吳海龍，余新曉，張 艷，李軼濤，劉旭輝，黃枝英

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.江西省贛西土木工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院，江西 宜春336000）

自20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始，大孔徑閃爍儀（Lar ge Apert ure Scintillo meter，LAS）被廣泛用于大尺度水熱通量的測(cè)量，使地表水熱通量的研究逐漸從傳統(tǒng)的點(diǎn)或斑塊尺度轉(zhuǎn)向區(qū)域，避免了由于實(shí)際下墊面的復(fù)雜性和非均勻性造成較大的誤差［1－3］。測(cè)量水熱通量的常用方法有波文比—能量平衡法、渦動(dòng)相關(guān)法、梯度擴(kuò)散法、遙感模型法以及大孔徑閃爍儀法［1，4－6］。到目前為此，對(duì)于起伏大，下墊面復(fù)雜的非均一地表通量觀(guān)測(cè)最為有效的方法是大孔徑閃爍儀［7－10］。大孔徑閃爍儀的測(cè)量范圍為0.5～10 k m，其觀(guān)測(cè)尺度恰好符合遙感數(shù)據(jù)的最小單元［11－12］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于大孔徑閃爍儀的研究歷史并不長(zhǎng)，國(guó)外于上世紀(jì)九十年代開(kāi)始大量研究而國(guó)內(nèi)起步相對(duì)較晚，到目前為止北師大的劉紹民教授課題組在這方面做了大量研究［13－14］，其余高校和科研單位也有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。黃妙芬等［15］對(duì)大孔徑閃爍儀測(cè)定顯熱通量的影響因子進(jìn)行了分析，其研究表明，LAS測(cè)定的顯熱通量與天氣條件密切相關(guān)，10 c m土層的土壤水分與LAS顯熱通量相關(guān)系數(shù)達(dá)－0.87；土壤表面溫度與LAS顯熱通量相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9以上。白潔等［16］對(duì)海河流域不同下墊面上LAS觀(guān)測(cè)的顯熱通量特征進(jìn)行了分析，指出顯熱通量有明顯的季節(jié)變化特征，且與下墊面植被存在密切關(guān)系。王維真等［17］通過(guò)對(duì)黑河流域不同下墊面水熱通量特征的分析指出，各能量收支分量有明顯的日變化和季節(jié)變化趨勢(shì)。

大孔徑閃爍儀測(cè)定熱通量的原理是在弱湍流以及傳播路徑均勻的條件下，光強(qiáng)度自然對(duì)數(shù)的方差）與空氣折射指數(shù)（）的結(jié)構(gòu)參數(shù)存在確定的線(xiàn)性關(guān)系，基于此原理小孔徑閃爍儀被廣泛用于測(cè)定較短路徑的平均空氣折射指數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。但當(dāng)路徑和下墊面復(fù)雜化之后，與之間的線(xiàn)性關(guān)系不再成立，雖然一些研究［18－21］基于Cliff or d理論設(shè)計(jì)了大孔徑閃爍儀，這有效地解決了路徑長(zhǎng)的問(wèn)題，但是對(duì)于下墊面復(fù)雜的山區(qū)仍然少有研究。

本文嘗試?yán)?010年7月—2011年6月首都生態(tài)圈生態(tài)站的LAS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)北京典型土石山區(qū)復(fù)雜下墊面顯熱通量特征進(jìn)行分析，包括典型日、月和季節(jié)變化特征；以及對(duì)典型日顯熱通量與土壤溫濕度和空氣溫濕度，風(fēng)速風(fēng)向，太陽(yáng)輻射等常規(guī)因子之間的相互關(guān)系進(jìn)行分析，為深入研究復(fù)雜下墊面水熱通量提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于北京市海淀區(qū)西山林場(chǎng)鷲峰國(guó)家森林公園 （40°03′46″N，116°05′45″E），海拔 100～1 150 m，屬燕山山脈余脈，地處海淀區(qū)和門(mén)頭溝區(qū)交界處。觀(guān)測(cè)站地面氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，年平均氣溫為11.6℃，平均風(fēng)速4.1 m／s，年平均降水量630 mm，70%的降水量集中在7—8月，年蒸發(fā)量約為1 800 mm［22］，屬暖溫帶大陸性氣候。觀(guān)測(cè)站主要樹(shù)種有栓皮櫟（Quercus variabilis Blu me），側(cè)柏（Pl atycl adus orientalis Linn.Franco）和油松（Pinus tabulif ormis），亦有荊條（Vitex negundo var.heterophyll a），孩 兒 拳 頭 （Grewia biloba var.par vif lor a Hand.Mazz），山杏（Pr unus ar meniaca）以及小葉鼠李（Rha mnus par vif olia Bunge）等灌木。

