CN111366195A - 一种地表水热通量的多尺度观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种地表水热通量的多尺度观测方法，该方法包括：S1、选择对应观测区域的且精度在预设范围内的多个观测仪器；S2、借助于均匀下垫面仪器比对与标定的方式，使所有观测仪器中同类仪器的观测精度一致；S3、根据非均匀地表观测仪器布设原理，通过优化采样设计，确定每一观测仪器的实际位置；S4、基于实际位置安装的每一观测仪器，获取多尺度、多要素的地面观测数据。上述方法可获取连续的、多尺度的水热通量、配套参数(气象要素、土壤温湿度、叶面积指数)数据，实现台站观测值与不同分辨率卫星遥感反演值之间的衔接，进而可为遥感产品算法和数值模型模拟结果提供卫星像元/模型网格尺度地面相对真值等验证数据，提高其精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种地面观测技术，特别涉及一种多尺度、多要素的观测技术，具体为一种地表水热通量的多尺度观测方法。
背景技术
土壤-植被-大气是统一的、动态的、互相作用的连续系统，是国际学术界的研究热点。定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程是以通量测量为基础的。通量作为一个物理学概念，是指单位时间内通过某一界面单位面积所输送的动量、热量和物质等物理量。
随着全球变化研究的广泛开展，通量作为反映生态系统对环境变化响应的重要指标越来越受到关注。目前FLUXNET已经发展成为由27个区域通量观测网络和研究组织组成的全球通量观测网络联盟。FLUXNET通量研究站点由20世纪90年代初的不足20个，至今已发展到全球900多个观测站点，遍布全球不同的气候区和植被类型。这些观测站点基本是以涡动相关仪通量系统为主的单尺度观测(百米级尺度)。随着近几十年遥感技术、陆面过程/水文/数值天气预报等模型的发展，已能够获取区域和全球的大尺度水热通量产品(一般1-5km)。然而，这些产品需要地面观测值来验证与校正，但由于自然植被的多样性以及地形地貌和气候条件复杂性，陆气间地表水热通量交换过程存在强烈的空间异质性。因此，如何直接获取准确的大尺度地表水热通量的地面观测结果已成为制约相关遥感产品算法与相关数值模型发展的重要因子和技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种地表水热通量的多尺度观测方法，该方法可获取连续的、多尺度的水热通量以及相应配套参数(如气象要素、土壤温湿度和叶面积指数等)，实现台站观测值与不同分辨率卫星遥感反演值之间的衔接。
为了达到上述的目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明提供一种地表水热通量的多尺度观测方法，包括：
步骤S1、选择对应观测区域且精度在预设范围内的多个观测仪器；
步骤S2、借助于均匀下垫面的仪器比对与标定方式，使所有观测仪器中同类仪器的观测精度一致；
步骤S3、根据非均匀地表观测仪器布设原理，通过优化采样设计，确定每一观测仪器的实际位置；
步骤S4、基于实际位置安装的每一观测仪器，获取多尺度、多要素的地面观测数据。
可选地，所述多个观测仪器包括：
单站多尺度观测时使用的一台蒸渗仪、涡动相关仪与闪烁仪(地表水热通量)，宇宙射线土壤水分测量仪与土壤温湿度无线传感器网络，叶面积指数无线传感器网络以及自动气象站/气象要素梯度观测系统；
通量观测矩阵观测时使用的多套的涡动相关仪、闪烁仪、自动气象站以及气象要素梯度观测系统、土壤温湿度无线传感器网络与叶面积指数无线传感器网络风温廓线仪与GPS探空系统。
可选地，所述步骤S2包括：
将所有的观测仪器进行分类；
选择相对均匀的下垫面，对分类后的各同类仪器进行比对，并标定。
可选地，所述步骤S3包括：
针对单站多尺度观测方式，确定观测区域的主风方向、研究对象；
根据所述主风方向、研究对象，将闪烁仪架设在受毗邻生态系统干扰最小的地点，且闪烁仪的光径路线呈南北向，并垂直于观测区域的主风方向；
