唐家琦 王成杰

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010018）

0 引言

感熱通量指溫度變化進(jìn)而引起的大氣與下墊面之間發(fā)生湍流形式地?zé)峤粨Q，潛熱通量指水發(fā)生相態(tài)變化進(jìn)而消耗或釋放的能量[1]。感熱通量也叫做顯熱通量，潛熱通量是土壤蒸發(fā)和植物蒸騰的作用結(jié)果，因此，潛熱通量常又被稱作蒸散（Evaportranspiration）。感熱通量和潛熱通量作為陸地表層熱量平衡的重要組成部分，是近地大氣層和下墊面間能量、水分交換的數(shù)量表征[2]，其熱交換作為地-氣間關(guān)鍵的物理過程之一，對全球大氣環(huán)流和天氣氣候變化有顯著影響，故定量了解及準(zhǔn)確測定不同區(qū)域水熱通量，不僅對氣象、農(nóng)業(yè)、水文等領(lǐng)域意義重大[3]，在生態(tài)及相關(guān)領(lǐng)域中也是重要研究內(nèi)容。常用的水熱通量觀測方法有波文比-能量平衡法、空氣動力學(xué)法、渦動相關(guān)法和閃爍儀通量法等[4-6]。其中，波文比-能量平衡法、空氣動力學(xué)法、渦動相關(guān)法這些傳統(tǒng)通量觀測方法雖然已經(jīng)在國內(nèi)外不同下墊面的研究中廣泛應(yīng)用，但其觀測范圍局限在點或斑塊尺度，其觀測路徑通常只有幾十至幾百米。在較大尺度非均勻下墊面測量平均水熱通量，需要多套儀器組成觀測矩陣來解決原本的觀測代表性不足的問題[6-8]。因此，上述傳統(tǒng)方法在區(qū)域地表上應(yīng)用還存在一定局限性，為此投入的大量人力和物力也為試驗增加了難度。

大孔徑閃爍儀（Large Aperture Scintillometer，LAS ）是20世紀(jì)末興起的一種新的通量測量儀器，由王庭義于1978年提出設(shè)想[9]，后由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）波傳播實驗室基于這一設(shè)想研制出儀器。從20世紀(jì)70年代開始，LAS在湍流通量的研究中取得了顯著進(jìn)展，在經(jīng)歷了70年代的繁榮期、80年代的鞏固期及90年代初衰退期之后，世界各地的研究者們對LAS重新產(chǎn)生了興趣，并在不同下墊面開展了多次試驗[10-13]。

我國引進(jìn)及應(yīng)用LAS的時間較晚，2000年中國—荷蘭合作的項目“中國能量與水平衡監(jiān)測系統(tǒng)”（CEWBMS）首次引進(jìn)5套由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)研制大孔徑閃爍儀設(shè)備，分別在四川樂至、甘肅民勤、吉林乾安、湖南桃江和河南鄭州5個地點安裝。之后2005年，中荷合作項目“基于衛(wèi)星的黃河流域水監(jiān)測與河流預(yù)報系統(tǒng)”在青海興海、瑪沁、四川唐克分別設(shè)立了大孔徑閃爍儀觀測站點。此后，又依托全球環(huán)境基金(GEF)“海河流域水資源與水環(huán)境綜合管理項目”先后在北京密云、大興，河北館陶等地建立LAS長期觀測站。2007年正式啟動重點研究項目“黑河流域遙感-地面觀測同步試驗與綜合模擬平臺建設(shè)”，于黑河上游阿柔凍融站及中游臨澤草地站安裝兩臺大孔徑閃爍儀[14-17]。截止到目前，我國對LAS的研究已不同于昔日的起步試用階段，在儀器操作、數(shù)據(jù)分析和問題解決方面都有了進(jìn)步。

