杜昊霖，王 勝，喬 梁，孫旭映

（1. 中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災重點實驗室，甘肅 蘭州 730020；2. 復旦大學大氣與海洋科學系， 上海 200082）

引 言

在地球系統(tǒng)中，陸-氣相互作用占有極其重要的地位，反映了陸-氣相互間的物質(zhì)、動量和能量交換以及輸送過程，對區(qū)域氣候預測和全球天氣預報預測舉足輕重［1-3］。為此，從20 世紀80 年代開始，在世界各地陸續(xù)進行了許多大型陸-氣相互作用觀測試驗：如在國際開展了濕潤區(qū)水分收支和蒸發(fā)通量的水文-大氣試驗（Hydrologic Atmospheric Experi?ment for the Study of Water Budget and Evaporation Flux at the Climatic Scale，HAPEX/MOBILMY）［4］，歐洲干旱化區(qū)域野外觀測試驗（European Field Experi?ment in a Desertification-Threatened Area，EFEDA）［5］，全球能量與水循環(huán)試驗（Global Energy and Water Exchanges Experiment，GEWEX）［6］，水文循環(huán)的生物圈方面（Biospheric Aspects of Hydrological Cycle，BAHC）專項研究［7］，氣候和海洋變率、變化與可預測性（Climate Variablility and Predictability，CLIVAR）計劃［8］，國際全球環(huán)境變化人文因素計劃（Interna?tional Human Dimensions Programme on Global Envi?ronmental Change，IHDP）［9］等；在國內(nèi)開展的主要有中日合作黑河地區(qū)地-氣相互作用野外觀測試驗（Heihe River Basin Field Experiment，HEIFE）［10］，內(nèi)蒙古半干旱草原土壤-植被-大氣相互作用［11-12］，西北干旱區(qū)陸-氣相互作用觀測試驗［13］，華北平原地標通量參數(shù)化與大氣邊界層過程的基礎研究［14］等，這些試驗項目的完成取得了一些有意義的研究成果，推動了國內(nèi)外陸面過程的研究進展。

陸面過程觀測試驗的儀器精度和可靠性是陸-氣相互作用特征分析和研究成果準確性的基石，因此對觀測儀器的準確性、觀測誤差及其一致性分析很有必要［15-16］。許多學者對此進行了探討，在黑河流域分析了微氣象塔的儀器精度（包括風、溫濕度傳感器）以及輻射儀器的觀測誤差，就觀測數(shù)據(jù)的準確性以及儀器誤差進行了討論［17］；也有對兩組不同類型的輻射儀器以及兩組相同類型的土壤熱通量板和渦度相關系統(tǒng)進行了比較觀測和一致性分析［18-19］，以上研究多為對單一儀器的精度進行討論，目前對陸面觀測試驗中各種儀器進行系統(tǒng)對比分析的研究鮮有報道。因此，本文在定西干旱氣象與生態(tài)環(huán)境試驗基地（簡稱“定西基地”）開展系統(tǒng)的平行對比試驗，對陸-氣相互作用試驗的儀器精度和觀測誤差進行分析，以期為今后陸-氣相互作用試驗中各種儀器的運行保障、參數(shù)標定和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

定西基地（104°37′E，35°35′N）位于甘肅省定西市，地處黃土高原抬高延伸區(qū)，是典型的多溝壑黃土高原地貌區(qū)，屬于半干旱氣候，易受季風的影響［20］。定西基地海拔高度1896.7 m，年平均氣溫6.7 ℃、日照時數(shù)2433 h、無霜期140 d，年平均降水量386.6 mm且分布不均（主要集中在6—8月）［21-22］。定西基地土地利用類型為雨養(yǎng)旱作農(nóng)田，無高層建筑物和樹木，觀測試驗場地周圍空曠平坦，圖1為定西基地試驗場的分布。

