張 功，張勁松**，孟 平，鄭 寧

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037）

蒸散（Evapotranspiration）是全球水量平衡的重要組成部分，當(dāng)其被作為潛熱通量時(shí)，又與顯熱通量構(gòu)成了全球能量平衡的重要組成部分，因此，在全球氣候變化的背景下，對(duì)蒸散的觀測(cè)，特別是區(qū)域尺度平均蒸散的觀測(cè)顯得尤為重要[1-2]。傳統(tǒng)的蒸散觀測(cè)以波文比?能量平衡法（Bowen ratio energy balance）、梯度迭代法（Profile iteration method）、空氣動(dòng)力學(xué)方法（Aerodynamic method）、渦動(dòng)相關(guān)方法（Eddy Covariance，EC）以及蒸滲儀法（Lysimeter）等為主，對(duì)于中小尺度蒸散的計(jì)算、觀測(cè)研究成果豐碩，其中渦動(dòng)相關(guān)方法因其準(zhǔn)確快速的優(yōu)點(diǎn)常被用作蒸散觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)[3-5]。隨著全球氣候環(huán)境的變化以及流域水文研究的需要，區(qū)域尺度的蒸散研究越來越受到重視[6]。遙感模型法可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)區(qū)域尺度進(jìn)行蒸散的估算，但模型對(duì)蒸散過程中許多關(guān)鍵要素的參數(shù)化計(jì)算方法尚不成熟，遙感模型結(jié)果還須結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證改進(jìn)，模型參數(shù)也需要結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化[7]。若將傳統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果擴(kuò)展到區(qū)域尺度，除了需考慮下墊面異質(zhì)性的影響，還需考慮大氣狀態(tài)的平穩(wěn)性、湍流的發(fā)展以及局地微氣象條件的差異。因此，對(duì)區(qū)域平均蒸散的觀測(cè)仍為相關(guān)研究的瓶頸。利用近紅外波段與微波波段聯(lián)合（雙波長(zhǎng)方法）觀測(cè)的技術(shù)為直接實(shí)現(xiàn)區(qū)域尺度蒸散的估算帶來了希望。該技術(shù)不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法，如渦動(dòng)相關(guān)法的空間代表性不足，同時(shí)也為遙感模型的地面驗(yàn)證提供了的尺度匹配的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因而在地表能量觀測(cè)中表現(xiàn)出巨大的潛力。

利用近紅外波段與微波波段聯(lián)合的方法估算區(qū)域尺度湍流通量的技術(shù)，雖然早在20世紀(jì)70年代就已提出，但很難找到僅對(duì)濕度波動(dòng)敏感的波動(dòng)，且該技術(shù)要求高、成本昂貴，以往研究利用的設(shè)備多由實(shí)驗(yàn)室研制，商品化儀器甚少，且多利用雙波長(zhǎng)假設(shè)方法（Hill雙波長(zhǎng)方法）進(jìn)行區(qū)域通量估算。雙波長(zhǎng)方法首次由Hill提出，通過假設(shè)rTq取值等方法概括了該技術(shù)的完整計(jì)算過程（雙波長(zhǎng)假設(shè)法）。Meijninger等[8]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙波長(zhǎng)方法測(cè)算水熱通量的可行性，并得出理想結(jié)果。Ward等[9]在英國(guó)Swindon城郊區(qū)域利用雙波長(zhǎng)方法研究水熱通量，測(cè)量結(jié)果變化趨勢(shì)明顯，與渦動(dòng)相關(guān)方法結(jié)果一致性較高。國(guó)內(nèi)關(guān)于雙波長(zhǎng)方法的研究并不常見，舒婷[10]采用雙波長(zhǎng)假設(shè)法在中國(guó)北方草原下墊面條件下進(jìn)行區(qū)域蒸散的測(cè)量研究，結(jié)果表明雙波長(zhǎng)方法得到的顯熱通量與渦動(dòng)相關(guān)方法測(cè)量結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.96，潛熱通量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.76。上述研究大多基于假設(shè)rTq的方法進(jìn)行雙波長(zhǎng)測(cè)算，Meijninger等[8]研究發(fā)現(xiàn)，rTq在研究中通常位于?0.5～0.9，Mei等[11]在半干旱區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，雙波長(zhǎng)方法在實(shí)際測(cè)量中受到rTq的限制。Lüdi等[12]認(rèn)為通過假設(shè)rTq的方法并不能真實(shí)反映出波文比，從而提出可以實(shí)時(shí)測(cè)算rTq的雙波長(zhǎng)交互法。