LAS主要由接收端和發(fā)射端兩部分組成，發(fā)射端發(fā)射一定波長的電磁波束，在經(jīng)過大氣中溫度、濕度及氣壓的影響后被接收端接收，接收端用空氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表示大氣湍流強(qiáng)度，再根據(jù)相似理論及常規(guī)氣象數(shù)據(jù)求得水熱通量[18]。閃爍儀有光學(xué)閃爍儀和無線電波閃爍儀（Radio Wave Scintillometer，RWS），其中光學(xué)閃爍儀根據(jù)光學(xué)口徑不同又分為超大孔徑（eXtra Large Aperture Scintillometer，XLAS）、大孔徑和小孔徑閃爍儀（Small Aperture Scintillometer，SAS）三種。無線電波閃爍儀和大孔徑閃爍儀的觀測路徑長度為1～5 km，超大孔徑閃爍儀的光徑長度高達(dá)5～10 km，而小孔徑閃爍儀的光徑長度在50～250 m[14]?，F(xiàn)在全世界的閃爍儀主要由荷蘭的Kipp&Zonen公司和德國Scintec公司生產(chǎn)，我國在2010年也自主研制出了大尺度水熱通量觀測系統(tǒng)[19]。當(dāng)前國內(nèi)外最受歡迎的還是大孔徑閃爍儀，它不僅對地表起伏較大、大尺度、非均勻下墊面上平均湍流熱通量的觀測有較好效果，并且在野外工作中使用管理方便，價格比較便宜，還因為其觀測尺度與遙感估算模型的像元尺度、大氣模式或路面模式等的網(wǎng)格尺度匹配較好，故作為模型/模式的地面驗證儀器具有顯著優(yōu)勢[20-22]。

以下基于LAS的原理，對LAS的可用性、LAS觀測的相關(guān)問題及其實際應(yīng)用三個方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 LAS的基本原理

LAS由一個接收端和一個發(fā)射端構(gòu)成，二者相隔一定距離距地面一定高度安裝[23]。發(fā)射端發(fā)射一定波長和直徑的波束，經(jīng)過觀測路徑，受到大氣中溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速等波動影響后由接收端接收。接收端收到光徑上受大氣影響的波束后，計算空氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)描述大氣湍流強(qiáng)度的求出溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)再根據(jù)莫寧-奧布霍夫相似理論（Monin-Obukhov similarity theory，MOST）結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，采用逐次迭代計算感熱通量。其中涉及主要公式如下[9,11,24-25]：

式中：D為光學(xué)孔徑；為接收端接收到光強(qiáng)I的自然對數(shù)方差；R為發(fā)射端到接收端的距離（光程）；P為大氣壓力；β為波文比；T為大氣溫度；ZLAS為LAS安裝高度；d為零平面位移高度，T*為溫度尺度；fT為MOST的普適函數(shù)；L為莫寧-奧布霍夫長度；H為感熱通量；ρ為空氣密度；cp為空氣的定壓比熱；u*為摩擦速度；k為von Kármán常數(shù)；Zu為測風(fēng)速處的高度；Z0為下墊面粗糙度；ψm為穩(wěn)定度修正函數(shù)。其中，fT與大氣穩(wěn)定度有關(guān)，在不穩(wěn)定條件下和穩(wěn)定條件下有不同的表達(dá)式，實際使用時可參考LAS說明書中推薦的函數(shù)。

在混合對流方法中需要先計算摩擦速度u*，再求感熱通量，但在自由對流條件下，求感熱通量不再依賴u*，公式可進(jìn)一步簡化[26]。

求得H后，根據(jù)地表能量平衡方程，利用余項法可以得到潛熱通量：

式中：Rn為地表凈輻射，LE為潛熱通量，G為土壤熱通量。凈輻射和土壤熱通量可通過安裝傳感器測量或使用遙感參數(shù)化方法估算[27]。

2 LAS在地表通量研究進(jìn)展

2.1 LAS的可用性

大孔徑閃爍儀至20世紀(jì)70年代興起后，便引起了國內(nèi)外學(xué)者的興趣，LAS獨有的非均勻地表區(qū)域（千米）觀測尺度及其對所觀測通量時間和空間上的平均這一優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)方法渦動相關(guān)儀觀測尺度小以及野外工作困難等缺點。在初期，人們對該儀器的可用性及適用性尚不明確，故在不同區(qū)域、不同下墊面開展了大量和傳統(tǒng)通量測量儀器相對比的試驗，因為渦動相關(guān)系統(tǒng)是國際上公認(rèn)的、最可靠的地表通量觀測方法[28]，所以大孔徑閃爍儀的大部分檢驗都是與渦動相關(guān)系統(tǒng)（EC）相比較完成的。