圖1 定西基地試驗場分布Fig.1 The distribution of experiment sites of Dingxi base

1.2 觀測儀器設備

觀測儀器有1 套CNR4 型四分量輻射計、5 套HFP01熱通量板、1套CGR3型和1套IR02型長波輻射傳感器、1 套CMP3 型和1 套SR11 型短波輻射傳感器、15 套HMP45D 型溫濕度傳感器、6 套WAA151型風速儀、7套CS616型土壤濕度傳感器、16套107-L型土壤溫度傳感器、3 套渦動協(xié)方差系統(tǒng)（CSAT3 三維超聲風速儀+Li-7500 CO2/H2O 分析儀）和2 套EL15-1C 型風速傳感器，觀測項目包括大氣風速、溫度、相對濕度、土壤濕度和溫度、地表輻射以及地表通量(土壤熱通量、地表潛熱、感熱和動量通量)，對以上采用的各種觀測儀器進行架設（表1）。為了對比標定觀測試驗的準確性，將土壤熱通量板和土壤溫濕度傳感器放于室內(nèi)實驗室平臺上進行標定。由于土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器和土壤熱通量板單元采用高精度頻域反射式傳感器，試驗為了保障對比觀測數(shù)據(jù)的一致性，將傳感器均置于純水介質(zhì)內(nèi)觀測，要求待測傳感器探針陣列和水平面保持水平，同時要求相同的入水深度（5 cm），以實現(xiàn)對待測傳感器的數(shù)值對比校準，產(chǎn)生精準的水分、溫濕度及熱通量輸出信號［23-24］。

表1 觀測設備及主要技術參數(shù)Tab.1 Observation equipment and main technical parameters

1.3 資料及處理方法

由于不同類型傳感器數(shù)量較多，為保證每個型號傳感器數(shù)據(jù)的準確性，將平行對比觀測試驗分4個時期開展，即分別采用定西基地2017 年5 月11—20 日觀測地表輻射通量、空氣溫濕度，5 月15—17 日地表潛熱、感熱通量，5 月5—7 日土壤溫度和熱通量，5月5—20日風速和土壤濕度。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集器采集之后，輸出得到10 min 平均值，最后進行質(zhì)量控制［25］。利用均方根誤差（root mean square error，RMSE）、平均相對誤差（mean relative er?ror，MRE）、相關系數(shù)（R）和擬合斜率來表征儀器的一致性和觀測誤差［26］，具體計算公式［15］如下：

式中：Pi、Ri分別表示第i（i＝1，2，3，…，n，其中n為樣本總數(shù)）個樣本觀測值、參考值，把各傳感器觀測數(shù)據(jù)的平均值作為參考值，這是因為在沒有絕對真值的參考下，用平均值作為參考標準可減少系統(tǒng)誤差；σP和σR分別表示觀測值、參考值的標準偏差；分別表示觀測值、參考值的平均值。

2 結果分析

2.1 微氣象要素

2.1.1 空氣溫濕度

圖2為15 套HMP45D 型溫濕度傳感器觀測的空氣溫度（Ta1，Ta2，Ta3，…，Ta15）、相對濕度（RH1，RH2，RH3，…，RH15）的平均日變化。可以看出，15 組空氣溫度和相對濕度的數(shù)據(jù)整體變化趨勢一致，但Ta7和RH9的數(shù)據(jù)偏低，系統(tǒng)誤差較大。因此，在統(tǒng)計分析空氣溫度和相對濕度時未使用Ta7和RH9的數(shù)據(jù)，且規(guī)定14 套儀器觀測空氣溫度和相對濕度的平均值為參考值，對其他儀器分別對比分析。

圖2 15套HMP45D型溫濕度傳感器觀測的空氣溫度（a）、相對濕度（b）的平均日變化Fig.2 The mean diurnal variation of air temperature（a）and relative humidity（b）observed by 15 sets of HMP45D temperature and humidity sensor

表2列出14 套HMP45D 型溫濕度傳感器觀測的空氣溫度和相對濕度?？梢钥闯?，空氣溫度、相對濕度的相關系數(shù)R都非常接近1（均通過α＝0.01的顯著性檢驗），且擬合直線的斜率也近乎1，Ta8、Ta9、Ta12、Ta15的均方根誤差分別為1.65、1.51、1.47、1.54 ℃，平均相對誤差分別為-4.86%、-3.23%、4.50%、2.99%，其他10套儀器觀測數(shù)據(jù)的均方根誤差和平均相對誤差均小于這4 套儀器。統(tǒng)計表明（表略），在絕大數(shù)情況下空氣溫度的偏差絕對值小于0.20 ℃，占觀測樣本總數(shù)的91.30%，偏差絕對值大于等于0.20 ℃的樣本占比為8.70%。