在闪烁仪的路径中间安装蒸渗仪、涡动相关仪、自动气象站/气象要素梯度观测系统和宇宙射线土壤水分仪；
蒸渗仪内种植研究对象的植被；涡动相关仪朝向主风方向，安装高度在地表或植被冠层上方1.5m及以上位置；
自动气象站配备用于测量风温湿压、降水、辐射、土壤热通量和土壤温湿度廓线的传感器，并使风温湿传感器的安装高度与闪烁仪有效高度相同；
在闪烁仪的源区内安装包括多个节点的土壤温湿度和叶面积指数无线传感器网络设备。
可选地，所述步骤S3包括：
针对通量观测矩阵观测方式，设置两个嵌套的大矩阵(区域尺度)、小矩阵(局地尺度)
针对观测区域尺度上目标地表与周边环境的水热相互作用，在目标地表和周边地表，根据地表类型与下垫面的非均匀程度，通过优化采样设计，分别架设多套涡动相关仪和自动气象站；
针对局地尺度上水热通量，根据地表类型与水热状况的非均匀性将小矩阵区分成若干个小区，在每个小区内架设一套涡动相关仪和自动气象站；
根据相应遥感像元的大小，架设多套闪烁仪，同时在小矩阵内密集布置土壤温度与湿度、叶面积指数的无线传感器网络；
用气象要素梯度观测系统、风温廓线仪和GPS探空系统同步观测区域上空大气边界层条件。
可选地，闪烁仪的光径路线为发射端和接收端的路径，路径长度在1.5-5km(即至少大于1个半卫星遥感像元)，安装高度10-35m(即大于光径路线上障碍物高度)。
可选地，区域尺度包括下述的一种或多种：
绿洲-荒漠、湖泊-陆地、海洋-陆地；
局地尺度包括下述的一种或多种：农田、林地、草地、湿地、水体、裸地与居民地。
可选地，所述步骤S4包括：
通过观测仪器直接测量得到不同尺度水热通量以及配套参数(如气象要素、土壤温湿度和叶面积指数)的观测值；
观测结果可以发展与检验不同的升尺度方法，获取卫星像元/模型网格尺度地面相对真值数据，用于验证遥感产品算法与相关数值模型。
本发明的有益效果是：
在本发明中，通过仪器选型保证仪器的精度，通过比对与标定保证仪器精度的一致性，通过优化采样设计保证观测结果的代表性，通过直接和间接的方法获取多尺度通量。进而可为遥感算法和模型模拟结果的验证提供卫星像元/模型网格尺度地面相对真值数据，提高验证过程的可靠性，有助于获取精度较高的区域和全球尺度水热通量产品。
具体地，本发明中为了获取多尺度水热通量，对观测仪器进行优化布设；获取多尺度(米级-百米级-公里级)水热通量以及相应的配套参数(气象要素、土壤温度与湿度、叶面积指数)观测数据。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的地表水热通量的多尺度观测方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例的实现过程中使用单站多尺度观测方式的示意图；
图3为本发明另一实施例的实现过程中使用通量观测矩阵方式的示意图；
图4为本发明一实施例示出的大矩阵和小矩阵的示意图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例一
参见图1和2所示，本发明实施例提供一种表水热通量的多尺度观测方法的示意图，本实施例的方法可包括下述步骤：
步骤S1、选择对应观测区域且精度在预设范围内的多个观测仪器。
举例来说，单站多尺度观测时使用的一台蒸渗仪、涡动相关仪、闪烁仪、气象要素梯度观测系统/自动气象站以及土壤温湿度无线传感器网络、叶面积指数无线传感器网络与宇宙射线土壤水分测量仪；
通量观测矩阵观测时使用的多套涡动相关仪、多组闪烁仪、多套自动气象站和土壤温湿度无线传感器网络、叶面积指数无线传感器网络以及气象要素梯度观测系统、风温廓线仪与GPS探空系统等。
在实际应用中，通量观测矩阵观测时使用的仪器比单站多尺度观测时使用的仪器多一些，如上所述的风温廓线仪与GPS探空系统等。
步骤S2、借助于均匀下垫面仪器比对与标定的方式，使所有观测仪器中同类仪器的观测精度一致。
在实际应用中，可以将所有的观测仪器进行分类；例如可以按照仪器的功能进行划分，如地表水热通量(包括百米级、公里级尺度)、气象要素(辐射、空气温度与湿度、风速、土壤温湿度等)等。