2.1.1 均一地表的可用性

大孔徑閃爍儀的理論基礎(chǔ)是近地大氣層相似理論，該理論要求地表平坦均一，故LAS能否成功測出地表通量，國外學(xué)者先在均一地表開展了相應(yīng)試驗。De Bruin等[29]1991年6月在西班牙一干葡萄園驗證了閃爍儀方法，經(jīng)過一個月的試驗得出，閃爍儀和EC的測量值有良好的對應(yīng)關(guān)系，作者還建議在大氣不穩(wěn)定狀態(tài)觀測時，盡量將閃爍儀安裝高度提升以改善垂直湍流產(chǎn)生的觀測限制。此項試驗初步證明閃爍儀在均一地表測感熱通量是可行的。1994年仲夏至初秋，Mcaneney等在普利魯阿半島一個牧場上進(jìn)行了LAS的實地試驗[30]，該牧場內(nèi)雖然種植了三葉草、黑麥草和夏季禾草，但在一個大的尺度上是地表均勻的，用大孔徑閃爍儀結(jié)合平均風(fēng)速確定的顯熱通量和摩擦速度與渦動相關(guān)系統(tǒng)測定的值誤差在1%～7%，結(jié)果中LAS令人感興趣的點在于它可以提供路徑上的平均通量而且不用在地里操作，試驗最后還提出了LAS在非均勻地表是否適用等前沿問題。Meijninger等[31]在土耳其西部的灌溉區(qū)安裝了兩臺LAS，其中一臺就安裝在灌溉棉花田里，雖然由于未知的技術(shù)問題該LAS工作不穩(wěn)定，但采用溫度方差法（也是基于MOST）處理數(shù)據(jù)后，同一天（當(dāng)?shù)貢r間6月26日）得到的通量峰值和另一LAS站結(jié)果非常接近，根據(jù)該地區(qū)兩臺LAS的觀測結(jié)果作者指出，大孔徑閃爍儀是穩(wěn)定可靠的獲取地面平均感熱通量儀器。當(dāng)然近年來也不乏開展在均勻下墊面的試驗，如陳繼偉等[32]在我國西北干旱荒漠LAS和四臺EC的對比觀測試驗中，用4種普適函數(shù)計算的LAS感熱通量分別與四臺EC觀測的平均值作比較，分析指出兩種觀測方法得到的結(jié)果變化趨勢一致，但前者偏大。Rambikur等[33]在延珀斯附近的平坦均勻草地上用EC對三臺LAS（LAS-1、LAS-2和LAS-3）導(dǎo)出H的精確度作了評估，除了LAS-2，其余兩臺與EC的測值有很好的相關(guān)性，超過90%，三臺LAS得到的H之間線性回歸斜率偏差在6%～13%。

