CN114282392A - 一种观测高寒湖泊地气相互作用过程的布点方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种观测高寒湖泊地气相互作用过程的布点方法。该方法基于模式模拟结果和遥感产品，分析确定区域积雪厚度及空间分布、湖表与陆表热力差异、湖表与陆表蒸发差异、湖陆风中尺度环流系统、湖水垂直热力结构、周边陆地土壤水热特征以及湖泊陆地湍流输送差异等，从而确定影响高寒湖泊大气相互作用的敏感区，并将这些敏感区结合地理信息系统空间分析方法，开展湖泊流域地气相互作用过程观测站点布设，从而形成一整套将数值模式模拟分析、卫星遥感观测和野外踏勘相结合的监测站点布设。本发明技术方案新颖，选点代表性强，可为其他区域湖泊地气相互作用观测提供技术支持，且易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及地气相互作用过程观测领域。具体是指一种观测高寒湖泊地气相互作用过程的布点方法。该方法提出一种基于模型模拟结果，获取不同特征量空间敏感性区划，并进行空间叠置，能够快速实现在湖泊及其周边地区选择最具代表性的区域作为认识和理解湖泊地气相互作用的监测点，便于安装各种观测仪器，观测结果将为理解湖泊地气相互作用过程提供原始数据支持。
背景技术
青藏高原湖泊总面积超过5万平方公里，占全国湖面总面积的50%以上，是亚洲水塔的重要组成部分。青藏高原湖泊不仅对全球变化响应极为敏感，被认为是气候变化与区域响应的重要信息载体，同时，湖泊大气之间的能量水分交换对于青藏高原地表热力状况和水循环过程也有重要影响。因此，高原湖泊成为近年来研究的热点。
在全球气候变化背景下，青藏高原湖泊数量和面积均出现明显增长，但不同年代、不同区域的湖泊变化速率并不均一。高原湖泊气候变化不仅通过湖泊水量、面积、温度、湖冰物候等得以反应，而且大气对湖泊本身物理化学性质及其流域生态环境产生影响。湖泊地气相互作用对随着卫星遥感技术的快速发展，近年来利用卫星遥感技术观测高原湖泊面积、蒸发及水量平衡演变，但由于缺乏地面验证资料，一些湖泊变化的成因仍然不够明确，湖泊对区域水循环和气候的影响仍然缺乏深入了解（见图2）。目前，虽然已建立了一些青藏高原湖泊地气相互作用观测设施，但这些大多局限于单个站点，缺乏对于湖泊及周边全局性的多尺度观测，观测点设置的随机性较强，缺乏事前严谨周密的科学规划，使得观测结果的代表性欠佳。因此，对青藏高原湖泊地气相互作用开展精细化长期野外观测，加深对湖泊大气相互作用的认识，推动高寒湖泊能量水分循环及其生态系统过程变化的研究，有助于理解气候变化对高寒湖泊变化的影响，更加准确的预测和把握青藏高原亚洲水塔水量变化，保障我国及周边地区的水资源安全具有重要意义。在这个过程中，如何借助卫星遥感和数值模拟技术，在观测开始之前对于观测站点布局进行科学合理的模拟和规划，找到观测的敏感区和重点区，对于降低观测成本、减少观测的盲目性、提高观测的针对性和数据的代表性具有十分重要的作用。
发明内容
为更加精细化认识高寒湖泊大气相互作用以及水量平衡过程水量变化、热力变化、盐度变化及其自身生态系统与地气相互作用的变化过程，本发明旨在提供一种观测高寒湖泊地气相互作用过程的布点方法，该方法基于遥感观测资料和全球再分析资料，利用耦合湖泊模型的中尺度天气预报模式，对湖泊及周边地区展开地气相互作用过程模拟，通过对模拟结果及遥感观测产品的综合分析，建立代表不同观测项的敏感性分区图，利用成熟的地理信息空间叠置分析方法，实现湖泊及周边代表性观测站址选择，从而简化选点流程，使得布点方案更具科学性，并为地气相互作用过程及水资源安全提供技术支持。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种观测高寒湖泊地气相互作用过程的布点方法，包括以下步骤：
a. 确定湖泊及其周边作为研究区，收集区内地质、遥感数据、再分析资料，主要包括湖泊及其周边土地利用类型，地形地貌，土壤质地，风、温湿度、气压物理参数再分析资料；