表2 14套HMP45D型溫濕度傳感器觀測空氣溫度和相對濕度的對比Tab.2 The comparison of air temperature and relative humidity observed by 14 sets of HMP45D temperature and humidity sensor

對于空氣相對濕度的觀測值來說，RH2、RH7、RH10、RH11的均方根誤差分別為4.25%、3.67%、3.65%和4.35%，平均相對誤差分別為-10.73%、10.05%、10.42%、12.17%，其余10 套儀器觀測數(shù)據(jù)的均方根誤差和平均相對誤差均小于這4 套儀器。因此，今后在觀測空氣相對濕度時需要對這4 套儀器進行一致性訂正。統(tǒng)計表明（表略），空氣相對濕度的偏差絕對值小于2.00% 的樣本占比為73.24%，我國規(guī)定自動氣象站相對濕度測量值的允許偏差為±2.00%（當空氣相對濕度小于等于80%時）①中國氣象局綜合觀測司.新型自動氣象（氣候）站功能需求書.2012，因此，絕大多數(shù)相對濕度傳感器的誤差均在允許范圍內(nèi)，表明儀器之間的一致性較高。

綜上所述，在大多數(shù)情況下空氣溫濕度傳感器的觀測資料能保持一致，出現(xiàn)平均相對誤差和均方根誤差較大的情況可能是由濕敏電容傳感器引起的，濕敏電容傳感器是用有機高分子膜作介質(zhì)的一種小型電容器，無法被密封保護，其測量部分容易和空氣中的塵土、雜質(zhì)和化學物質(zhì)等接觸，從而影響傳感器的靈敏度。濕度傳感器的電氣參數(shù)會隨時間推移、溫度變化以及機械沖擊作用而產(chǎn)生變化，引起電容介質(zhì)的介電常數(shù)改變，從而給濕度測量結果帶來附加誤差，使得濕度傳感器不合格的比例較高，因此對于HMP45D 型濕度傳感器需進行定期清潔和校準。

2.1.2 土壤溫濕度

從16套107-L型土壤溫度傳感器觀測土壤溫度（T1，T2，T3，…，T16）的平均日變化（圖略）看出，16 組土壤溫度變化趨勢基本一致，但T14的數(shù)據(jù)整體偏低，系統(tǒng)誤差較大，因此，在土壤溫度數(shù)據(jù)的對比分析中未使用T14的數(shù)據(jù)。選擇15 套儀器觀測土壤溫度的平均值作為參考值，對其他儀器對比分析，從表3 看出，T1、T6、T7、T10與其他儀器觀測數(shù)據(jù)相比RMSE 和MRE 均較大，107-L 型溫度傳感器基于鉑電阻溫度傳感器測量溫度，當溫度在0~50 ℃時，阻值和溫度的關系式為Rt=R0(1+At+Bt2)，其中，Rt為溫度為t℃時的電阻，R0為溫度為0 時的標稱電阻，t為溫度，系數(shù)At＝3.9083×10-3、Bt＝-5.775×10-7［27］，由于材料、制造工藝、封裝結構等原因，產(chǎn)品的標稱電阻和電阻溫度系數(shù)不能達到理論值，非線性補償不當?shù)葘е聹y溫產(chǎn)生誤差，導致這4 套儀器出現(xiàn)誤差。其他儀器觀測數(shù)據(jù)的RMSE<0.1 ℃，MRE<1%，15 套儀器觀測數(shù)據(jù)的相關性系數(shù)和斜率都接近1，且相關系數(shù)均通過α＝0.01的顯著性檢驗。在絕大多數(shù)情況下，儀器觀測土壤溫度的偏差絕對值小于0.10 ℃（表略），而107-L 型溫度傳感器出廠設定的誤差范圍為±0.20 ℃，說明107-L型儀器觀測數(shù)據(jù)的一致性較好，此型號的溫度傳感器具有高靈敏度、高可靠性的特點。