1.2 研究方法

1.2.1 大孔徑閃爍儀工作原理 大孔徑閃爍儀由王庭義于1978年基于閃爍法提出設(shè)想，后由美國(guó)NOAA波傳播實(shí)驗(yàn)室研制成功［22］。儀器包括發(fā)射端，接收端以及數(shù)據(jù)處理中心。Wang等［21］的研究表明，發(fā)射器發(fā)射經(jīng)過(guò)高頻調(diào)制的一定波長(zhǎng)的波束后，接收器接收到孔徑范圍內(nèi)受光程路徑上溫度、濕度和氣壓擾動(dòng)影響的光束，并對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、解調(diào)及計(jì)算處理，從而得到空氣折射指數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（m－2／3），見(jiàn)式（1）。利用測(cè)量的及相關(guān)的空氣溫度（Ta）、氣壓（P）等數(shù)據(jù)，可以計(jì)算溫度的結(jié)構(gòu)參數(shù)（K2·m－2／3）［17］。最終由求得表面顯熱通量值，見(jiàn)式（3）［15］。式中：δ2lnI——光強(qiáng)I自然對(duì)數(shù)的方差；D——光學(xué)孔徑（m）；L——光徑長(zhǎng)度（m）。

式中：β——波文比（無(wú)量綱），引入了此項(xiàng)是考慮到濕度脈動(dòng)的影響；P——大氣壓（Pa）；Ta——參考高度的空氣溫度（K）。

式中：H——顯熱通量（W／m2）；ρ——空氣密度（kg／m3）；Cp——空氣定壓比熱［J／（kg·K）］；z——高度（m）；d——位移高度（m）；u＊——摩擦速度（m／s）；L——奧布赫夫長(zhǎng)度（m）；a1，a2——系數(shù)，在不同的文獻(xiàn)中的取值不同。

1.2.2 儀器布設(shè) 大孔徑閃爍儀（BLAS450，德國(guó)）發(fā)射端安裝于海拔760 m的山頂，接收端位于海拔120 m的山腳下，儀器安裝高度為10 m，光徑長(zhǎng)度2 290 m。光徑沿途的植被變化從低海拔到高海拔依次為闊葉喬木，針闊混交喬木，灌木，針葉林和灌木。在發(fā)射端，接收端及兩者之間分別安裝有自動(dòng)氣象站用于觀(guān)測(cè)雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓強(qiáng)、空氣溫濕度、太陽(yáng)總輻射等?？拷邮斩税惭b一臺(tái)Em50（美國(guó)Decagon公司）用于分層測(cè)定土壤溫濕度（2，5，10，15，20 c m）。站點(diǎn)詳細(xì)布設(shè)與儀器配置信息見(jiàn)表1。

表1 站點(diǎn)詳細(xì)布設(shè)與儀器配置

1.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

（1）大孔徑閃爍儀數(shù)據(jù)。大孔徑閃爍儀的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的篩選，缺失數(shù)據(jù)的插補(bǔ)，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，及無(wú)效數(shù)據(jù)剔除等［23］。觀(guān)測(cè)站儀器的記錄頻率為1 min，由數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)，為了更好地表征生態(tài)系統(tǒng)顯熱通量動(dòng)態(tài)變化，本研究中各變量均采用30 min平均值計(jì)算。

（2）輔助數(shù)據(jù)。氣象站與Em50土壤水分溫度電導(dǎo)率測(cè)定儀數(shù)據(jù)采集頻率均為5 min，取30 min內(nèi)的平均值作為分析數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)整理與分析運(yùn)用Excel 2010和SPSS 18統(tǒng)計(jì)軟件，作圖軟件采用Sigmaplot 11。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型晴天顯熱通量變化規(guī)律