b. 选取中尺度天气预报模式（WRF），利用收集的研究区的土壤、土地利用、数字高程模型数据替代模式中默认数据，开启模式中湖泊模块，确定模式模拟初始条件，开展湖泊及周边地气相互作用过程数值模式模拟，获得模拟结果；
c. 基于遥感可见光产品，结合模式对积雪过程模拟结果，确定区域内雪深分布特征及积雪面积变率分布，确定积雪观测布点区域；
d. 对比分析模拟结果中湖表与陆表间热力差异，确定湖泊热力作用的影响范围；结合湖表与陆表蒸发过程差异，确定区域内涡度相关系统布点；
e. 分析对比模拟的中尺度湖陆风环流过程，确定区域内环流敏感区，确定区内自动气象站布点区域；
f. 分别分析湖泊垂直热力结构和湖畔陆地土壤水热传输过程模拟结果，选出湖泊及陆面土壤水热传输过程敏感区域，确定湖泊温度廓线布点区域和土壤垂直廓线布点位置；
g. 对比分析湖泊与陆表间湍流输送过程，获取湍流输送过程空间分布，确定大气边界层及探空布点区域；
h. 对步骤c、步骤d、步骤e、步骤f、步骤g 输出的空间数据利用地理信息技术进行空间叠置，通过求交集即可获得同时满足不同观测需求的最优布点区域；
j . 通过对最优布点区域进行实地勘察，最终确定监测站空间分布方案；
在确定站点装仪器，连续运行，长期观测。
在鄂陵湖具体的布点位置为：
在鄂陵湖14主风向上下游布设第一台自动气3和第二台自动气自动气象站8，在鄂陵湖14垂直主风向各安装第三台自动气象站9和第四台自动气象站13；为获取湖面边界层数据，GPS小球探空7选址在湖面主风向上游；水温廓线设备10安装在湖泊深度超过20m的区域，第一台涡度相关系统2配合长距离微波闪烁仪系统5获取湖泊能量和水循环过程数据，同时在距离湖面2km的陆地再安装第二台涡度相关系统12，与湖面观测形成对比；在湖岸陆地湍流输送敏感区安装大气边界层梯度观测塔1，设立谢积雪观测点4和LAS观测系统11，并在边界层梯度观测塔1的位置安装土壤垂直廓线观测；针对冬季湖泊结冰，在湖岸设计湖冰观测系统6。
本发明的优点：
1、本发明耦合了湖泊模块的中尺度天气预报模式，对能更好地模拟湖泊与大气之间昼夜演替的水热交换过程，在多重嵌套技术下可实现区内1km地气相互作用过程的模拟，模式模拟结果与现有遥感数据结合相关度高，通过对模式结果分析，可快速获取不同参数的地表敏感区，从而作为备用观测场的选址。结合野外实地踏勘，形成湖泊地气相互作用观测布点方案。其通过站点的观测 ，对于理解湖泊在陆气相互作用中的影响，对于揭示青藏高原能量与水分循环有着重要的意义。该技术可推广到青藏高原湖泊地气相互作用实地观测工作，具有较好的适用性和可扩展性，。
2、本发明通过综合利用现有多源观测资料、中尺度天气预报模式及地理信息系统空间技术分析方法，实现室内选址和野外实地踏勘相结合，极大的提高了湖泊地气相互作用过程观测选址效率，具有科学代表性，节约资金成本和人力成本的特点，为我国在青藏高原在地气相互作用观测资料提供了新的手段。
3、本发明针对高寒湖泊地气相互作用过程监测，为高寒湖泊监测选点、布点提供新思路和方法，有效提高湖泊地气相互作用过程监测流程，降低野外踏勘工作量，提高布点工作效率。本发明克服了现有设施单个站点和观测点设置的随机性较强的缺陷，通过对模拟结果及遥感观测产品的综合分析，建立代表不同观测项的敏感性分区图，实现湖泊及周边代表性观测站址选择，提升了数值模式的发展和我国灾害天气气候预测水平。
4、本发明利用中尺度天气预报模式对区域湖泊地气相互作用过程进行模拟，结合布点观测结果，可实现湖泊区域内能量水分交换等过程精细化、长期化观测与模拟，并可预测湖泊水量变化过程，可为研究天气大尺度上青藏高原大型湖泊其他局部区域地气相互观测布点建设提供了参考。
附图说明
图1 本发明湖泊地气相互作用布点流程图。
图2 湖泊地气相互作用过程示意图。
图3 栅格空间叠置分析示意图。
图4 以鄂陵湖为例使用本方法选择布点及实际布点图。