此外，可以选择相对均匀的下垫面，对分类后的各同类仪器进行比对，并标定。举例来说，如在戈壁区域，或作物长势一致、土壤水分条件一致的植被下垫面，对各同类仪器进行比对与标定。
需要说明的是，使用专用设备对观测用的传感器进行定标，如采用高纯氮气和以干空气为平衡气的二氧化碳标气对CO2/H2O红外气体分析仪观测的二氧化碳浓度进行标定，采用高纯氮气和露点发生仪对观测的水汽浓度进行标定。
步骤S3、根据非均匀地表观测仪器布设原理，通过优化采样设计，确定每一观测仪器的实际位置。
举例来说，针对单站多尺度观测方式，确定观测区域的主风方向、研究对象；其可以包括下述的子步骤S31a至S35a，具体说明如下：
S31a、根据所述主风方向、研究对象，将闪烁仪架设在受毗邻生态系统干扰最小的地点，且闪烁仪的光径路线呈南北向，并垂直于观测区域的主风方向；
S32a、在闪烁仪的路径中间安装蒸渗仪、涡动相关仪、自动气象站/气象要素梯度观测系统和宇宙射线土壤水分仪；
S33a、蒸渗仪内种植研究对象的植被；涡动相关仪朝向主风方向，安装高度在地表或植被冠层上方1.5m及以上位置；
S34a、自动气象站配备用于测量风温湿压、降水、辐射、土壤热通量和土壤温湿度廓线的传感器，并使风温湿传感器的安装高度与闪烁仪有效高度相同；
S35a、在闪烁仪的源区内安装包括多个节点的土壤温湿度和叶面积指数无线传感器网络。
步骤S4、基于实际位置安装的每一观测仪器，获取多尺度、多要素的地面观测数据。
在本实施例中，通过观测仪器直接测量得到不同尺度水热通量以及配套参数(气象要素、土壤温湿度和叶面积指数)的观测值；
观测结果可以发展与检验不同的升尺度方法，获取卫星像元/模型网格尺度地面相对真值数据，用于验证遥感产品算法与相关数值模型。
本实施例中获取的数据可以作为基础数据，研究当地的地表通量、气象、植被等变化特征；还可用于验证不同时空分辨率的遥感产品与数值模型。
进一步地，观测数据可进行升尺度方法研究，以及对升尺度结果进行验证。如，蒸渗仪观测地表蒸散发为米级尺度，涡动相关仪观测水热通量为百米级尺度，闪烁仪观测水热通量为公里级尺度，可以验证涡动相关仪观测值的升尺度结果。
在本实施例中，观测仪器的确定，选取国际主流精度高，能够满足观测需求的仪器设备；确保观测仪器精度的一致性，可通过均匀下垫面仪器的比对与标定实现；观测仪器位置的确定，根据仪器自身的属性并通过优化布设方案确定；多尺度水热通量以及相应的配套参数(气象要素、土壤温度与湿度、叶面积指数)观测数据通过直接(观测仪器获取)和间接(多种升尺度方法)方法获取。
实施例二
结合图1、3和4所示，对本发明实施例中的地表水热通量的多尺度观测方法进行详细说明。
步骤1)观测仪器的确定。
针对水热通量和配套参数(气象要素、土壤温湿度和叶面积指数等)的观测仪器，选取国内外主流的观测仪器，且精度高的设备。
步骤2)观测仪器的比对与标定。
在观测试验开展前，选择相对均匀的下垫面，对所用的同类仪器进行比对，如地表水热通量观测仪器(涡动相关仪、闪烁仪)、气象要素(辐射、风温湿压、土壤温湿度等)和叶面积指数探头等。在本实施例中，同类仪器是根据观测仪器的功能划分的，涡动相关仪和闪烁仪可以观测地表水热通量(感热和潜热通量)，辐射传感器观测的是上、下行长、短波辐射；土壤温湿度探头是观测土壤温度和土壤水分廓线等。
对多层风温湿传感器，则在相同高度上进行比对(例如，气象要素梯度观测包括6-7层的风速风向、空气温湿度观测，安装之前对这些仪器在同一高度进行比对，比对之后再进行安装)。对土壤温湿度探头、涡动相关仪、闪烁仪等设备进行标定和比对，以便评估观测仪器的一致性与可靠性，指导仪器的优化布设。
在本实施例中，用标准气体和露点仪对涡动相关仪的“CO2/H2O红外气体分析仪”测量的CO2和水汽进行零点和最大点的标定。
对自动气象站和无线传感器网络中的红外温度传感器用黑体进行标定。对土壤水分进行干、湿极点标定。
步骤3)观测仪器位置的确定。
举例来说，针对通量观测矩阵观测方式，设置两个嵌套的大、小矩阵；其可以包括下述的子步骤a01至a05，具体说明如下：