以春夏秋冬4個(gè)季節(jié)為劃分標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際天氣和數(shù)據(jù)采集情況，選擇4個(gè)典型日（2010-07-08，2010-09-23，2010-12-22，2011-03-21）對(duì)顯熱通量的變化規(guī)律進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)時(shí)間序列為24 h，結(jié)果見(jiàn)圖1。7月8日、9月23日、12月22日、3月21日的日顯熱通量平均值分別為32.165，21.487，11.942，15.943 w／m2，夏至日顯熱通量值最大，冬至日顯熱通量值最小，春分和秋分日峰值位于兩者之間。夏至日前后為植被生長(zhǎng)的旺盛期，植被各項(xiàng)生理活動(dòng)旺盛，尤其是對(duì)水分的吸收和蒸騰蒸發(fā)強(qiáng)烈。下墊面植被生長(zhǎng)活動(dòng)對(duì)森林小氣候的影響很大，因此該時(shí)段顯熱通量值較大，植被非生長(zhǎng)期顯熱通量值明顯降低。

4個(gè)典型日在凌晨3：00和中午11：00左右均有峰值出現(xiàn)，3月21日、7月8日、9月23日、12月22日達(dá)到最大峰值的時(shí)間分別是11：28，10：28，09：06，01：43，從年初到年末顯熱通量的日變化峰值時(shí)間逐漸從中午向上午偏移。秋分日顯熱通量值波動(dòng)最為明顯，冬至日顯熱通量值波動(dòng)較為平緩，說(shuō)明秋分日是湍流最活躍的時(shí)期。

2.2 日變化規(guī)律的環(huán)境控制

4個(gè)典型晴天顯熱通量值變化規(guī)律不同，其影響因子也不同，利用主成分分析對(duì)顯熱通量值與土壤溫濕度、空氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、下墊面蒸發(fā)散、太陽(yáng)輻射等16個(gè)因子的相關(guān)性進(jìn)行研究（表2），篩選出影響顯熱通量的主要因子。按照特征值＞1，累計(jì)貢獻(xiàn)率＞85%選取主成分特征向量，各典型日約2～4個(gè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤溫度在每個(gè)典型日中第一主成分中的特征向量均比較大，土壤溫度在影響該地區(qū)顯熱通量值的諸多因子中始終處于主導(dǎo)地位。夏至日第一主成分中2 c m與15 c m深處土壤含水量的特征向量也較大，同樣也是主導(dǎo)因子，表明土壤含水量對(duì)顯熱通量值的變化規(guī)律有非常大的影響。春分日除土壤含水量外，空氣溫度的第一主成分特征向量也較大，表明在暖溫帶大陸性氣候區(qū)，隨著季節(jié)溫度的變化，顯熱通量值也將呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。風(fēng)速、風(fēng)向、蒸散發(fā)與太陽(yáng)輻射等其他因子的特征向量的最大值出現(xiàn)在第二、三主成分中，表明它們?cè)谟绊戯@熱通量值變化的因子中居于次要地位。

圖1 典型晴天顯熱通量變化規(guī)律

表2 主成分（PCA）的因子負(fù)荷量、特征根與貢獻(xiàn)率

2.3 環(huán)境控制因子與顯熱通量的相關(guān)性分析

在16個(gè)環(huán)境控制因子中，選擇前3個(gè)主成分中占主要地位的11個(gè)因子作為主要因子變量，進(jìn)一步分析它們與顯熱輸送的關(guān)聯(lián)程度（表3）。從表3可知，4個(gè)典型晴天顯熱通量與各因子的關(guān)聯(lián)程度不同，土壤含水量、土壤溫度與顯熱通量值呈極顯著相關(guān)，4個(gè)典型晴天5 c m處土壤溫度多與顯熱通量值成正相關(guān)關(guān)系，土壤含水量多與顯熱通量值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即土壤水分充足時(shí)，植物蒸騰作用明顯，蒸騰吸熱過(guò)程中減少了向大氣中輸送的熱量，因而造成顯熱通量值的降低，而土壤溫度多與土壤含水量成負(fù)反饋關(guān)系［24］，說(shuō)明土壤溫度與顯熱通量值應(yīng)呈正相關(guān)關(guān)系。

表3 不同環(huán)境控制因子與顯熱通量的相關(guān)性

春分日與夏至日太陽(yáng)輻射與顯熱輸送表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，秋分日與冬至日兩者關(guān)系不顯著，這是由于從春季到夏季太陽(yáng)輻射值逐漸升高，夏季太陽(yáng)輻射值最大，從秋季到冬季太陽(yáng)輻射逐漸減小，冬季太陽(yáng)輻射值最低，而顯熱通量變化規(guī)律與太陽(yáng)輻射變化規(guī)律基本一致，故而顯熱通量與太陽(yáng)輻射之間呈顯著正相關(guān)。另外，風(fēng)向與風(fēng)速與顯熱輸送也表現(xiàn)出了顯著的相關(guān)性，這與暖溫帶大陸性氣候特征風(fēng)多干燥這一特點(diǎn)密不可分，觀(guān)測(cè)站海拔高度100～1 150 m，巨大的高度差也是造成風(fēng)向與風(fēng)速對(duì)顯熱通量規(guī)律產(chǎn)生不可避免的影響的重要原因。