由于很難選擇出僅對(duì)濕度波動(dòng)敏感的波動(dòng)，考慮到技術(shù)的復(fù)雜性以及成本問題，雙波長(zhǎng)方法對(duì)通量的估算僅在部分實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，且研究多采用雙波長(zhǎng)假設(shè)法進(jìn)行區(qū)域通量估算。2015年德國(guó)RPG公司生產(chǎn)出首套商業(yè)化微波閃爍儀（Microwave Scintillometer，MWS），才使得雙波長(zhǎng)方法在大范圍運(yùn)用成為可能?；赗PG公司生產(chǎn)的MWS與大孔徑閃爍儀（Large Aperture Scintillometer，LAS）相聯(lián)合，采用雙波長(zhǎng)交互測(cè)量的方法進(jìn)行工作，即紅外微波閃爍儀方法（Optical-Microwave Scintillometer，OMS），在已公開的文獻(xiàn)中，有關(guān)利用OMS進(jìn)行通量的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)并不常見。本研究基于OMS方法，在華北低丘山地人工林生態(tài)系統(tǒng)展開關(guān)于蒸散的觀測(cè)研究，比較OMS估算結(jié)果與EC觀測(cè)結(jié)果差異，并分析OMS方法的估算結(jié)果對(duì)能量平衡的影響，深入分析影響OMS觀測(cè)結(jié)果的因子，旨在探明OMS觀測(cè)過程中存在的不確定性，以期為進(jìn)一步研究區(qū)域蒸散、能量閉合問題提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為后續(xù)雙波長(zhǎng)方法的研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 OMS原理及方法

雙波長(zhǎng)即紅外微波閃爍儀交互測(cè)量系統(tǒng)（OMS），由大孔徑閃爍儀（LAS）和微波閃爍儀（MWS）兩個(gè)分系統(tǒng)組成，每個(gè)分系統(tǒng)均包括接收端和發(fā)射端。發(fā)射端發(fā)射出特定波長(zhǎng)的光波，LAS波長(zhǎng)為880nm，MWS波長(zhǎng)為1.86mm，在傳播過程中受大氣湍流的影響而發(fā)生光信號(hào)強(qiáng)度變化，接收端根據(jù)光強(qiáng)的變化測(cè)出空氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)（其計(jì)算式為

式中，是 LAS測(cè)算出的空氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)（m?2/3）；為接收光強(qiáng)信號(hào)的自然對(duì)數(shù)方差；D為閃爍儀的孔徑尺寸（0.15m）；L為光路長(zhǎng)度（1.63km）；為MWS測(cè)算出的空氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)（m?2/3）；k為空間波數(shù)（2π/λ，λ為波長(zhǎng)，m）；為L(zhǎng)AS與OMS測(cè)量的交互空氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)（m?2/3）。A為待定系數(shù)，與LAS、MWS的路徑長(zhǎng)度以及LAS與MWS儀器的中心距離有關(guān)，具體計(jì)算參考Lüdi等[12]?？杀硎緸闇囟冉Y(jié)構(gòu)參數(shù)濕度結(jié)構(gòu)參數(shù)以及溫濕度交互結(jié)構(gòu)參數(shù)（CTq）的方程，即[12-13]

式中，和 CTq是未知數(shù)，為空氣平均溫度（K）；表示空氣的平均相對(duì)濕度（kg·kg?1），AT、Aq分別為溫度、濕度結(jié)構(gòu)參數(shù)系數(shù)。按照Lüdi等[12]計(jì)算方法，和CTq分別為

