失时刻半小时时间间隔的显热通量H_lack，其计算公式如公式(6)所示：

其中，

G_lack和LE_lack、分别为当日涡动通量观测数据缺失时刻的净辐射、土壤热通量和蒸散发。

综上，可实现利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据。

本发明提出的利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法具有如下特点：

本发明基于ALPHA系数不变的假设，通过利用Priestley－Taylor方程和地表能量平衡方程，利用全天数据未缺失时刻的涡动通量观测数据和能量观测数据，插补地面涡动通量观测数据缺失时刻的潜热通量和显热通量，进而实现利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据。本发明在插补地面缺失的涡动通量观测数据时，利用了Priestley－Taylor方程的ALPHA系数在一天内保持不变的特点，通过计算数据未缺失时刻的平均ALPHA系数，作为通量观测数据缺失时刻的瞬时ALPHA系数，结合通量观测数据缺失时刻的能量观测数据，进行插补得到缺失时刻的涡动通量观测数据。本发明能够有效解决由于天气原因、仪器故障或者数据质量控制而导致的部分地面涡动通量观测数据缺失的问题，对于快速准确的利用遥感手段进行潜热通量和显热通量的估算和验证研究具有重要意义。

本发明能够有效地插补地面缺失的涡动通量观测数据。

应当理解的是，本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：构建所述方法所需要的输入数据集，具体包括：

初步构建利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的输入数据集，并进行相关数据的获取，对获取的通量数据进行数据预处理；即首先获取半小时时间间隔的涡动相关及能量平衡通量观测数据和气象观测数据，包括潜热通量观测数据，记为LE_i；显热通量观测数据，记为H_i；土壤热通量观测数据，记为G_i；净辐射数据，记为Rn_i；以及气象观测数据；

S2：针对涡动通量观测数据有部分缺失的目标时间段，计算该时间段内未缺失时刻的潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值，具体包括：

针对涡动通量观测数据有部分缺失的某一天，选择当日白天时段的数据，其中白天时段的判定方法为，若某一时刻的入射短波辐射Rs>5W/m²，则认为是白天时刻，该时刻的数据为当日白天的数据；计算该日白天所有未缺失时刻的半小时时间间隔潜热通量、土壤热通量和净辐射的有效数据累加∑LE、∑G和∑R_n，并分别取平均，得到对应的多时刻通量和辐射平均值，分别记为

和

三者平均值的计算公式分别如公式(1)、(2)和(3)所示：

其中，n为当日白天数据未缺失的有效数据个数，即有效半小时的时刻数量；

S3：基于Priestley-Taylor方程，根据潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值，求出对应时间段未缺失时刻的平均ALPHA值，具体包括：

根据步骤S2算出的当日白天的多时刻通量和辐射平均值，求出对应的白天数据未缺失时刻的平均ALPHA值

平均ALPHA值的计算公式如公式(4)所示：

其中，

为当日白天所有涡动通量观测数据未缺失时刻的Priestley-Taylor平均ALPHA系数；

为当日白天所有涡动通量观测数据未缺失时刻的平均饱和水汽压曲线斜率，单位为kPa/℃；

为当日白天所有涡动通量观测数据未缺失时刻的平均干湿球常数；

和

分别为当日白天数据未缺失的多时刻潜热通量、土壤热通量和净辐射的平均值；

S4：基于ALPHA在目标时间段内保持恒定的特征，将所述的平均ALPHA值作为数据缺失时刻的ALPHA值，根据Priestley-Taylor方程和地表能量平衡方程，对地面涡动通量观测数据缺失时刻的潜热通量和显热通量进行插补；

具体包括：基于ALPHA在一天内保持恒定的特征，步骤S3得到的白天数据未缺失时刻的平均ALPHA值

可作为数据缺失时刻的ALPHA，故一天内任意时刻的

然后根据Priestley-Taylor方程，结合地面涡动通量观测数据缺失时刻的净辐射和土壤热通量数据，计算得到涡动通量观测数据缺失时刻的蒸散发LE_lack，其计算公式如公式(5)所示：

其中，Δ_lack、γ_lack、

和G_lack分别为当日涡动通量观测数据缺失时刻的饱和水汽压曲线斜率、干湿球常数、净辐射和土壤热通量；

S42：基于地表能量平衡方程，可计算得到涡动通量观测数据缺失时刻半小时时间间隔的显热通量H_lack，其计算公式如公式(6)所示：

其中，

G_lack和LE_lack、分别为当日涡动通量观测数据缺失时刻的净辐射、土壤热通量和蒸散发。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将权利要求1所述的利用ALPHA不变法插补地面缺失的涡动通量观测数据的方法应用在遥感反演地表蒸散发的验证或地表蒸散发升降尺度研究中。