2.1.2 非均勻地表的可用性

在大孔徑閃爍儀出現(xiàn)之前，非均勻下墊面地通量測量一直是一個難題，故人們對該儀器在復(fù)雜下墊面的觀測能力給予了厚望。Chehbouni[34]的試驗開始于1997年，地點在墨西哥圣佩德羅盆地中兩處相鄰的植被（草地和牧豆樹）斑塊樣帶，在900 m的光徑路上，有25%的草地和75%的牧豆樹，這兩個斑塊在水分狀況、地表粗糙度及植株高度上都有顯著差異，作者將每個斑塊中的EC系統(tǒng)測量的顯熱通量加權(quán)平均，計算得到的平均值與LAS的觀測值十分吻合。很明顯，大孔徑閃爍儀可以得到鮮明差異的非均勻地表上各斑塊通量貢獻(xiàn)的一個合理的均值。1998年荷蘭弗萊福蘭的一個種植了甜菜、洋蔥、馬鈴薯和小麥的農(nóng)田里，Meijninger等[35]將大孔徑閃爍儀和無線電波閃爍儀安裝在風(fēng)車上，風(fēng)車相距2.2 km，用LAS-RWS（雙波長系統(tǒng)）估算潛熱通量來檢驗閃爍儀的適用性，結(jié)果也十分樂觀，與渦動相關(guān)儀測出的平均通量值相當(dāng)一致，其中單獨用LAS也可以很好地估計潛熱通量。這進(jìn)一步體現(xiàn)出大孔徑閃爍儀在非均勻地表觀測通量的優(yōu)越性，但接下來還需要探究該技術(shù)在大氣穩(wěn)定條件下是否適用。我國學(xué)者支克廣早在2000年就在乾安縣鹽堿地區(qū)用LAS與自建的梯度觀測系統(tǒng)進(jìn)行了對比[36]，經(jīng)過了整個生長季的觀測后，兩種方法得到的結(jié)果基本一致，閃爍儀觀測尺度大，野外易維護(hù)，梯度法可以取得夜間和冬季的資料，為LAS數(shù)據(jù)的進(jìn)一步計算提供輔助數(shù)據(jù)。張勁松等[37]于2009年在河南濟(jì)源的一處人工混交林進(jìn)行了LAS測量顯熱通量的可行性分析，該森林主要樹種為栓皮櫟、側(cè)柏和刺槐，與前面的試驗一樣，用EC測量值檢驗LAS觀測值，并用通量足跡模型進(jìn)行訂正，使兩者測得的顯熱通量值相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.93，縮小了因測量原理、摻混高度、森林下墊面的復(fù)雜性等原因造成的誤差。這為LAS在森林下墊面觀測湍流通量研究提供了一個可行性參考。Zhao等[38]在2015—2017年在著名的埃弗格萊茲國家公園中的一處淡水沼澤，用LAS和EC進(jìn)行對比試驗，總體上HLAS比HEC高約7.1%，前者在季節(jié)性水文地改變下依然保持穩(wěn)定。相類似的研究還有Lagouarde等[39]用LAS在法國馬賽市觀測城市下墊面通量和Asanuma[40]在蒙古半干旱草地的試驗等。

自閃爍儀方法20世紀(jì)末復(fù)興后，國內(nèi)外眾多學(xué)者都對其進(jìn)行了可用性的研究，包括在農(nóng)田、草地、城市、森林、荒漠等一系列均勻和非均勻的下墊面上開展的試驗，結(jié)果均是令人鼓舞的，即LAS與傳統(tǒng)方法所測得的通量值可以很好的吻合?，F(xiàn)在人們對LAS觀測大尺度尤其是非均勻下墊面的能力已不再懷疑，更多的開始研究LAS在使用過程中的問題。

2.2 LAS觀測中的問題

大孔徑閃爍儀雖然能夠觀測區(qū)域尺度的湍流通量，但其觀測時所涉及的源區(qū)、飽和效應(yīng)和摻混高度等的影響，會導(dǎo)致LAS測值與參考值有所差異。相關(guān)地研究也在陸續(xù)進(jìn)行中。