式中，M?1為逆矩陣，表達(dá)式可參考文獻(xiàn)[12]。

根據(jù)莫寧?奧布霍夫相似理論（MOST），空氣的溫度、濕度結(jié)構(gòu)參數(shù)與穩(wěn)定度函數(shù)f存在如下關(guān)系

式中，z為有效高度（m），d為零平面位移（m），T*為溫度變量（K），q*為濕度變量（kg·kg?1），fT為MOST普適函數(shù)，LMO為奧布霍夫長(zhǎng)度。其中

式中，g 為重力加速度（9.81m·s?2），u*為摩擦風(fēng)速（m·s?1），k 為von Karman 常數(shù)（0.4）。由于 LMO受H和u*的影響，上述公式通常無法得出H或LE的解析解，對(duì)于紅外?微波雙波長(zhǎng)工作方式的光閃爍法需進(jìn)行如下迭代運(yùn)算。

式中，為空氣密度（1.2kg·m?3），cp為空氣比熱（1005J·kg?1·K?1），是空氣的相對(duì)濕度（kg·kg?1），Lv是蒸發(fā)潛熱（kJ·kg?1），H 為顯熱通量（W·m?2），LE 是潛熱通量（W·m?2）。

1.2 研究區(qū)域概況

研究地點(diǎn)位于河南黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外定位觀測(cè)研究站南山觀測(cè)區(qū)。該定位研究站位于河南省濟(jì)源市，地處黃河中游，太行山南端，站區(qū)中心地理坐標(biāo)為（35°01′N，112°28′E），平均海拔 410m，面積約 7210hm2。區(qū)域樹種以栓皮櫟（Quercus variabilis Blume）、側(cè)柏[Platycladus orientalis （Linn.） Franco cv. Orientalis]、刺槐（Robinia pseudoacacia Linn）人工純林3個(gè)樹種的針闊混交林為主，所占面積比例分別約 81.6%、7.4%和11.0%，平均株高分別為10.1m、8.0m和9.4m（2016年）。屬暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.4℃，全年日照時(shí)數(shù)為2367.7h，年平均降水量641.7mm。受季風(fēng)氣候的影響，降水季節(jié)性分配不均勻。5?9月平均降水量為438.0mm，占全年的68.3%。主要生長(zhǎng)季節(jié)（5?9月）風(fēng)向東北偏東、西南為主。

1.3 觀測(cè)系統(tǒng)布置

雙波長(zhǎng)即紅外微波閃爍儀交互測(cè)量系統(tǒng)（OMS）安裝在觀測(cè)區(qū)中的西南?東北走向，系統(tǒng)發(fā)射端與接收端之間直線距離1.63km。發(fā)射端距離地面32.6m，接收端距離地面 9.8m，觀測(cè)有效高度為 27.3m。具體安裝方式如圖1所示。大孔徑閃爍儀（LAS，型號(hào)BLS900，德國(guó)產(chǎn)）與微波閃爍儀（MWS，型號(hào)RPG-160，德國(guó)產(chǎn)）采用橫向交叉安置，兩個(gè)發(fā)射端中心相距0.4m，兩個(gè)接收端中心相距0.3m，安裝方式可參考文獻(xiàn)[12]。MWS固定采樣頻率為1000Hz，為了最大限度獲取LAS觀測(cè)信號(hào)，LAS采用最高發(fā)射頻率（125Hz）。氣象數(shù)據(jù)由 MWS自帶氣象站（Vaisala，型號(hào)WXT-520，芬蘭產(chǎn)）觀測(cè)。在近OMS光路的中間位置處安裝凈輻射傳感器（Kizzp&zonen，型號(hào)CNR-4，荷蘭產(chǎn)）。

渦度觀測(cè)（EC）系統(tǒng)安裝在光路中間（圖1），靠近OMS發(fā)射端，主要包含CSAT3三維超聲風(fēng)溫計(jì)（美國(guó)產(chǎn)）和LI-7500開路式紅外CO2/H2O分析儀（美國(guó)產(chǎn)）以及5cm土壤熱通量板。EC安裝在距地面30m處，凈輻射安裝在距地面16m處。EC采樣頻率為 10Hz，其它常規(guī)氣象參數(shù)采樣間隔為10min。氣象參數(shù)的觀測(cè)均采用CR5000型數(shù)據(jù)采集器（Campbell Sci. Inc.，USA）晝夜連續(xù)自動(dòng)采集。