表3 15套107-L型土壤溫度傳感器觀測土壤溫度的對比Tab.3 The comparison of soil temperature observed by 15 sets of 107-L soil temperature sensor

從7 套CS616 型土壤濕度傳感器觀測土壤濕度（Ms1，Ms2，Ms3，…，Ms7）的平均日變化（圖3）看出，7套傳感器的數(shù)據(jù)整體變化趨勢基本一致，但傳感器Ms6的數(shù)據(jù)偏低，系統(tǒng)誤差較大，因此，在統(tǒng)計分析土壤濕度時未使用傳感器Ms6的數(shù)據(jù)。規(guī)定其他6 套傳感器的平均值作為參考值，對其他傳感器分別對比分析，從6套儀器觀測數(shù)據(jù)對比分析（表略）發(fā)現(xiàn)，土壤濕度相對于擬合直線分布較離散，相關性數(shù)和斜率都未接近1，且相關系數(shù)均未通過顯著性檢驗。分析其產(chǎn)生誤差的原因可能有兩點：一是CS616 型土壤濕度傳感器利用時域反射法來測量土壤或其他疏松介質(zhì)含水量，標定公式中的參數(shù)與土壤容重、有機質(zhì)含量、化學成分和溫度等理化性質(zhì)尤其時域反射法對溫度有很大的依賴性，而本次標定試驗在室內(nèi)實驗室進行，在實驗室標定沒有考慮土壤性質(zhì)，導致標定公式中的參數(shù)發(fā)生改變，使得觀測的土壤濕度誤差較大；二是受室內(nèi)其他儀器電磁波影響，CS616 型土壤濕度傳感器既是發(fā)射端也是接收天線，電磁波對其影響很大。本次標定試驗表明，在進行土壤含水量標定試驗時，要根據(jù)實際土壤性質(zhì)標定，而不是置于室內(nèi)標定，因為土壤在地理分布上有很大的差異，面對復雜多樣的土壤層，需要分別標定，這一分析結果對CS616 型土壤濕度傳感器應用具有重要參考使用價值。

圖3 7套CS616型土壤濕度傳感器觀測土壤濕度的平均日變化Fig.3 The mean diurnal variation of soil moisture observed by 7 sets of CS616 soil moisture sensor

2.1.3 風速

圖4為不同風速儀觀測風速的平均日變化，包括6 套WAA151 型風速儀觀測的數(shù)據(jù)（Vs1、Vs2、Vs3，…，Vs6），3 套三維超聲風速儀（CSAT3）觀測的數(shù)據(jù)（Vc1、Vc2、Vc3），2 套EL15-1C 型風速儀觀測的數(shù)據(jù)（Ve1、Ve2），且利用同時期定西基地微氣象梯度塔1.5 m 處的風速作為參考值進行對比分析。可以看出，WAA151 型風速儀和三維超聲風速儀（CSAT3）觀測的風速日變化呈單峰型，而EL15-1C 型風速變化趨勢基本一致，為0.00~1.00 m·s-1。計算不同風速儀的偏差：6 套WAA151 型風速儀觀測數(shù)據(jù)的偏差為0.05~0.70 m·s-1，平均偏差為0.07 m·s-1，其中Vs3偏差（0.05~0.30 m·s-1）最小，絕大多數(shù)情況下風速偏差絕對值小于0.10 m·s-1，占觀測樣本總數(shù)的78.37%；3 套三維超聲風速儀（CSAT3）的偏差為0.00091~1.25 m·s-1，平均偏差為0.36 m·s-1，其中Vc2偏差（0.0045~0.54 m·s-1）最??；EL15-1C 型風速儀觀測數(shù)據(jù)偏差較大，可能是由于此型號風速儀的啟動風速較大。

圖4 不同風速儀觀測風速的平均日變化Fig.4 The mean diurnal variation of wind speed observed by difference wind speed instruments