2.2.1 摻混高度和源區(qū)問題

Wieringa在1976年首次提出摻混高度的概念[41]，其可以看作這樣一個高度，即在摻混高度之上，地表各組分或地表擾動的影響逐漸消失[42]。源區(qū)即對所測量到的通量有貢獻(xiàn)的區(qū)域，是儀器測量結(jié)果所反映的下墊面信息[43]，源區(qū)由足跡模型確定。Meijninger等[11]1998年在弗萊福蘭的大型閃爍儀試驗除了驗證LAS在非均勻地表的適用性，還重點分析了摻混高度模型和足跡模型對LAS觀測的影響，試驗表明，儀器觀測高度相對于摻混高度的位置會影響LAS的觀測值，如果在摻混高度以下觀測通量，得出的值和EC測量值相比會輕微偏低；LAS的足跡分析得出，閃爍儀的光徑應(yīng)該與研究區(qū)的主風(fēng)向垂直，以便獲取最大的源區(qū)，如果風(fēng)向與光徑平行，那么LAS所測的通量代表性就會十分有限。這為日后在其他試驗中LAS的安裝位置選擇提供了一個科學(xué)指導(dǎo)。彭谷亮等[44]參考Meijninger[11]提出的足跡分析方法，在國內(nèi)首次建立了適用于分析大孔徑閃爍儀大范圍區(qū)域通量觀測特點的足跡模型，并探討了不同參數(shù)對LAS足跡面積的影響，發(fā)現(xiàn)在大氣不穩(wěn)定條件下源區(qū)范圍最小，提高儀器觀測高度可以增加水平風(fēng)速從而增大源區(qū)。彭谷亮等[45]進(jìn)一步用足跡模型對2005年北京小湯山非均勻下墊面LAS的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明用足跡方法對數(shù)據(jù)源區(qū)修正后，改善了LAS因摻混高度引發(fā)的數(shù)據(jù)偏低現(xiàn)象。彭谷亮的足跡模型只適用于平坦地形，2010年鄭寧等[46]研究通量足跡和源區(qū)變化規(guī)律的試驗，位于華北低丘山地的人工混交林，也是采用Meijninger[11]的思路來建立適用于山地森林下墊面的LAS足跡模型，成功分析了該森林生態(tài)系統(tǒng)生長季的通量源區(qū)分布。李陽等[18]研究了南方低丘紅壤區(qū)不同時間尺度下觀測通量的源區(qū)分布特征，發(fā)現(xiàn)源區(qū)的位置朝向與盛行風(fēng)向一致，而且不同作物占貢獻(xiàn)通量的下墊面的比例在不同時間尺度下存在差異。同樣地，黃天宇等[47]在分析2017年內(nèi)蒙古科爾沁沙地研究區(qū)不同氣象條件下通量源區(qū)地變化時也得出了相類似的結(jié)果，即不同風(fēng)向和穩(wěn)定度條件下研究區(qū)內(nèi)通量源區(qū)面積、位置與風(fēng)向一致，但不同于彭谷亮等先前的研究[44]，該研究結(jié)果顯示大氣不穩(wěn)定條件下的源區(qū)面積大于穩(wěn)定條件下的源區(qū)。

觀測通量時下墊面復(fù)雜性和空間代表性是不可忽視的問題[43,45]，而源區(qū)的確定可以很好地提取出各個下墊面對通量觀測值的貢獻(xiàn)信息，同時摻混高度是影響LAS觀測結(jié)果可信度的重要原因，國內(nèi)外雖然在源區(qū)問題上不斷的深入，卻對摻混高度這一問題研究不足，在試驗觀測中應(yīng)認(rèn)真考慮摻混高度的問題，以使得LAS在復(fù)雜區(qū)域應(yīng)用時得出更加令人信服的結(jié)果。

