基于通量观测矩阵的地表能量平衡闭合研究

Energy imbalance is a universal existence problem during measuring water vapor and heat flux using eddy covariance system (EC). This problem has impeded the development of remote sensing model in estimating water vapor and heat flux and land surface model seriously. The study area of this project is in an oasis-desert system and forest-cropland-bare soil land in the middle and lower reach of Heihe River Basin. Based on the intensive matrix measurements of flux instruments (EC, large aperture scintillometer (LAS)) and automatic weather station (AWS), the processing methods of EC,LAS, and AWS data will be studied, and reliable data set could be acquired. The uncertainty of each EC in the matrix area will be assessed; the energy balance closures will be exactly calculated, and we will also calculate the footprint of EC and LAS. The wavelet analysis method is adopted to separate the low and high frequencies part of the turbulence, and quantitative analysis of its contribution will be discussed. Different aggregation methods will be investigated to derive the area averaged flux, and further analyzing on the regional energy balance closure will be studied. The purpose of this project is investigating the causes of energy imbalance of EC using matrix observation technique under complex underlying surface,and the findings can provide scientific evidence to ensure the accuracy of remote sensing model and land surface model validation.

"能量平衡不闭合"是涡动相关方法测量地表水热通量过程中普遍存在的问题，该问题的存在严重制约了地表水热通量遥感估算模型和陆面过程模式的发展。本项目选取黑河流域中、下游绿洲-荒漠生态系统及林地-农田-裸地混合下垫面为试验区，基于试验区内密集布点的矩阵式通量（涡动相关仪、大孔径闪烁仪）和自动气象站观测，研究通量、气象观测数据的处理方法，以获取质量可靠的观测数据集；度量矩阵中每台涡动相关仪观测数据的不确定性；准确计算矩阵中每台涡动相关仪的能量平衡闭合率及其空间代表性；应用小波分析方法分离湍流数据的高、低频涡旋，并定量计算其在单时次内通量的贡献率；研究计算"面积平均通量"的不同聚合方法，分析'面'上能量平衡闭合状况。本项目旨在基于矩阵式观测技术分析复杂下垫面上引起涡动相关仪能量平衡不闭合的原因，为保证遥感估算模型和陆面过程模式验证结果的有效性提供科学依据。

涡动相关仪是当前监测地气交换的主要仪器，被广泛用于验证遥感反演与模式模拟结果，但存在能量平衡不闭合的问题，阻碍了遥感模型与相关模式的发展。本项目基于2012年在黑河流域中游开展的通量观测矩阵试验观测数据，主要在以下几个方面开展了研究：1）对获取的地表通量与气象观测数据的进行了严格的处理与质量控制，处理后的数据已经在网站上发布，有千余人次下载与使用，服务了百余个研究项目；2）分析了绿洲荒漠区域能量与水热变化特征及其空间异质性，绿洲表现出冷、湿、风屏、增雨等效应，绿洲-荒漠区域的空间异质性也表现出三个层次；3）研究了涡动相关仪测量通量的一致性与不确定性，表明观测仪器能够满足研究工作的精度需求，研究结果有助于后续观测数据的分析；4）评价了涡动相关仪能量平衡闭合程度（0.78-1.04之间），并分析了导致能量平衡不闭合的原因，其中下垫面的异质性是影响能量平衡不闭合的主要因素之一。已发表或接受学术论文6篇，其中SCI论文3篇（1篇为ESI高被引论文）、国内核心期刊3篇。参加国内会议3人次，国际会议2人次。