3 結(jié)論

3.1 顯熱通量變化規(guī)律

LAS鷲峰站點(diǎn)日變化規(guī)律與平坦（或均勻）下墊面基本一致，即顯熱通量與天氣條件密切相關(guān)，具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律［3，24－25］。4個(gè)典型晴天均有峰值出現(xiàn)，或單峰或雙峰，從年初到年末顯熱通量峰值從中午逐漸向上午偏移；秋分日顯熱通量值波動(dòng)最為明顯，是湍流最活躍的時(shí)期，冬至日顯熱通量值波動(dòng)較為平緩；夏至日顯熱通量值最大，處于波峰期，冬至日顯熱通量值最小，處于波谷期，春分與秋分日峰值位于兩者之間，從波谷期開(kāi)始熱通量值逐漸增加；LAS鷲峰站點(diǎn)顯熱通量數(shù)值均偏小，其原因主要在于研究區(qū)地形起伏大，所測(cè)數(shù)據(jù)不能完全代表所在區(qū)域的實(shí)際情況。目前該領(lǐng)域的研究多基于平坦下墊面的實(shí)驗(yàn)布設(shè)［15，26］，深入分析地形起伏較大區(qū)域大孔徑閃爍儀測(cè)定顯熱通量的空間代表性的應(yīng)用是未來(lái)研究的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 LAS鷲峰站點(diǎn)顯熱通量的主要影響因子及相互關(guān)系

影響LAS鷲峰站點(diǎn)顯熱通量變化的控制因子很多，主成分分析表明，土壤溫度、土壤含水量、空氣溫度、下墊面蒸散發(fā)、風(fēng)速、風(fēng)向以及太陽(yáng)有效輻射是影響顯熱通量值的主導(dǎo)因子，除此之外，不同典型晴天的主導(dǎo)因子不同，如春分日：土壤含水量、空氣溫度；夏至日：2 c m與15 c m深處土壤含水量。土壤溫度在每個(gè)典型日中特征向量均較大，處于主導(dǎo)地位，風(fēng)速、風(fēng)向、蒸散發(fā)與太陽(yáng)輻射等其他因子的特征向量的最大值出現(xiàn)在第二、三主成分中，表明它們?cè)谟绊戯@熱通量值變化的因子中居于次要地位。

相關(guān)性分析表明，土壤含水量、土壤溫度與顯熱通量值呈極顯著相關(guān)，其余控制因子與典型晴天的關(guān)聯(lián)程度不同，如春分日與夏至日太陽(yáng)輻射與顯熱輸送表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，秋分日與冬至日兩者關(guān)系不顯著。受下墊面植被組成復(fù)雜，地形起伏大等因素的影響，風(fēng)向與風(fēng)速與顯熱輸送也表現(xiàn)出了顯著的相關(guān)性，說(shuō)明風(fēng)向與風(fēng)速也會(huì)對(duì)顯熱通量變化規(guī)律產(chǎn)生不可避免的影響。

平原和低山丘陵區(qū)非均一下墊面條件下利用大孔徑閃爍儀測(cè)量顯熱通量已有不少研究，但在地形起伏大、下墊面復(fù)雜的地區(qū)研究較少。需要說(shuō)明的是通量空間代表性的研究以及利用大孔徑閃爍儀測(cè)量通量的能量平衡研究在山區(qū)還急需深入，只有基于LAS的空間代表性得到了充分的肯定之后，LAS廣泛應(yīng)用于山區(qū)通量值的測(cè)定才具有可靠的理論基礎(chǔ)。

［1］ 劉紹民，李小文，施生錦，等.大尺度地表水熱通量的觀(guān)測(cè)、分析與應(yīng)用［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（11）：1113-1127.

［2］ 徐自為，黃勇彬，劉紹民.大孔徑閃爍儀觀(guān)測(cè)方法的研究［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（11）：1139-1147.

［3］ 朱治林，孫曉敏，賈媛媛，等.基于大孔徑閃爍儀（LAS）測(cè)定農(nóng)田顯熱通量的不確定性分析［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（11）：1199-1207.