2.2.2 飽和問題

所謂飽和現(xiàn)象，指的是當(dāng)閃爍強(qiáng)度達(dá)到一定上限后，閃爍方法的理論失效導(dǎo)致測得的閃爍量和的關(guān)系也不再成立[15]。Kohsiek等[48]研究了超大孔徑閃爍儀在10 km路徑上觀測發(fā)生的飽和現(xiàn)象，在德國、荷蘭的一處森林、草地分別開展兩組XLAS和EC的感熱通量對比觀測試驗（HXLAS和HEC），在未飽和校正之前HXLAS＜HEC，用Hill和Clifford的理論對通量進(jìn)行飽和修正后，使得森林上空的觀測試驗中HXLAS更加接近HEC，草地試驗中HXLAS從略低到略高于HEC。Kleissl等[49]在干旱草原上測試并選擇出了面對閃爍儀飽和問題修正效果較佳的方法，試驗取得了較為成功的結(jié)果。我國學(xué)者在處理飽和問題時多用Ochs[50]提出的飽和上限（其中L為光徑長度，λ為波長，D為口徑直徑），去剔除過飽和數(shù)據(jù)[51-53]。但是張功在2017年指出[54]，Ochs的飽和上限多是在理論層面的分析，實際測量時的綜合效應(yīng)考慮不足，故不適于國產(chǎn)ZZLAS型閃爍儀數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制，于是作者等以抗飽和的BLS900型閃爍儀為參考，采用比值法和擬合法來確定該閃爍儀信號的強(qiáng)、弱飽和界限，得到的結(jié)果為強(qiáng)飽和界限0.395，弱飽和界限0.099。為了進(jìn)一步提高國產(chǎn)ZZLAS型閃爍儀的數(shù)據(jù)質(zhì)量，張功等[55]緊接著又在河北的壩上草原開展了弱飽和數(shù)據(jù)的修正研究，選取位于弱飽和界限0.099和強(qiáng)飽和界限0.395之間的觀測數(shù)據(jù)，利用光學(xué)傳播原理簡化復(fù)雜的飽和修正理論計算過程，得到飽和修正系數(shù)對國產(chǎn)ZZLAS測值進(jìn)行分析，修正后測得的感熱通量更接近BLS900的測值，兩者F檢驗達(dá)極顯著水平（P=0.004），誤差范圍為1.28～53.42 W/m2。

國內(nèi)外對于大孔徑閃爍儀飽和效應(yīng)的研究較少，今后可以從湍流內(nèi)尺度方面入手去探索飽和現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理以及受影響程度[55]，同時在剔除過飽和數(shù)據(jù)時應(yīng)該考慮實際測量時的綜合因素，最大程度地提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.2.3 通量的尺度效應(yīng)

通量的尺度效應(yīng)指大孔徑閃爍儀和渦動相關(guān)儀測得通量值的差異和關(guān)系[14,42]。朱治林等[56]利用中科院禹城農(nóng)田上2009年4—6月期間大孔徑閃爍儀和渦動相關(guān)系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)，重點分析了兩者差異可能來源，發(fā)現(xiàn)不同的源區(qū)范圍、渦動相關(guān)系統(tǒng)本身不確定性及部分參數(shù)（波文比、粗糙度）的取值不合適等都可能引起誤差。郝小翠等[57]則從減小兩者的差異研究入手，利用黃土高原定西站2010年的觀測資料，重點關(guān)注中尺度垂直感熱平流輸送過程，將垂直感熱平流輸送的能量引入EC測的感熱通量中，加入前者的貢獻(xiàn)后，EC地表能量不閉合度的日均值減小，LAS和EC測得感熱通量值的擬合線性關(guān)系由1.258降到1.186。之后作者又分析黃土高原慶陽觀測站2012年的數(shù)據(jù)[58]，建立了下墊面不均勻性指標(biāo)，把下墊面不均勻性定量化去判斷其對LAS和EC的感熱通量差異的影響，分析表明下墊面越不均勻兩者差異越大。徐安倫等[59]在洱海湖濱農(nóng)田下墊面考察了兩類儀器觀測結(jié)果差異對氣象環(huán)境因子的敏感性，結(jié)果表明，凈輻射、地氣溫差、飽和水汽壓差與其差異大小有較高的相關(guān)性，其中它們與感熱通量差異大小呈顯著負(fù)相關(guān)，與潛熱通量差異大小呈顯著正相關(guān)。王亮等[60]則是利用南京信息工程大學(xué)內(nèi)安裝的LAS和EC，采用歸一化植被指數(shù)（NDVI）和歸一化建筑指數(shù)（NDBI）來表示下墊面不均勻性，探究了兩者的感熱通量差異與下墊面狀況的關(guān)系，結(jié)果顯示，LAS和EC的通量源區(qū)內(nèi)平均NDVI差值越大，感熱通量和凈輻射之比差值越小，二者呈顯著負(fù)相關(guān)；兩種儀器NDBI的差值相關(guān)性情況則相反。