圖1 觀測(cè)系統(tǒng)儀器布置示意圖Fig. 1 Set-up of laboratory instruments

1.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

觀測(cè)時(shí)間為2015年9月5日?11月9日。由于OMS只輸出白天（6：00?19：00）數(shù)據(jù)，由實(shí)驗(yàn)期間觀測(cè)結(jié)果可知，在7：00之前、18：00之后OMS輸出的數(shù)據(jù)波動(dòng)較大（相鄰分鐘間隔內(nèi)顯熱通量正負(fù)交叉變化），為確保數(shù)據(jù)有效性，僅篩選出7：30?17：30的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)自動(dòng)氣象站的觀測(cè)結(jié)果，剔除降雨時(shí)刻數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)OMS信號(hào)不穩(wěn)定或信號(hào)強(qiáng)度偏低的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。由于MWS波長(zhǎng)較大（1.86mm），在本次研究觀測(cè)中不受信號(hào)飽和的影響，因此，僅對(duì) LAS進(jìn)行飽和質(zhì)量控制。根據(jù)0.193L?8/3λ1/3D5/3（L為光路徑長(zhǎng)度，1634m，λ是LAS的波長(zhǎng)，為880nm，D是LAS的孔徑尺寸，為0.15m）剔除BLS900的飽和值，根據(jù)BLS900的診斷文件進(jìn)行野點(diǎn)剔除，并刪除同時(shí)刻MWS的觀測(cè)數(shù)據(jù)。觀測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間間隔為 1min，后期處理時(shí)間間隔為30min，經(jīng)上述質(zhì)量控制后得到 OMS數(shù)據(jù)樣本量為3890。

EC數(shù)據(jù)處理主要包括降雨時(shí)刻數(shù)據(jù)剔除、野點(diǎn)剔除、延遲時(shí)間校正、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)（平面擬合法）、大氣密度效應(yīng)的修正（WPL修正）等[14]，EC直接輸出30min平均值。EC與OMS觀測(cè)時(shí)間不匹配的數(shù)據(jù)也被剔除，如OMS系統(tǒng)無夜間數(shù)據(jù)輸出，因此，EC在夜間的觀測(cè)數(shù)據(jù)也被剔除。

1.5 源區(qū)分析

通量源區(qū)是指對(duì)通量值有主要貢獻(xiàn)的下墊面區(qū)域，主要與觀測(cè)高度、大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速風(fēng)向等因素有關(guān)[15-16]。根據(jù) Kormann等[17]理論先計(jì)算出 EC的源區(qū)分布，再根據(jù)OMS路徑權(quán)重函數(shù)求得OMS系統(tǒng)的源區(qū)分布。

EC單點(diǎn)的累積足跡為

側(cè)向風(fēng)分布函數(shù)為

由式（11）、式（12）可得EC源區(qū)為其中，Γ為伽馬函數(shù)，x為距離觀測(cè)點(diǎn)的上風(fēng)向距離（m），μ表示濃度隨風(fēng)速與湍流強(qiáng)度的擴(kuò)散系數(shù)，ξ表示通量隨高度的變化程度，y表示x位置所對(duì)應(yīng)的高度，σ表示濃度隨風(fēng)速的變化程度，主要與風(fēng)速有關(guān)。

OMS權(quán)重函數(shù) W（x）表示光徑路程上每個(gè)點(diǎn)對(duì)OMS觀測(cè)結(jié)果的貢獻(xiàn)程度，其表示形式為

式中，v為OMS的空間波數(shù)，υ為湍流譜空間的波數(shù)，L為光路徑長(zhǎng)度（m），D是 OMS的直徑，J1為一階貝塞爾函數(shù)。因此，可確定OMS的足跡模型為

式中，x1、x2表示OMS發(fā)射端和接收端的位置，（x，y）表示光路程上的點(diǎn)，（x'，y'）表示光路徑點(diǎn)上風(fēng)區(qū)域的點(diǎn)坐標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中常用足跡函數(shù)的不同水平等值線所包圍的區(qū)域表示通量來源范圍。等值線通常指達(dá)到某一水平的通量值在最小區(qū)域上的積分函數(shù)。本研究中通量值的等值線取90%、80%、70%、60%、50%。

