CN205719342U - 一种地表感热/潜热通量测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种地表感热/潜热通量测量系统，包括，便携式自动气象站，其被配置为获取观测区域内的空气温度T_a和湿度Rh；四分量净辐射传感器，其被配置为获取观测区域内的净辐射Rn；土壤热通量板，其被配置为获取观测区域内的土壤热通量G；植被覆盖度摄影测量仪，其被配置为获取观测区域内的植被覆盖度f；植物冠层数字图像分析仪，其被配置为获取观测区域内的叶面积指数LAI；红外温度传感器，其被配置为获取观测区域内的地表温度T_s；以及计算机，其被配置为根据所述便携式自动气象站、四分量净辐射传感器、土壤热通量板、植被覆盖度摄影测量仪、植物冠层数字图像分析仪以及红外温度传感器的观测数据计算观测区域内的地表感热通量H和潜热通量LE。

Description

一种地表感热/潜热通量测量系统

技术领域

本发明涉及地表参数测量系统。更具体地，涉及一种地表感热/潜热通量测量系统。

背景技术

感热通量为地表与大气间垂直方向上湍流扩散所形成的热量输送。地表潜热通量为下垫面与大气之间水分的热交换所消耗的能量。地表潜热通量表现为蒸散所消耗的热量，由蒸散量和汽化潜热可得潜热通量。地表感热/潜热通量的观测是流域水资源管理、农作物灌溉制度制定、农业用水效率评价、区域旱情监测、农业节水等应用领域的基础，同时也是构建土壤-植被-大气连续体能量和水量迁移转换，进行陆-气耦合模拟研究的前提。地表感热/潜热通量的观测结果能够为水利、农业、林业专业技术人员提供重要的下垫面状况信息，为辅助决策提供重要支持信息。

地表感热/潜热通量的测量方法包括液态水分消耗测量和水汽输送测量两大类。对于液态水分的测量主要有三类:水量平衡法，器测法和植物生理测定技术。蒸渗仪基于水量平衡原理，将一定深度的原状土柱装入一个可控容器中，通过称重或者量取水量的方式实现蒸散量的观测，由蒸散量和蒸发潜热可以得到地表潜热通量。蒸渗仪可以直接实现蒸散的观测，但是构建和维护的费用较高，观测代表性有限，此外，容易受到周围环境的影响。液流法是使用传感器垂直放入植物的木质部分，用于测量植物木质部分的水分流量，通常用于测定树木的蒸腾时使用。水汽传输测量方法有波文比-能量平衡法，涡度相关方法，大孔径闪烁仪测量方法和空气动力学技术。波文比法基于地面以上两层高度之间的气温差和水汽压差来计算波文比，结合测量的净辐射和土壤热通量实现感热、潜热的计算。波文比法适用于下垫面均匀平坦无平流影响的区域。涡度相关方法使用快速相应湍流仪器，如超声风速仪，红外水汽，二氧化碳分析仪器等，可直接测量风速分量和水汽等的脉动值，每秒采样10-20次，连续观测10-30分钟，可以覆盖对近地层通量输送有贡献的主要湍流涡旋。计算脉动量的协方差，就可以得到潜热通量。大孔径闪烁仪由发射仪和接收仪两部分组成，两者相距一定的距离放置，接收仪接收受到光程上大气波动影响的发射波束，并使用折射等结构参数来表达大气的湍流强度，进而推算显热通量，然后利用能量平衡余项法方法来计算潜热通量。然而，涡度相关和大孔径闪烁仪的观测问题远未解决。近地层能量闭合问题是困扰通量观测的难题。能量闭合问题主要表现为测量到的感热和潜热通量之和小于近地层可用能量。

目前，地表感热/潜热通量测量系统仍然具有较大的不确定性，尤其是复杂非均匀下垫面的地表感热/潜热通量缺乏有效的观测手段，是目前研究和实际应用的难点。因此，需要提供一种地表感热/潜热通量测量系统，以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于是提供一种地表感热/潜热通量测量系统，以解决复杂非均匀下垫面的地表感热/潜热通量有效的观测。