a01、针对观测区域尺度上目标地表与周边环境的水热相互作用，在目标地表和周边地表，根据地表类型与下垫面的非均匀程度，通过优化采样设计分别架设多套涡动相关仪和自动气象站；
a02、针对局地尺度上水热通量，根据地表类型与水热状况的非均匀性将小矩阵区分成若干个小区，在每个小区内架设一套涡动相关仪和自动气象站；
在该子步骤中，区域尺度可以理解为：面积比较大的区域，如几十公里乘以几十公里，包括了不同的生态系统和地表类型，如绿洲-荒漠区域；大矩阵在这个范围内布设。也就是说，通过扩散而由许多斑块联结而成的比较大的地区；
局地尺度是相对比较小的区域，如绿洲范围内几公里乘以几公里，也包括了不同的地表类型，小矩阵布设在这里，是更精细的观测。
a03、在小矩阵或局地尺度内，根据相应遥感像元的大小，架设多套闪烁仪的观测系统，同时密集布置土壤温度与湿度、叶面积指数的无线传感器网络；
在实际应用中，还可包括生物量、土壤属性参数等的观测网络。在子步骤a03中仅为举例说明，并不对其限定。
a04、用气象要素梯度观测系统、风温廓线仪和GPS探空系统同步观测区域上空大气边界层条件。
也就是说，设置两个嵌套的大、小矩阵(针对区域尺度布设的是大矩阵，针对局地尺度布设小矩阵。在本实施例中即为一个嵌套的矩阵)。针对区域尺度(如绿洲-荒漠、湖泊-陆地、海洋-陆地等区域)上目标地表与周边环境的水热相互作用，在目标地表和周边地表，根据地表类型与非均匀程度，通过优化采样设计，分别架设多套涡动相关仪和自动气象站，监测目标地表与周边环境的水热交换特征及其平流影响。针对局地尺度(如农田、林地、草地、湿地、水体、裸地与居民地等)上水热通量，根据地表类型与水热状况将小矩阵区分成若干个小区，在每个小区内架设一套涡动相关仪和自动气象站，观测小区地表通量与水文气象要素，捕捉地表水热通量及其影响因子的时空非均匀性。并根据遥感像元的大小，架设多套闪烁仪，同时在小矩阵内密集布置土壤温度与湿度、叶面积指数等的无线传感器网络，进行多点的土壤水分与温度、植物叶面积指数等观测。同时，用气象要素梯度观测系统、风温廓线仪和GPS探空系统同步观测区域上空大气边界层条件。
步骤4)多尺度、多要素观测数据的获取
通过仪器设备直接测量可以得到不同尺度水热通量以及相应的配套参数(气象要素、土壤温度与湿度、叶面积指数)观测数据；观测结果可以验证不同的升尺度方法，提升了台站观测通量数据的空间代表性，实现了台站通量观测值与不同分辨率卫星遥感反演值之间的衔接。
需要说明的是，本实施例中多尺度、多要素观测数据大部分属于直接测量的数据，例如，观测数据包括多尺度(米级、百米级和公里级)、多要素(地表通量、气象要素、植被与土壤参数)等。
这些观测数据既可以作为基础数据研究当地的气象、植被与土壤等，也可以用于验证不同时空分辨率遥感产品与模型模拟值。也就是说，观测数据可进行升尺度方法研究，以及对升尺度结果进行验证。如，涡动相关仪观测水热通量为百米级尺度，矩阵内多组涡动相关仪观测值可升尺度到公里级；闪烁仪观测水热通量为公里级尺度，可以验证涡动相关仪观测值的升尺度结果。
以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种地表水热通量的多尺度观测方法，其特征在于，包括：
步骤S1、选择对应观测区域且精度在预设范围内的多个观测仪器；
步骤S2、借助于均匀下垫面仪器比对与标定的方式，使所有观测仪器中同类仪器的观测精度一致；
步骤S3、根据非均匀地表观测仪器布设原理，通过优化采样设计，确定每一观测仪器的实际位置；
步骤S4、基于实际位置安装的每一观测仪器，获取多尺度、多要素的地面观测数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个观测仪器包括：
单站多尺度观测时使用的一台蒸渗仪、涡动相关仪、闪烁仪、宇宙射线土壤水分测量仪、土壤温湿度无线传感器网络、叶面积指数无线传感器网络、自动气象站/气象要素梯度观测系统；
通量观测矩阵观测时使用的多套涡动相关仪、多组闪烁仪、多套自动气象站和土壤温湿度无线传感器网络、叶面积指数无线传感器网络以及气象要素梯度观测系统、风温廓线仪与GPS探空系统。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