2 結(jié)果與分析

2.1 OMS系統(tǒng)水熱通量及其影響分析

2.1.1 30min水熱通量

由圖2a可見，全觀測(cè)期內(nèi)（2015年9月5日?11月9日）每日7：30?17：30，OMS系統(tǒng)與EC系統(tǒng)估算的每 30min顯熱通量（H）均在 0～350W·m?2范圍，兩者線性回歸方程的決定系數(shù)（R2）為0.75，線性回歸系數(shù)為 1.05，說明 OMS系統(tǒng)所觀測(cè)的 H比EC系統(tǒng)偏高約5%。從散點(diǎn)的聚焦程度看，大部分?jǐn)?shù)值小于 100W·m?2，且在 1:1線附近；大于100W·m?2數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)較分散。由圖2b可見，OMS系統(tǒng)與EC系統(tǒng)觀測(cè)的每30min潛熱通量（LE）在0～600W·m?2范圍內(nèi)，線性回歸方程的決定系數(shù)（R2）為0.66，線性回歸系數(shù)為1.28，表明OMS系統(tǒng)估算的LE比EC系統(tǒng)偏高約28%。由圖還可見，當(dāng)LE大于300W·m?2時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散程度較大。

2.1.2 通量源區(qū)的分布

通量源區(qū)主要受風(fēng)速、風(fēng)向以及觀測(cè)高度等因素的影響，根據(jù)觀測(cè)高度以及氣象站觀測(cè)的相關(guān)氣象參數(shù)得出觀測(cè)期間風(fēng)向分布如圖3a所示。由圖可見，西風(fēng)與西南風(fēng)為整個(gè)觀測(cè)期間的盛行風(fēng)向，根據(jù)盛行風(fēng)向，結(jié)合式（11）?式（17），取平均風(fēng)速2.5m·s?1，摩擦速度 0.4m·s?1，穩(wěn)定度為?3.4 時(shí) EC 和OMS的觀測(cè)源區(qū)分布如圖3b所示。從源區(qū)分布可以看出，OMS的通量源區(qū)基本完整覆蓋了EC通量源區(qū)。結(jié)合圖2a可知，當(dāng)OMS與EC的通量源區(qū)重疊區(qū)域較多時(shí)，二者觀測(cè)得出的顯熱通量較接近。從圖3b可以看出，沿OMS光傳播方向，EC通量源區(qū)的90%位于OMS通量源區(qū)范圍，OMS采用相對(duì)濕度表示空氣中水汽含量，而EC采用水汽密度表示空氣中水汽含量，由于EC和OMS觀測(cè)通量源區(qū)的不同，受到氣壓、氣溫等影響，二者的觀測(cè)結(jié)果差異較大。

2.1.3 不同波文比下的水熱通量

圖4是不同波文比條件下，OMS與EC觀測(cè)的每半小時(shí)通量比較。圖中所示，波文比對(duì)OMS估算的熱量通量影響顯著。由4a可知，當(dāng)波文比為0.75時(shí)，OMS估算的顯熱通量比EC的測(cè)量結(jié)果高9%左右；而波文比變?yōu)?.03時(shí)，OMS結(jié)果比EC測(cè)量值高出2%左右，R2也由0.72變成0.91，說明OMS與EC觀測(cè)的每30min顯熱通量（H）具有良好的一致性，且當(dāng)波文比較大時(shí)，OMS估算的H離散程度較小。圖4b表明，與H相比，OMS估算的每30min顯熱通量（LE）受波文比的影響較大，OMS估算的LE與EC觀測(cè)結(jié)果相比，均出現(xiàn)不同程度的高估，當(dāng)波文比為0.75時(shí)，OMS的估算結(jié)果比EC觀測(cè)結(jié)果偏高約64%，當(dāng)波文比變?yōu)?.03時(shí)，OMS估算結(jié)果出現(xiàn) 34%的高估現(xiàn)象。說明波文比較大時(shí)，OMS對(duì)熱量通量的觀測(cè)，特別是H的觀測(cè)較為可靠。