對WAA151 型風速儀和三維超聲風速儀（CSAT3）的標定數(shù)據(jù)進一步分析，從風向風速玫瑰圖（圖5）中看出，在東南方向WAA151 型風速儀的風速大于三維超聲風速儀的風速，而風向為北和西時，結果相反。對WAA151 型風速儀來說，6 套儀器觀測數(shù)據(jù)的相關系數(shù)和斜率均近乎1，且相關系數(shù)均通過α＝0.01 的顯著性檢驗，Vs1的RMSE 和MRE與其他5套儀器相比最大（表4），出現(xiàn)誤差有可能是風杯轉動帶來的氣流擾動以及阻塞效應均會對標準風速的測量帶來影響，進而直接影響風速儀的觀測結果。張強等［17］、季國良等［18］分析了HEIFE試驗中微氣象塔的精度和觀測偏差，對觀測資料進行詳細分析，其中光電三杯式風速計（美國BELFORT 公司生產(chǎn)）與本次試驗的WAA151 型風速儀結果一致，偏差絕對值均小于0.10 m·s-1。三維超聲風速儀（CSAT3）具有較高的靈敏度，3 套風速儀的相關系數(shù)和斜率也接近1，且相關系數(shù)均通過α＝0.01的顯著性檢驗，其RMSE 和MRE 均小于WAA151 型風速儀（表4）。綜上所述，本次標定試驗印證了WAA151 風速儀和三維超聲風速儀（CSAT3）在氣象領域長期成功的應用歷史，為研究提供了高精度的風速值。

圖5 不同風速儀觀測的風玫瑰圖Fig.5 The wind rose diagram observed by different wind speed instruments

表4 不同風速儀觀測風速的對比Tab.4 The comparison of wind speed observed by differ?ent wind speed instruments

2.2 能量通量

2.2.1 地表輻射

圖6為CMP3、SR11 型短波輻射傳感器觀測向上（Rcmu、Rsru）、向 下（Rcmd、Rsrd）短 波 輻 射 和CGR3、IR02 型長波輻射傳感器觀測向上（Rcgu、Riru）、向下（Rcgd、Rird）長波輻射的散點圖?？梢钥闯?，不同型號儀器觀測向上［圖6（a）］和向下［圖6（b）］短波輻射的相關系數(shù)和擬合線的斜率都近乎1，且相關系數(shù)均通過α＝0.01 的顯著性檢驗，表明2 套輻射傳感器觀測數(shù)據(jù)的一致性很高，即SR11 型和CMP3 型短波輻射傳感器觀測短波輻射的一致性有保障。由向上［圖6（c）］和向下［圖6（d）］的長波輻射散點圖可以看出，2 套儀器觀測向上長波輻射的一致性也很高。CGR3 型儀器和IR02 型儀器在觀測向下長波輻射時，在低值時CGR3 型儀器的觀測值大于IR02 型儀器，在高值時散點基本沿擬合線分布，但個別值仍偏離擬合線。由于在計算向下長波輻射的表達式中比輻射率無法直接測量得到，而是根據(jù)氣溫和水汽壓的函數(shù)關系進行估算，可能是2 套儀器計算的比輻射率存在偏差，進而出現(xiàn)了向下長波輻射值的擬合性較差。王介民等［28］對Kipp &Zone 公司生產(chǎn)的輻射計精度進行分析表明，短波輻射、長波輻射的觀測精度分別為1%~2%、2%~5%，結合本次標定試驗，檢驗不同型號的輻射傳感器觀測精度，均在不斷提高，所有輻射傳感器能夠滿足觀測試驗的實際應用要求，實現(xiàn)了更精細化的質(zhì)控。

圖6 不同型號儀器觀測向上短波輻射（a）、向下短波輻射（b）、向上長波輻射（c）、向下長波輻射（d）的散點圖Fig.6 The scatter plot of upward short-wave radiation（a），downward short-wave radiation（b），upward long-wave radiation（c），downward long-wave radiation（d）observed by different types of instruments

2.2.2 地表土壤熱通量

地表土壤熱通量是生態(tài)系統(tǒng)能量平衡方程中的一部分，也是瞬時能量平衡的重要貢獻者，對能量交換過程具有重要意義，但土壤熱通量的觀測也存在較大的不確定性［29-30］。黃菁等［31］對黃土高原地區(qū)陸面過程觀測試驗的儀器一致性進行分析，其中HFP01 型熱通量板偏差最大為±11 W·m-2?；诖吮尘?，此次標定試驗在室內(nèi)實驗室進行，選擇常用的HFP01 型土壤熱通量板，圖7 為5 套HFP01 型土壤熱通量板觀測土壤熱通量（Fs1、Fs2、Fs3、Fs4、Fs5）的平均日變化?？梢钥闯?，5 組土壤熱通量的大小和變化趨勢基本一致，夜間為負值，土壤夜間向外輸出能量；白天為正值，白天土壤吸收能量，說明白天和夜晚土壤熱通量交換非常劇烈。