将所有的观测仪器进行分类；
选择相对均匀的下垫面，对分类后的同类仪器进行比对，并标定。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
针对单站多尺度观测方式，确定观测区域的主风方向、研究对象；
根据所述主风方向、研究对象，将闪烁仪架设在受毗邻生态系统干扰最小的地点，且闪烁仪的光径路线呈南北向，并垂直于观测区域的主风方向；
在闪烁仪的路径中间安装蒸渗仪、涡动相关仪、自动气象站/气象要素梯度观测系统和宇宙射线土壤水分仪；
蒸渗仪内种植研究对象的植被；涡动相关仪朝向主风方向，安装高度在地表或植被冠层上方1.5m及以上位置；
自动气象站配备用于测量风温湿压、降水、辐射、土壤热通量和土壤温湿度廓线的传感器，并使风温湿传感器的安装高度与闪烁仪有效高度相同；
在闪烁仪的源区内安装包括多个节点的土壤温湿度和叶面积指数传感器网络。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
针对通量观测矩阵观测方式，设置两个嵌套的大矩阵即区域尺度、小矩阵即局地尺度；
针对观测区域尺度上目标地表与周边环境的水热相互作用，在目标地表和周边地表，根据地表类型与下垫面的非均匀程度，通过优化采样设计分别架设多套涡动相关仪和自动气象站；
针对局地尺度上水热通量，根据地表类型与水热状况的非均匀性将小矩阵区分成若干个小区，在每个小区内架设一套涡动相关仪和自动气象站；
根据卫星遥感像元的大小，架设多套闪烁仪，同时在小矩阵内密集布置土壤温度与湿度、叶面积指数的无线传感器网络；
用气象要素梯度观测系统、风温廓线仪和GPS探空系统同步观测区域上空大气边界层条件。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
闪烁仪的光径路线为发射端和接收端的路径，路径长度在1.5-5km，安装高度10-35m；
或者，
闪烁仪的光径路线为发射端和接收端的路径，路径长度至少大于1个半卫星遥感像元，安装高度大于光径路线上障碍物高度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，区域尺度包括下述的一种或多种：
绿洲-荒漠、湖泊-陆地、海洋-陆地；
局地尺度包括下述的一种或多种：农田、林地、草地、湿地、水体、裸地与居民地。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
通过观测仪器直接测量得到不同尺度水热通量以及配套参数的观测值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述配套参数包括：气象要素、土壤温湿度和叶面积指数。
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| CN202010228116.6A Pending CN111366195A (zh) | 2020-03-27 | 2020-03-27 | 一种地表水热通量的多尺度观测方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN111366195A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113156542A (zh) * | 2021-03-12 | 2021-07-23 | 中国气象局气象探测中心 | 一种基于闪烁法测量区域蒸散总水量的方法 |
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-
2020
- 2020-03-27 CN CN202010228116.6A patent/CN111366195A/zh active Pending
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