圖2 2015年9月5日?11月9日每日7：30?17：30 OMS系統(tǒng)與EC系統(tǒng)每30min觀測(cè)結(jié)果的比較Fig. 2 Comparison of fluxes from OMS and EC system, datasets from Sep. 5 to Nov. 9, 2015 during 7:30?17:30 with 30 minutes intervals

圖3 觀測(cè)期間風(fēng)向（a）和通量的觀測(cè)源區(qū)分布（b）Fig. 3 Wind directions during the observation(a) and the distribution of source area(b)

圖4 不同波文比狀態(tài)下OMS系統(tǒng)與EC系統(tǒng)每30min觀測(cè)結(jié)果的比較Fig. 4 Comparison of averaged heat fluxes with 30 minutes intervals obtained from OMS and EC system by different β（Bowen ratio）

2.2 OMS系統(tǒng)能量閉合程度及其影響分析

2.2.1 能量平衡比率

作為生態(tài)系統(tǒng)能量來源的凈輻射（Rn）主要以顯熱通量（H）和潛熱通量（LE）的方式對(duì)邊界層底部進(jìn)行加熱，有部分熱量進(jìn)入土壤，即土壤熱通量（G），也有一部分熱量以其它形式存儲(chǔ)或消亡[18]。因此，表示能量閉合程度的能量平衡比率（Energy balance ratio，EBR）可以反映出測(cè)量方法的可靠程度，可表達(dá)為

圖5為每日7：30?17：30 OMS和EC觀測(cè)的能量平衡比率。由圖可見，OMS估算的能量平衡比率EBR為1.05，其中67.5%的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在1:1線上方，表現(xiàn)出過閉合狀態(tài)。EC觀測(cè)的能量平衡比率為0.78，僅7.6%的數(shù)據(jù)點(diǎn)分散在1:1線上方。結(jié)合圖2可知，OMS系統(tǒng)的過閉合現(xiàn)象可能是因?yàn)長(zhǎng)E出現(xiàn)了高估現(xiàn)象。能量平衡比率表明，基于相同的Rn與G，OMS系統(tǒng)觀測(cè)的能量值出現(xiàn)5%左右的高估，而EC系統(tǒng)觀測(cè)的能量出現(xiàn)約 22%的低估現(xiàn)象，整個(gè)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)R2具有一致性。

圖5 2015年9月5日?11月9日每日7：30?17：30 OMS系統(tǒng)和EC系統(tǒng)每30min觀測(cè)的能量平衡比率Fig. 5 Energy balance ratio with 30 minutes intervals of OMS and EC system from Sep. 5 to Nov. 9, 2015 during 7:30?17:30

2.2.2 能量閉合誤差原因

LE的高估導(dǎo)致了OMS系統(tǒng)出現(xiàn)能量過閉合現(xiàn)象。由于觀測(cè)區(qū)域地形起伏不平，下墊面性質(zhì)復(fù)雜，OMS觀測(cè)的通量源區(qū)范圍較大（圖3），在盛行風(fēng)向條件下的不同風(fēng)速對(duì)湍流的發(fā)展?fàn)顟B(tài)也不相同，從而影響了OMS系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果。

對(duì)不同風(fēng)速條件下OMS與EC的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較可知（圖6），在風(fēng)速小于3m·s?1時(shí)，OMS估算的H比EC觀測(cè)結(jié)果高11%～13%，風(fēng)速大于3m·s?1時(shí)，OMS估算的H比EC觀測(cè)結(jié)果高約21%，風(fēng)速大于4m·s?1時(shí)，二者結(jié)果偏差可達(dá)37%。由圖還可見，OMS估算的潛熱通量LE受風(fēng)速的影響明顯。當(dāng)風(fēng)速小于3m·s?1時(shí)，OMS估算的LE比EC觀測(cè)結(jié)果偏高 18%～21%，但當(dāng)風(fēng)速大于3m·s?1時(shí)，比EC觀測(cè)結(jié)果偏高達(dá) 35%，當(dāng)風(fēng)速大于 4m·s?1時(shí)，OMS觀測(cè)的LE均在 200W·m?2以上。造成這種差異的原因可能是風(fēng)速對(duì)塔體晃動(dòng)，造成信號(hào)噪聲影響，OMS在原始數(shù)據(jù)濾波過程中，并未完全過濾這些異常信號(hào)，從而造成通量值的高估[19]。OMS是在區(qū)域尺度對(duì)湍流通量進(jìn)行估算，得出的通量時(shí)間間隔較短（1min），而EC方法得出的結(jié)果為30min間隔，統(tǒng)計(jì)不確定性較大。在白天觀測(cè)條件下，湍流受到溫度和風(fēng)速的影響較大，在不同風(fēng)速條件下湍流狀態(tài)也不相同，OMS由于觀測(cè)路徑較長(zhǎng)，在獲取有效湍流時(shí)受到信號(hào)噪聲的影響，觀測(cè)結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生偏差。