圖7 5套HFP01型土壤熱通量板觀測土壤熱通量的平均日變化Fig.7 The mean diurnal variation of soil heat flux observed by 5 sets of HFP01 soil heat flux plates

為分析儀器的一致性，選取5 套HFP01 型土壤熱通量板觀測數(shù)據(jù)的平均值作為參考值，表5列出5套儀器觀測土壤熱通量的線性擬合關系?？梢钥闯?，5 套土壤熱通量之間的相關系數(shù)和擬合斜率都接近1，均方根誤差均小于1 W·m-2，說明5 套儀器的觀測數(shù)據(jù)基本一致。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)（表略），大部分情況下5套儀器觀測數(shù)據(jù)的偏差絕對值小于1 W·m-2，占觀測樣本總數(shù)的95.48%。土壤熱導率是影響熱通量板精度的主要因素，由于本次標定試驗在室內(nèi)進行，減小了受土壤性質(zhì)的影響，提高了土壤熱通量板的精度。因此，上述數(shù)據(jù)表明HFP01 型熱通量板具有高精度特點。

表5 5套HFP01型土壤熱通量板觀測土壤熱通量的線性擬合關系Tab.5 The linear fitting relationship of soil heat flux observed by 5 sets of HFP01 soil heat flux plate

2.2.3 感熱和潛熱通量

圖8是3 套渦動協(xié)方差系統(tǒng)（CSAT3 三維超聲風速儀+Li-7500 CO2/H2O 分析儀）觀測計算的感熱通量（Fsh1、Fsh2、Fsh3）、潛熱通量（Flh1、Flh2、Flh3）的散點圖?？梢钥闯?，在感熱和潛熱通量較小的時候散點均沿擬合線分布，而在感熱和潛熱通量較大的時候散點偏離擬合線的程度較大。黃菁等［31］在分析感熱、潛熱通量時，計算的偏差絕對值小于8 W·m-2；MAUDER 等［32］也指出，渦動系統(tǒng)對感熱、潛熱通量的觀測精度分別為5%~10%、10%~15%。選擇3 套儀器觀測計算的感熱通量（潛熱通量）的平均值作為參考值，得到感熱通量（Fsh1、Fsh2、Fsh3）的MRE分別為2.41%、-0.27%、2.25%，RMSE 分別為11.32、16.49、7.92 W·m-2；潛熱通量（Flh1、Flh2、Flh3）的MRE分別為0.39%、2.48%、3.03%，RMSE分別為14.52、20.78、10.18 W·m-2。通過計算，感熱通量的偏差絕對值小于10 W·m-2的樣本占比為82.09%，潛熱通量偏差絕對值小于10 W·m-2樣本占比為79.53%。

圖8 3套渦動協(xié)方差系統(tǒng)觀測計算的感熱通量（a、b、c）、潛熱通量（d、e、f）的散點圖Fig.8 The scatter plot of calculated sensing heat flux（a，b，c）and latent heat flux（d，e，f）based on data observed by 3 sets of eddy covariance system

進一步分析感熱和潛熱通量的平均日變化（圖9），感熱通量和潛熱通量夜間基本在零值附近振蕩、且波動較小，而白天波動較大，白天地表蒸發(fā)強烈，可能是超聲儀觀測的瞬時高頻風、溫、濕的脈動資料表現(xiàn)出不規(guī)則的變化趨勢［33］，導致觀測資料計算的白天感熱通量出現(xiàn)波動較大；對于潛熱通量，白天地表蒸發(fā)和植被蒸騰作用遠大于夜間，同時還受氣溫、風速、空氣飽和水汽壓差、土壤濕度、葉面積指數(shù)等影響，導致白天潛熱通量波動較大，夜間溫度較低，蒸騰量很小，潛熱通量變化幅度較小。

