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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

地气间的能量和水汽交互作用是陆地生态系统中最重要的生态过程之一，其决定了热量、水分输送与转化过程以及大气边界层内湍流及扩散的强度和稳定度。因此，水热通量（感热通量和潜热通量）作为反映地表与大气之间交互作用的关键性参数，对其进行定量了解,对天气气候预报、水循环过程分析、农业和水资源管理、气象预报模式的改善以及检验遥感监测产品等意义重大^[1]。

目前测量地表水热通量主要使用的仪器为涡动相关仪和大孔径闪烁仪。其中，涡动相关仪（eddy covariance system，ec）提供了一种直接测定植被与大气之间co₂、水热通量的方法，方法的理论假设较少，原理比较完备，被公认为目前最好的测量地表通量的技术；但是该观测方法对观测条件有一定的限制，如地表水平均一、湍流平稳且充分发展、忽略湍流的垂直平流输送等，并且二次环流与大规模平流会造成能量不闭合的问题，空间代表范围只有几十米~几百米。近年来，大孔径闪烁仪（large aperture scintillometer，las）方法得到了广泛的使用，las具有更大的空间代表性，可以得到几百米至5公里范围内光径路线上的平均感热通量，在一定程度上改变了传统台站观测的局限性，成为卫星遥感反演地表蒸散发的最佳验证手段；然而，las也有其局限性，例如长期运行中的气象限制，包括降水，能见度差和弱湍流，以及诸如信号饱和效应，信号的内部尺度依赖性和塔振动的限制^[2]。

在上述背景下，为了更好地在不同下垫面不同尺度上进行通量观测，对涡动相关仪和大孔径闪烁仪观测的水热通量的差异进行比较研究是很有必要的。由于las只能直接观测感热通量，潜热通量需从能量平衡方程计算得到，为了减少由此带来的不确定性，本文仅对ec和las观测的感热通量进行比较和讨论。

国内外研究现状

2.1 涡动相关仪和大孔径闪烁仪测量感热通量的比较

针对las 和ec 两种设备测量地表水热通量的异同特征及其影响因素，国内外学者在不同地区典型陆地生态系统开展了许多对比观测试验^[2~13]。研究结果表明，在均匀下垫面上，涡动相关仪与大孔径闪烁仪观测的水热通量较为一致；在非均匀下垫面上，涡动相关仪与大孔径闪烁仪观测的水热通量存在一定的差异，las观测得到的感热通量通常大于ec观测的感热通量。hoedjes^[6] et al., (2007) 认为这种差异与灌溉期间土壤湿度差异引起的实验区域的异质性有关。ezzahar^[7] et al., (2007)认为涡动相关仪和大孔径闪烁仪观测源区范围的差异，涡动相关仪的能量闭合率，以及可利用能量估算中的误差等三点原因造成了两者观测感热通量的差异。kleissl^[8,9] et al.,（2008）比较了6 套不同型号的las 与1 套ec 测得的感热通量，认为源区的差异、las的有效高度计算误差、ec测量的不确定性以及能量不闭合等是造成每套las 与ec 测量值差异的原因。von randow^[10], (2008)分析了亚马孙热带雨林中ec与las观测感热通量，发现las观测值常常大于ec值，并归因于las比ec捕获到更多涡旋。su et al.,（2009）提出，两者测量之间的差异可归因于h_las对空气动力学粗糙度的敏感性和不同足迹。liu^[2] et al., (2011) 探讨了las 和ec在黑河流域测量感热通量的差异原因，指出两者差异是由ec的能量不平衡，下垫面的异质性以及ec和las测量的源区之间的差异造成的。he zhang与hongsheng zhang^[12](2014)探讨了在城市和郊区ec和las观测显热通量的差异，发现无论是在城市还是郊区，h_las都略大于h_ec，且当垂直风速与温度的相关系数r_wt0.5时，城市的h_las/h_ec比郊区的小，原因有可能是城市下垫面的弱不均性。m.s. yee^[13] et al., (2015)在半干旱地区，以ec观测为基准，比较了不同生产商的las，不同频率和偏振的mws（微波闪烁仪）以及双波长法观测通量的差异，发现单独使用las观测的效果最好，与ec观测结果非常接近；而这些方法通量观测间的差异可能与不同方法的不同理论基础以及参数（例如r_tq,z_s,h₀）的不确定性有关。

2. 研究的基本内容

（1）比较在均匀和非均匀下垫面ec和las 观测感热通量的差异。

（2）ec能量平衡不闭合对ec和las测量感热通量差异的影响。计算能量平衡闭合率ebr，并分析其对两者测量感热通量差异的影响。

（3）下垫面异质性对感热通量观测差异的影响。以lst（地表温度）作为反映下垫面异质性的指标，分析其对通量观测差异变化的影响。

（4）ec和las源区的差异对感热通量观测差异的影响。利用足迹模型结合卫星遥感资料，选择在重叠源区上平均的ec和las测量的归一化相对权重（ave_rw）以量化las和ec的源区差异，分析其与通量观测差异的关系。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

4.1实施方案

4.1.1实验数据

4.1.2技术路线

4. 参考文献

[1]刘绍民, 李小文, 施生锦,等, 2010. 大尺度地表水热通量的观测、分析与应用. 地球科学进展, 25(11): 1113-1126.

[2]liu, s.m., xu, z.w., wang, w.z., et al., 2011. a comparison of eddy-covariance and large aperture scintillometer measurements with respect to the energy balance closure problem . hydrology and earth system sciences, 15: 1291–1306.

[3]de bruin, h. a. r., van den hurk, b. j. j. m., koshiek, w., 1995. the scintillation method tested over a dry vineyard area. boundary- layer meteorology, 76: 25-40.

[4]hoedjes, j. c. b., zuurbier, r. m., and watts, c. j., 2002. large aperture scintillometer used over a homogeneous irrigated area, partly affected by regional advection. bound.-lay. meteorol., 105, 99– 117.