圖6 2015年9月5日?11月9日每日7：30?17：30不同風(fēng)速條件下OMS與EC系統(tǒng)每30min觀測(cè)的顯熱通量（a）、潛熱通量（b）的比較Fig. 6 Comparison of sensible heat fluxes(a), latent heat fluxes(b) derived from OMS and measured by EC with different wind speed from Sep. 5 to Nov. 9, 2015 during 7:30?17:30 with 30 minutes intervals

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）OMS系統(tǒng)估算的顯熱通量與EC觀測(cè)結(jié)果具有良好的一致性，但潛熱通量比 EC觀測(cè)結(jié)果高估約28%。由于存在對(duì)潛熱通量的高估，致使OMS系統(tǒng)觀測(cè)在本次研究中出現(xiàn)過閉合現(xiàn)象，超出幅度約為5%。

（2）氣象因子，如波文比、風(fēng)速對(duì)OMS估算影響顯著。當(dāng)波文比為0.75時(shí)，OMS估算的潛熱通量比EC觀測(cè)結(jié)果高約54%。當(dāng)風(fēng)速＞4m·s?1時(shí)，OMS估算結(jié)果并不理想。

（3）OMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)潛熱通量的直接估算，其系統(tǒng)采樣間隔較短，大大減小了統(tǒng)計(jì)不確定性，有助于更精確地測(cè)量熱量通量，深入研究能量閉合問題。

3.2 討論

在雙波長(zhǎng)方法估算熱通量的研究中，雙波長(zhǎng)方法估算的顯熱通量比EC觀測(cè)結(jié)果高7%左右，潛熱通量估算結(jié)果比 EC觀測(cè)結(jié)果高約 26%[8]，在Flevoland的實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)潛熱通量高估約 8%[20]。OMS系統(tǒng)估算的顯熱通量與以往相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果相似，但潛熱通量估算結(jié)果相對(duì)較高。波文比條件對(duì)OMS的影響較大。研究表明，近紅外波段主要對(duì)溫度的波動(dòng)敏感，而微波波段對(duì)溫度和水汽的波動(dòng)同樣敏感[13,21]。本實(shí)驗(yàn)中的微波波長(zhǎng)為1.86mm，頻率為 160GHz，文獻(xiàn)中的波長(zhǎng)大多為 11mm，27GHz[8]或 3.2mm，94GHz[9,11,22]。Meijninger等[8]研究發(fā)現(xiàn)，相同波長(zhǎng)、不同頻率的MWS與近紅外聯(lián)合觀測(cè)存在8%的誤差，分別對(duì)顯熱通量與潛熱通量高估約 2%和4%。針對(duì)近紅外波段測(cè)算顯熱通量的研究表明，當(dāng)波文比較高時(shí)，如在干旱區(qū)域，波文比對(duì)熱量通量測(cè)算的影響很小，可以忽略，但當(dāng)波文比較小時(shí)，如濕地、農(nóng)田等，由于濕度波動(dòng)引起的信號(hào)變化會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響，波文比修正不可忽略[23-24]。對(duì)溫濕度波動(dòng)均敏感的微波波段受濕度影響較大[12]，受水汽吸收影響，OMS的觀測(cè)結(jié)果會(huì)受到波文比的影響。