圖9 3套渦動協(xié)方差系統(tǒng)觀測計算的感熱通量（a）、潛熱通量（b）的平均日變化Fig.9 The mean diurnal variations of calculated sensible heat flux（a）and latent heat flux（b）based on data observed by 3 sets of eddy covariance systems

2.3 儀器精度對地表能量平衡的影響

地表能量閉合是指湍流通量與可利用能量之間的平衡，儀器之間的觀測不一致引起的數(shù)據(jù)偏差會對地表能量閉合率造成影響。為定量分析各能量分量的觀測偏差對閉合率的影響程度，平行對比3組湍流通量觀測數(shù)據(jù)（分別用F1、F2和F3表示）與另外2 組可利用能量觀測數(shù)據(jù)（分別用E1 和E2 表示，E1 組對應CGR3 型傳感器和CMP3 型傳感器觀測的凈輻射與地表土壤熱通量之差，E2組對應IR02型傳感器和SR11 型傳感器觀測的凈輻射與地表土壤熱通量之差，其中地表土壤熱通量數(shù)據(jù)選取同時期定西基地的土壤熱通量）互相組合，得到6組組合（分別為F1&E1、F1&E2、F2&E1、F2&E2、F3&E1 和F3&E2），計算不同組合的能量閉合情況（表6）。首先，分析湍流通量的觀測偏差對能量閉合的影響，當可利用能量固定為E1 組，分析F1&E1、F2&E1 和F3&E1的能量閉合率，可知F1&E1>F2&E1>F3&E1，且F1&E1 和F2&E1 閉合 率相差 最 ?。?.61%），F(xiàn)1&E1 和F3&E1 相差最大（1.46%）；當可利用能量固定為E2 組，3 組能量閉合率F1&E2>F3&E2>F2&E2，且F3&E2 和F2&E2 閉 合 率 相 差 最 ?。?.63%），F(xiàn)1&E2 和F2&E2 相差最大（2.20%）。其次，分析可利用能量的觀測偏差對能量閉合的影響，當湍流通量固定為F1 組，F(xiàn)1&E1 和F1&E2 的閉合率相差0.08%；當湍流通量固定為F2 組，F(xiàn)2&E1和F2&E2 相差1.67%；當湍流通量固定為F3 組，F(xiàn)3&E1和F3&E2相差0.19%。

表6 不同儀器組合的地表能量閉合率Tab.6 Closure rates of surface energy with different instrument combinations

3 結 論

絕大多情況下，HMP45D型儀器觀測空氣溫度、相對濕度的偏差絕對值分別小于0.20 ℃、2.00%；107-L 型土壤溫度傳感器的觀測偏差絕對值小于0.10 ℃；WAA151 型風速儀的觀測偏差絕對值小于0.10 m·s-1，且三維超聲風速儀（CSAT3）的均方根誤差比WAA151 型風速儀更小；HFP01 型土壤熱通量板的偏差絕對值小于1 W·m-2；渦動協(xié)方差系統(tǒng)觀測感熱、潛熱通量的偏差絕對值均小于10 W·m-2；長波輻射和短波輻射分別用不同型號儀器進行對比觀測，得到的數(shù)據(jù)也基本一致，但觀測土壤濕度的CS616型儀器在觀測時需要訂正。湍流通量的觀測偏差造成地表能量閉合率0.61%~2.20%的不確定性；可利用能量（僅考慮凈輻射的觀測偏差）的觀測偏差造成地表能量閉合率0.08%~1.67%的不確定性。綜上所述，該試驗大多數(shù)儀器有比較高的精度，儀器之間也比較一致，基本能夠滿足陸面過程觀測的要求。

在實際觀測中有不少因素影響儀器的觀測精度，如儀器安置的垂直程度等人為因素，這可在觀測過程中盡量使其降低到最低程度。另外，部分儀器（渦動協(xié)方差系統(tǒng)）易受環(huán)境條件等自然因素影響，這在觀測中無法避免。在實際應用中還需要更加細致的研究來修正誤差，使得資料具有持續(xù)性和完整性，便于系統(tǒng)誤差的消除。