图中：1—梯度观测塔（含地表土壤廓线），2—第一台涡度相关系统，3—第一台自动气象站，4—积雪观测，5—微波闪烁仪系统微波辐射计，6—湖冰观测，7 —GPS探空，8—第二台自动气象站，9—第三台自动气象站，10—水温廓线设备，11—LAS 观测系统，12、第二台涡度相关系统，13—第四台自动气象站，14——鄂陵湖。
具体实施方式
本发明采用再分析资料驱动有湖泊模式的中尺度天气预报模式（WRF），开展高寒湖泊地气相互作用过程模拟，利用模式模拟结果结合卫星遥感产品，对区域积雪、湖表-陆表热力差异、湖表-陆表蒸发差异、湖表及周边陆地中尺度环流、湖泊垂直热力结构、湖畔陆面土壤水热过程、以及湍流输送过程对比等方面进行分析，获取不同变量的高敏感区。利用地理信息系统空间叠置分析技术，叠加获得湖泊区域内各种观测布点的最优站址组合，结合实地勘察，结合交通通达性、无线通信信号稳定性等，确定湖泊地气相互作用观测体系的布点方案。进一步，将获取的实地观测资料作为中尺度天气预报模式的真实资料，利用同化技术输入模式中，从而取得更为真实的湖泊地气相互作用过程模拟，模拟结果可为区域生态环境保护、水资源安全提供科学支撑。
结合附图和鄂陵湖观测案例对本发明的技术方案做进一步说明：
如图1所示，本发明提供了一种观测高寒湖泊地气相互作用布点的方法，包括以下步骤：
1、确定研究区域及初始数据。选择具有典型代表的高寒湖泊作为湖泊地气相互作用过程研究的区域，查明观测区域内及周边气象台站常规监测，获取研究区域内可见光卫星遥感产品如LandSat、MODIS，同时收集美国国家环境预报中心（National Centers forEnvironmental Prediction，NCEP）提供的全球再分析资料（Final Operational GlobalAnalysis，FNL），以及欧洲中心ECMWF-ERA5全球大气再分析气候数据，确定中尺度天气预报模式（WRF）的初始边界条件。
2、模型参数化过程优化及评估：开启中尺度天气预报模式（WRF）中湖泊模式过程，对有湖泊过程的模式进行模拟方案的优化冰评估，确定模型所使用的参数化方案组合。
3、模型运行及输出结果：
4、优化观测站址
5、站址确定及仪器安装
基于4优化观测站址中最优区域推荐方案，结合实地踏勘，尤其是结合交通通达性、移动信号的稳定性以及后期维护的便捷性，从最优推荐布点区域内选择交通便利、通讯信号稳定、后勤保障便捷的区域作为湖泊地气相互作用观测系统安装点。
参考国家《地面气象观测规范》和生态气象等观测规范，按仪器安装标准和规范在选定站址区域内安装仪器。
下面是本发明在鄂陵湖湖泊地气相互作用布设观测点的实例：
根据以上①②③④⑤布点技术方法，本发明对地处黄河源区鄂陵湖地气相互作用过程进行示范（图4），结合模式模拟及多源产品，主要在鄂陵湖14东面布设涡度相关系统，确定了自动气象站的布点位置，确定湖温探测仪和土壤垂直廓线布点位置，确定边界层塔布点位置。具体在鄂陵湖14主风向上下游各安装第一台自动气3和第二台自动气自动气象站8，垂直主风向各安装第三台自动气象站9和第四台自动气象站13。为获取湖面边界层数据，GPS小球探空7选址在湖面主风向上游；水温廓线设备10安装在湖泊深度超过20m的区域，第一台涡度相关系统2配合长距离微波闪烁仪系统5获取湖泊能量和水循环过程数据，同时在距离湖面2km的陆地再安装第二台涡度相关系统12，与湖面观测形成对比；在湖岸陆地湍流输送敏感区安装大气边界层梯度观测塔1，设立积雪观测点4和LAS观测系统11， 并在边界层梯度观测塔1的位置安装土壤垂直廓线观测；针对冬季湖泊结冰，在湖岸设计湖冰观测系统6。