［4］ 褚英敏，袁再健，劉暢，等.Si B2模型在黃灌區(qū)的應(yīng)用探討［J］.水土保持研究，2011，18（2）：159-163.

［5］ 盧俐，劉紹民，孫敏章，等.大孔徑閃爍儀研究區(qū)域地表通量的進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2005（9）：932-938.

［6］ 馬迪，呂世華，陳晉北，等.大孔徑閃爍儀測(cè)量戈壁地區(qū)感熱通量［J］.高原氣象，2010（1）：56-62.

［7］ Nieveen J P，Green A E，Kohsiek W.Using a large-aperture scintillometer to measure absorption and refractive index fluctuations［J］.Boundar y-Layer Meteorology，1998，87（1）：101-116.

［8］ Beyrich F，De Br uin H A R，Meijninger W M L，et al.Results from one-year continuous operation of a large aperture scintillometer over a heterogeneous land surface［J］.Boundary-Layer Meteorology，2002，105（1）：85-97.

［9］ Hoedjes J C B，Zuurbier R M，Watts C J.Large aperture scintillo meter used over a ho mogeneous irrigated area，partly affected by regional advection［J］.Boundary－Layer Meteorology，2002，105（1）：99-117.

［10］ Kohsiek W，Meijninger W M L，Moene A F，et al.An extra-large aperture scintillo meter for long range applications［J］.Boundary-Layer Meteorology，2002，105：119-127.

［11］ 賈貞貞，劉紹民，毛德發(fā)，等.基于地面觀(guān)測(cè)的遙感監(jiān)測(cè)蒸散量驗(yàn)證方法研究［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（11）：1248-1260.

［12］ 劉雅妮，辛?xí)灾蓿鴼J火，等.基于多尺度遙感數(shù)據(jù)估算地表通量的方法及其驗(yàn)證分析［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（11）：1261-1272.

［13］ 李遠(yuǎn)，孫睿，劉紹民，等.大孔徑閃爍儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)在陸面模式驗(yàn)證中的應(yīng)用初探［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（11）：1237-1247.

［14］ 盧俐，劉紹民，徐自為，等.大孔徑閃爍儀和渦動(dòng)相關(guān)儀觀(guān)測(cè)顯熱通量之間的尺度關(guān)系［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（11）：1273-1282.

［15］ 黃妙芬，劉紹民，朱啟疆.LAS測(cè)定顯熱通量的影響因子分析［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2004（4）：133-138.

［16］ 白潔，劉紹民，丁曉萍.海河流域不同下墊面上大孔徑閃爍儀觀(guān)測(cè)顯熱通量的時(shí)空特征分析［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（11）：1187-1198.

［17］ 王維真，徐自為，劉紹民，等.黑河流域不同下墊面水熱通量特征分析［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2009（7）：714-723.

［18］ 施生錦，黃彬香，劉紹民，等.大尺度水熱通量觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的研制［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（11）：1128-1138.

［19］ Cliff or d S F，Ochs G R，Lawrence R S.Saturation of optical scintillation by strong tur bulence［J］.Jour nal of Optical Society of America，1974，64：148-154.

［20］ Green A E，Mc Aneney K J，Astill M S.Surface-layer scintillation measurement of day ti me sensible and momentu m fluxes［J］.Boundary Layer Meteorology，1994，68（4）：357-373.

［21］ Wang T，Ochs G R，Cliff or d S F，et al.A saturationresistant optical scintillometer to measure C2n［J］.Journal of Optical Society of America，1978，68（3）：334-338.

［22］ 馬志林，陳麗華，韓鵬，等.鷲峰國(guó)家森林公園風(fēng)景林健康評(píng)價(jià)研究［J］.水土保持研究，2010，17（6）：207-211.

［23］ 白潔，劉紹民，丁曉萍，等.大孔徑閃爍儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法研究［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（11）：1148-1165.

［24］ 隋娟，龔時(shí)宏，王建東，等.滴灌灌水頻率對(duì)土壤水熱分布和夏玉米產(chǎn)量的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2008，22（4）：148-152.

［25］ 王維真，徐自為，李新，等.大孔徑閃爍儀在黑河流域的應(yīng)用分析研究［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25（11）：1208-1215.

［26］ 胡麗琴，吳榮璋，方宗義.大口徑閃爍儀及其在地表能量平衡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2003，14（2）：197-205.