OMS對(duì)通量的估算主要根據(jù)相似理論通過迭代計(jì)算得出。利用近紅外與微波聯(lián)合方式觀測(cè)空氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)是可靠的[9,25-26]，由于相似理論的使用具有特定的限制條件，因此，OMS得到的最終結(jié)果與EC觀測(cè)結(jié)果相比偏大[8,27-28]。關(guān)于相似函數(shù)已有多種不同的表達(dá)形式[13,24,30-31]。在不穩(wěn)定狀態(tài)下，不同相似函數(shù)對(duì)通量估算結(jié)果影響不大，但在近中性條件或者穩(wěn)定條件時(shí)不同相似函數(shù)對(duì)OMS通量的估算具有明顯影響[9]。且不同相似函數(shù)對(duì)通量的估算會(huì)產(chǎn)生 20%左右的誤差[30-31]。不同相似函數(shù)的選擇對(duì)通量的結(jié)果影響不同，通過實(shí)驗(yàn)擬合得出的相似函數(shù)適用性與湍流狀態(tài)具有明顯關(guān)聯(lián)性[31]。本研究所選擇的相似函數(shù)是最常用的 Andreas[26]提出的表達(dá)式，該相似函數(shù)成立的前提是假設(shè)溫濕度波動(dòng)狀況相同，在本研究的下墊面條件下，由于風(fēng)速條件的不同，湍流狀態(tài)可能限制了相似函數(shù)的適用性，此外氣溫的波動(dòng)與空氣濕度的波動(dòng)也并非相等，EC與OMS的觀測(cè)尺度不一致、通量源區(qū)不完全重疊，在面積尺度上的累積誤差也是造成OMS對(duì)能量高估的原因。此外，OMS系統(tǒng)利用迭代方式估算湍流通量時(shí)需要確定粗糙度長(zhǎng)度。粗糙度長(zhǎng)度受到觀測(cè)源區(qū)的影響，具有動(dòng)態(tài)特征。周艷蓮等[32]對(duì)長(zhǎng)白山觀測(cè)站進(jìn)行粗糙度 z0研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同風(fēng)向時(shí)粗糙度差異明顯，并指出采用經(jīng)驗(yàn)算法 z0=0.13h （h為植被冠層高度）估算得出的結(jié)果比實(shí)際計(jì)算得出的粗糙度偏大。本研究所在區(qū)域地形起伏，植被高度不一，但在實(shí)際計(jì)算中采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)粗糙度長(zhǎng)度進(jìn)行估算，從而影響了OMS系統(tǒng)估算結(jié)果。在有效高度計(jì)算中，依據(jù)Hartogensis等[33]方法，而Evans等[22]在研究中指出，Hartogensis等計(jì)算有效高度的方法僅適于近紅外波段閃爍儀，若將之?dāng)U展至OMS系統(tǒng)觀測(cè)中，由于BLS900的路徑權(quán)重函數(shù)與MWS的路徑權(quán)重函數(shù)并不相同而存在不確定性，Sheepdrove在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，由有效高度帶來的觀測(cè)誤差在5%～15%。Ward等[24]研究認(rèn)為不同的有效高度對(duì)通量結(jié)果產(chǎn)生6%或3%的偏差。

采用EC方法觀測(cè)時(shí)，對(duì)冠層熱儲(chǔ)量和其它形式消耗能量的忽略導(dǎo)致了低估[17]。研究表明，植被冠層高度超過8m時(shí)，冠層熱儲(chǔ)存量對(duì)能量閉合會(huì)產(chǎn)生較大的影響，在茂盛的森林中，由冠層儲(chǔ)量引起的能量閉合誤差可達(dá) 7%左右[23]。同時(shí)，由于空間位置的差異，有效凈輻射的觀測(cè)存在5%的誤差，土壤熱通量的誤差在15%左右[34]。許多關(guān)于森林下墊面的研究中，EC觀測(cè)的能量閉合程度最高約為0.7，而OMS在本研究中能量閉合出現(xiàn)過閉合狀態(tài)，如何通過有效的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，合理控制計(jì)算過程中的誤差，降低OMS對(duì)能量的高估現(xiàn)象，將有助于深入研究能量閉合問題。

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