基于机载涡动相关观测的异质性地表区域尺度水热通量获取方法

Water and energy flux exchanges between land surface and atmosphere are main components of mass and energy balances of earth systems, and their spatial variability has a crucial influence on atmosphere and climate changes at both regional and global scales. Research on water and energy flux exchanges is related to multi-aspect applications such as water management, crop growth monitoring, drought and flood monitoring. Observation method provides basic data to study the physical mechanisms of water and energy flux exchange processes. The technique of airborne eddy covariance flux measurement can provide a possible way to directly obtain surface fluxes accurately at larger scales with higher observation level, specially designed aircraft and equipment of higher frequency, which compensates the less spatial representation of tower-based eddy covariance measurements. Focusing on the applications of airborne eddy covariance measurements on regional surface flux exchange research and the model validation, this project will study the regionalization of airborne flux measurement from the directly obtained averaged fluxes at the footprint scale, by improving the data processing and source area analyzing technique in heterogeneous surfaces. This study can effectively improve the regional implications of airborne eddy covariance measurements, especially on heterogeneous surfaces, which will provide much more powerful data support for researches of water and energy exchange processes and the model validation.

地表与大气之间的水热通量交换是地球系统物质和能量平衡的重要组成部分，其时空变化对区域和全球尺度气候和气象变化具有重大影响。对地表水热通量交换的研究关系到水资源管理、作物长势检测、洪涝灾害和旱情监测等多方面应用。水热通量观测为地表与大气之间水热通量交换物理机制研究提供了基础数据源。机载涡动相关通量观测技术借助更高的观测平台、专门的通量观测飞机、和更高频率的仪器设备，使得高精度、大范围的直接通量观测成为可能，弥补了基于地面塔站涡动相关观测空间代表性的不足。本项目针对机载涡动相关观测在区域尺度水热通量特征研究和模型验证等方面中的应用需求，通过改进异质性地表机载涡动相关数据处理和源区分析技术，研究由机载涡动相关观测所直接得到的足迹尺度水热观测获取区域尺度水热通量的方法。该项目的顺利开展将大幅度提高机载涡动相关观测在异质性地表的区域尺度应用能力，为水热通量机理研究和模型验证提供更有力的数据支撑。

地表与大气之间的水热通量交换是地球系统物质和能量平衡的重要组成部分，其时空变化对区域和全球尺度气候和气象变化具有重大影响。地气间水热交换是受控于土壤、植被等地表特征及近地面气象条件的复杂过程。水热通量观测技术的发展为研究地表与大气之间水热通量交换物理机制提供了基础数据源。机载涡动相关观测技术借助更高的观测平台、专业的通量观测飞机、和更高频率的仪器设备，使得高精度、大范围的直接通量观测成为可能，弥补了基于地面塔站涡动相关观测空间代表性的不足。机载涡动相关观测技术在异质性地表条件下应用时，地表与大气间逐空间窗口的水热通量估算、源区足迹分析及机载观测升尺度方法等关键技术有待完善。本项目针对机载涡动相关观测在区域尺度水热通量特征研究和模型验证等方面中的应用需求，1) 改进了由机载高频湍流脉动观测获取飞行路径上若干平均窗口内平均通量的方法；2) 发展了适合于机载异质性地表观测的足迹分析方法；3) 初步探索了基于机载涡动相关足迹尺度平均通量和多源遥感数据获取异质性区域高分辨率水热通量的方法; 4) 在其他项目联合资助下，开展了机载涡动相关通量观测试验。项目研究成果为机载涡动相关观测技术在异质性地表条件下的区域应用提供了基础，将有利于异质性地表条件下水热通量机理和模型验证的研究。