鄂陵湖面积为629平方公里与扎陵湖毗邻。鄂陵湖地势高寒，潮湿，地域辽阔，与扎陵湖相比，湖面越大，湖水趟深。鄂陵湖平均水深17.6米，最深可达30多米，湖泊气候的特点对周围陆地影响十分明显，有调节作用。地表的动量、感热和水汽通量是表征地-气之间是物质与能量的交换过程，湖面的气温变化比周围陆地上的气温变化小，冬暖夏凉，夜暖昼凉。这是由于湖泊水面对太阳辐射的反射率较小，水体的比热容较大，蒸发耗热多，湖面上气候变化比周围陆地相对比较缓和；湖面湿度大，夜雨多于日雨。由于湖泊的存在，使冬季和夜间湖区的近地气层很不稳定，而夏季和白天相对比较稳定，因此湖面上的日雨量减少，雷雨多发生于夜间。又由于夏季和白天的降雨量较少，湖面的蒸发量大，使得湖区的年总降水量相对比陆地偏少，但在冬季和夜间，湖区的降水量反而会比陆地多。利用WRF模式模拟，对鄂陵湖感热、潜热陆——气相互作用参量进行适用性的评估，表明WRF模式能够模拟研究区域感热和潜热通量以及2m温度的日平均变化特征。通过比较其分析资料与湖泊附近气象站点观测的气象要素，评估了再分析资料在湖区的适用性。鄂陵湖10月中旬出现岸冰，11月下旬至12月上旬全湖封冻，岸边最大冰厚可达1米左右，翻年3月以后，湖冰开始消融，5月湖冰消融殆尽，冰冻期达半年之久。鄂陵湖冬季漫长而寒冷，10 月至翌年4 月的月平均气温都在0 ℃以下，最冷的1 月份，平均气温为-16.5℃；夏季短而凉爽，最热的7 、8月份，月平均气温只有8 ℃左右，最高气温也只有22.9℃，湖区几乎终年没有无霜期。
本发明引入模式系统中，提高了模式模拟精度，显著改善了模式对高寒湖泊地气相互作用过程模拟，为高寒湖泊地气平衡提供科学的监测方法，增添了资料积累。其对于黄河流域生态保护和社会经济发展产生一定的作用。
Claims (2)
1.一种观测高寒湖泊地气相互作用过程的布点方法，包括以下步骤：
a. 确定湖泊及其周边作为研究区，收集区内地质、遥感数据、再分析资料，主要包括湖泊及其周边土地利用类型，地形地貌，土壤质地，风、温湿度、气压物理参数再分析资料；
b. 选取中尺度天气预报模式（WRF），利用收集的研究区的土壤、土地利用、数字高程模型数据替代模式中默认数据，开启模式中湖泊模块，确定模式模拟初始条件，开展湖泊及周边地气相互作用过程数值模式模拟，获得模拟结果；
c. 基于遥感可见光产品，结合模式对积雪过程模拟结果，确定区域内雪深分布特征及积雪面积变率分布，确定积雪观测布点位置；
d. 对比分析模拟结果中湖表与陆表间热力差异，确定湖泊热力作用的影响范围；结合湖表与陆表蒸发过程差异，确定区域内涡度相关系统布点位置；
e. 分析对比模拟的中尺度湖陆风环流过程，确定区域内环流敏感区，确定区内自动气象站布点位置；
f. 分别分析湖泊垂直热力结构和湖畔陆地土壤水热传输过程模拟结果，选出湖泊及陆面土壤水热传输过程敏感区域，确定湖泊温度廓线布点区域和土壤垂直廓线布点位置；
g. 对比分析湖泊与陆表间湍流输送过程，获取湍流输送过程空间分布，确定大气边界层及探空布点位置；
h. 对步骤c、步骤d、步骤e、步骤f、步骤g 输出的数据转化为栅格数据，利用地理信息系统技术对计算所得结果进行重分类，进一步利用地理信息系统空间叠置技术将重分类数据加权求和，即可获得同时满足不同观测需求的最优布点位置；
j . 通过对最优布点区域进行实地勘察，最终确定监测站空间分布方案；
在确定站点装仪器，连续运行，长期观测。
2.根据权利要求1所述的一种观测高寒湖泊地气相互作用过程的布点方法，其特征在于：布点位置为：在鄂陵湖（14）主风向上下游布设第一台自动气（3）和第二台自动气自动气象站（8），在鄂陵湖（14）垂直主风向各安装第三台自动气象站（9）和第四台自动气象站（13）；为获取湖面边界层数据，GPS小球探空（7）选址在湖面主风向上游；水温廓线设备（10）安装在湖泊深度超过20m的区域，第一台涡度相关系统（2）配合长距离微波闪烁仪系统（5）获取湖泊能量和水循环过程数据，同时在距离湖面2km的陆地再安装第二台涡度相关系统（12），与湖面观测形成对比；在湖岸陆地湍流输送敏感区安装大气边界层梯度观测塔（1），设立积雪观测点（4）和LAS观测系统（11）， 并在边界层梯度观测塔（1）的位置安装土壤垂直廓线观测；针对冬季湖泊结冰，在湖岸布设湖冰观测系统（6）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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