研究大孔徑閃爍儀和渦動相關(guān)系統(tǒng)觀測通量的差異和關(guān)系，一方面會促進(jìn)對不同尺度水熱通量傳輸機(jī)理的認(rèn)識[61]，更重要的是有助于深入研究通量的空間代表性問題，涉及到的尺度效應(yīng)、尺度轉(zhuǎn)化、尺度擴(kuò)展等問題的重要分析，能夠和遙感應(yīng)用中的尺度問題相呼應(yīng)，推動區(qū)域蒸散發(fā)的估算研究。

2.3 LAS的實際應(yīng)用

由于LAS時間分辨率高，空間代表性強(qiáng)[62]，而且在能量閉合上優(yōu)于渦動相關(guān)儀[22,63]，這些年在國內(nèi)外迅速發(fā)展并被眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其中主要是在能量和水分平衡的監(jiān)測、遙感模型和數(shù)值模擬結(jié)果的真實性檢驗這兩大方面。

2.3.1 監(jiān)測能量和水平衡

Lee[64]在2013年11月，將LAS應(yīng)用在黃海沿海地區(qū)測量感熱通量，他在相隔海域的沙灘上分別安裝了LAS MkII（原荷蘭LAS的升級產(chǎn)品）的接收儀和發(fā)射儀，對測得的感熱通量及LAS足跡作了分析后得出，大孔徑閃爍儀能夠以高時間分辨率檢測沿海環(huán)境湍流熱交換的幅度和變化特征。其在沿海海洋環(huán)境中良好的工作能力為監(jiān)測水體能量平衡提供了可用手段。我國學(xué)者胡麗琴[25]利用中-荷CEWBMS項目河南鄭州LAS測站2000年的數(shù)據(jù)資料得出，由LAS測值計算出的顯熱通量值，再采用氣象臺的凈輻射觀測資料間接得到潛熱通量，可以較好地反映當(dāng)?shù)啬芰科胶馇闆r，與同期的水文資料也很一致。該分析為LAS之后能量平衡監(jiān)測中的應(yīng)用提供了物理依據(jù)。杜得彥2007年提到[15]，黃海河源區(qū)的三處LAS站建成后即投入監(jiān)測工作，觀測資料傳送相應(yīng)水文研究等部門具體應(yīng)用，在2005年黃河上游秋汛測報中LAS發(fā)揮了一定作用。環(huán)境干旱是水分平衡的直接響應(yīng)，支克廣等[65]用乾安縣2000和2001年5—9月生長季的降水量和蒸散量數(shù)據(jù)來判斷當(dāng)?shù)剡@兩年的干旱情況，用LAS計算顯熱通量進(jìn)而計算出蒸散量，與氣象站給出的降水量作比較，來判斷水分盈虧。從這可以看出LAS可以估算水分平衡中最難得到的蒸散量進(jìn)而掌握干旱地區(qū)的水分平衡狀況。作者等還發(fā)現(xiàn)LAS輸出數(shù)據(jù)低谷期會伴有降雨出現(xiàn)[66]，故對2000—2005年輸出的值與未來32 h有無降水關(guān)系做了卡方檢驗，檢驗結(jié)果為兩者顯著相關(guān)，低時未來32 h 80%有降水，反之80%無降水。