为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种地表感热/潜热通量测量系统，包括，

便携式自动气象站1，被配置为获取观测区域内的空气温度T_a和湿度Rh；

四分量净辐射传感器2，被配置为获取观测区域内的净辐射Rn；

土壤热通量板6，被配置为获取观测区域内的土壤热通量G；

植被覆盖度摄影测量仪4，被配置为获取观测区域内的植被覆盖度f；

植物冠层数字图像分析仪5，被配置为获取观测区域内的叶面积指数LAI；

红外温度传感器3，被配置为获取观测区域内的地表温度T_s；以及，

计算机7，被配置为根据所述便携式自动气象站1、四分量净辐射传感器2、土壤热通量板6、植被覆盖度摄影测量仪4、植物冠层数字图像分析仪5以及红外温度传感器3的观测数据计算观测区域内的地表感热通量H和潜热通量LE。

优选的，所述系统进一步包括

数据线9和数据采集器8；所述数据采集器8被配置为采集所述观测数据，并将所采集的观测数据传送至计算机7。

本实用新型的有益效果如下：

提供一种地表参数测量系统，特别是一种地表感热/潜热测量系统，利用地表感热通量估算的廓线方程和地表温度和植被覆盖度所构成的理论特征空间四个角点方程，实现辐射-对流阻抗的计算，进而实现地表感热/潜热通量的计算。可满足区域水资源管理、农业用水效率评价、区域旱情监测、农业节水等方面的应用领域的需求。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本实用新型所述系统结构图。

图2示出植被覆盖度f和地表温度T_s的理论二维空间。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

一、系统配置

如图1所示，所述区域地表感热/潜热通量测量系统包括：

便携式自动气象站1，被配置为获取观测区域内的空气温度T_a和湿度Rh；

四分量净辐射传感器2，被配置为获取观测区域内的净辐射Rn；

土壤热通量板6，被配置为获取观测区域内的土壤热通量G；

植被覆盖度摄影测量仪4，被配置为获取观测区域内的植被覆盖度f；

植物冠层数字图像分析仪5，被配置为获取观测区域内的叶面积指数LAI；

红外温度传感器3，被配置为获取观测区域内的地表温度T_s；

数据采集器8，被配置为采集上述观测数据；

计算机7，被配置为根据所述数据采集器8采集的数据计算观测区域内的地表感热通量H和潜热通量LE；以及，

数据线9，被配置为传输所述数据。

其中，所述四分量净辐射传感器2采用荷兰Klipp&Zonen CNR4，所述植物冠层数字图像分析仪5采用LAI-2000。

二、计算机工作原理

首先，进行辐射-对流阻抗的计算，所述计算机7根据所述值被覆盖度f和地表温度T_s的二维空间以及感热通量估算的温度廓线方程进行辐射-对流阻抗r_ae计算；

所述感热通量H估算的温度廓线方程为：

$H={\mathrm{\ρC}}_P\frac{T_{aero}-T_a}{r_a}={\mathrm{\ρC}}_P\frac{T_s-T_a}{r_a+r_{ex}}={\mathrm{\ρC}}_P\frac{T_s-T_a}{r_{ae}}---\left(1\right)$

其中，ρ为空气密度；C_p为空气定压比热；T_aero为动力学温度；T_a为空气温度；r_a为空气动力学阻抗；T_s为地表温度；r_ex为调和地表温度和空气动力学温度的附加阻抗；r_ae为辐射-对流阻抗。

基于所述净辐射通量Rn、土壤热通量G、值被覆盖度f和地表温度T_s的二维空间，感热通量H估算公式为：

H＝(R_n-G)-LE＝(R_n-G)-(1-WDI)E_p (2)

其中，LE为潜热通量；WDI为水分亏缺指数；E_p为潜在蒸散。

所述潜在蒸散E_p采用下述P-T公式：

$E_p=1.26\frac{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{\Δ}+\mathrm{\γ}}(R_n-G)---\left(3\right)$

其中，Δ为饱和水汽压曲线斜率，γ为干湿表常数。

所述水分亏缺指数WDI计算公式为：

$WDI=\frac{a}{a+b}---\left(4\right)$

其中，如图2所示，a为植被覆盖度f和地表温度T_s理论二维空间干边同估算点的温差；b为植被覆盖度f和地表温度T_s理论二维空间湿边同估算点的温差；计算公式分别为：

$\begin{array}{c}a=(T_s-T_a)-f{(T_s-T_a)}_C+(f-1){(T_s-T_a)}_D\\ b=(1-f){(T_s-T_a)}_A+f{(T_c-T_a)}_B-(T_s-T_a)\end{array}---\left(5\right)$

其中，

$\begin{array}{c}{(T_s-T_a)}_A=r_{ae}\×\frac{(R_n-G)}{{\mathrm{\ρ}}_a{C}_p}\\ {(T_s-T_a)}_D=\[\frac{r_{ae}(R_n-G)}{{\mathrm{\ρ}}_a{C}_p}\]\×\frac{\mathrm{\γ}}{(\mathrm{\Δ}+\mathrm{\γ})}-\frac{VPD}{(\mathrm{\Δ}+\mathrm{\γ})}\\ {(T_s-T_a)}_C=\[\frac{r_{ae}(R_n-G)}{{\mathrm{\ρ}}_a{C}_p}\]\×\[\frac{\mathrm{\γ}(1+\frac{r_{cp}}{r_{ae}})}{\mathrm{\Δ}+\mathrm{\γ}(1+\frac{r_{cp}}{r_{ae}})}\]-\[\frac{VPD}{\mathrm{\Δ}+\mathrm{\γ}(1+\frac{r_{cp}}{r_{ae}})}\]\\ {(T_s-T_a)}_B=\[\frac{r_{ae}(R_n-G)}{{\mathrm{\ρ}}_a{C}_p}\]\×\[\frac{\mathrm{\γ}(1+\frac{r_{cx}}{r_{ae}})}{\mathrm{\Δ}+\mathrm{\γ}(1+\frac{r_{cx}}{r_{ae}})}\]-\[\frac{VPD}{\mathrm{\Δ}+\mathrm{\γ}(1+\frac{r_{cc}}{r_{ae}})}\]\end{array}---\left(6\right)$

其中，T_a为空气温度；VPD为水汽亏缺，其由空气相对湿度RH计算得到；r_cp为植被最小冠层阻抗；r_cx为冠层最大阻抗；

联立上述公式(1)(2)(3)(4)(5)(6)可得：

$c_4{r}_{ae}^4+c_3{r}_{ae}^3+c_2{r}_{ae}^2+c_1{r}_{ae}+c_0=0---\left(7\right)$

其中，c₄、c₃、c₂、c₁以及c₀为联立公式(1)(2)(3)(4)(5)(6)所得系数，所述辐射-对流阻抗r_ae为公式(7)中实数解。

其次，所述计算机7根据所述辐射-对流阻抗r_ae和所述公式(1)(2)估算所述区域地表感热通量H和区域地表感热潜热通量LE；其中，在极端干燥情况下，所述辐射-对流阻抗r_ae为所述实数解中最小值。

综上所述，本发明所述系统工作过程为：

所述便携式自动气象站1获取观测区域内的空气温度T_a和湿度Rh，所述四分量净辐射传感器2获取观测区域内的净辐射Rn，所述土壤热通量板6，获取观测区域内的土壤热通量G，所述植被覆盖度摄影测量仪4获取观测区域内的植被覆盖度f，所述植物冠层数字图像分析仪5获取观测区域内的叶面积指数LAI，所述红外温度传感器3获取观测区域内的地表温度T_s；上述各类数据采集器8采集上述数据，经数据线9传输至计算机7，计算机7完成观测区域内的地表感热通量H和潜热通量LE的计算。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (2)

1.一种地表感热/潜热通量测量系统，其特征在于，包括，

便携式自动气象站(1)，被配置为获取观测区域内的空气温度T_a和湿度Rh；

四分量净辐射传感器(2)，被配置为获取观测区域内的净辐射Rn；

土壤热通量板(6)，被配置为获取观测区域内的土壤热通量G；

植被覆盖度摄影测量仪(4)，被配置为获取观测区域内的植被覆盖度f；

植物冠层数字图像分析仪(5)，被配置为获取观测区域内的叶面积指数LAI；

红外温度传感器(3)，被配置为获取观测区域内的地表温度T_s；以及，

计算机(7)，被配置为根据所述便携式自动气象站(1)、四分量净辐射传感器(2)、土壤热通量板(6)、植被覆盖度摄影测量仪(4)、植物冠层数字图像分析仪(5)以及红外温度传感器(3)的观测数据计算观测区域内的地表感热通量H和潜热通量LE。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于所述系统进一步包括

数据线(9)和数据采集器(8)；所述数据采集器(8)被配置为采集所述观测数据，并将所采集的观测数据传送至计算机(7)。