2.3.2 驗證模擬結(jié)果

Beyrich等[21]用數(shù)值天氣預(yù)報模式NWP（Numerical Weather Prediction）的模擬結(jié)果與LAS的感熱通量測值作了比較，發(fā)現(xiàn)夏天模式預(yù)測的熱通量結(jié)果偏高，冬季相反。同樣地，Marx等[67]非洲西部大草原的試驗也用閃爍儀的觀測數(shù)據(jù)與中尺度氣象模式MM5（5th-Generation Penn State/NCAR Mesoscale Model）的計算結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)MM5所得結(jié)果偏高。以上試驗均說明LAS用于大氣模式的地面驗證是可行的。賈貞貞等[68]建立了一套基于LAS觀測的遙感監(jiān)測蒸散量地面驗證方法，該方法較為完整包括獲取像元尺度蒸散量地面測值、把握觀測數(shù)據(jù)、構(gòu)建驗證流程、選取驗證像元和評價指標(biāo)等。后利用該方法在海河流域的北京地區(qū)驗證了遙感估算的蒸散量，結(jié)果表明，這套基于LAS觀測的驗證方法是合理可行的。李遠(yuǎn)等[22]為了探究LAS觀測數(shù)據(jù)在路面模式SiB2地面驗證中的應(yīng)用，選取2008年6—9月的數(shù)據(jù)在密云和懷柔兩個LAS觀測站分別設(shè)定千米尺度的研究區(qū)域，采用LAS和EC觀測的H對模擬結(jié)果進(jìn)行評估，結(jié)果表明LAS可以很大程度地避免EC能量不閉合及觀測尺度不足帶來的偏差，說明LAS可以作為路面模式的地面驗證工具。但這項模擬試驗在尺度上并不嚴(yán)格，故LAS的驗證結(jié)果也只能是為區(qū)域模擬的驗證作一個示范。郝小翠等[69]基于黃土高原定西站2010年兩個月的路面觀測資料和同時段模擬數(shù)據(jù)，用LAS也得到了同樣可觀的驗證結(jié)果，進(jìn)一步定量分析出在復(fù)雜地面的生長季LAS能避免EC驗證引起的23%以上的偏差。不同于李遠(yuǎn)等[22]研究的單點模擬，郝小翠等[69]研究的區(qū)域路面模式為百千米尺度，LAS相對于EC尺度提升效果不是十分明顯，再者使用的數(shù)據(jù)多為再分析數(shù)據(jù)，模擬本身也存在許多不確定性，故用LAS驗證路面模式的區(qū)域模擬結(jié)果還需要進(jìn)一步探討。

除此之外，田志勇等[70]用LAS測量近地表橫向風(fēng)速，吳曉軍等[71]利用LAS測試空間激光傳輸特性等。總體來說，閃爍儀方法相對是一項新的科研技術(shù)，隨著其研究不斷進(jìn)步和突破，未來必將擁有更廣、更好的應(yīng)用空間。

3 結(jié)語與展望

大孔徑閃爍儀的發(fā)展，較好地解決了傳統(tǒng)通量觀測方法尺度不足的問題，有潛力成為測量大尺度復(fù)雜下墊面水熱通量的通用方法。近30多年來，其在儀器觀測數(shù)據(jù)分析、觀測問題處理與解決、多領(lǐng)域應(yīng)用等方面的研究日就月將。但LAS技術(shù)在長足進(jìn)步的同時也不免產(chǎn)生問題，如其理論基礎(chǔ)復(fù)雜并有一定局限性，許多誤差的影響機(jī)理還不清楚；加之其發(fā)展較晚，儀器某些工程技術(shù)不完全成熟，觀測感熱通量的可靠性仍有待提高；再者通過能量平衡方程估算潛熱通量過程中的誤差大小不易判定；另外在大氣穩(wěn)定條件下的普適函數(shù)應(yīng)該盡快統(tǒng)一，以提升LAS夜間觀測的可靠性等。在實際觀測應(yīng)用中應(yīng)該考慮到摻混高度、源區(qū)、飽和等問題，最大程度上提高結(jié)果精度，未來可以在LAS的尺度效應(yīng)方面多做研究，利用尺度轉(zhuǎn)換來更好的服務(wù)遙感產(chǎn)品，也可以加強(qiáng)構(gòu)建測量百千米尺度湍流信息的LAS觀測組網(wǎng)，以期用于模型和模式的改進(jìn)研究。