4.2闪烁法通量观测.ppt

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1、边界层湍流与闪烁法通量观测缘起：地气相互作用研究最关心的尺度与实际观测尺度的匹配问题地气相互作用研究重点：动量、能量和物质的通量输送大气-水文模式网格尺度：104106m(10km100km)通量站观测的代表性：100102m110km尺度水热通量的地面实测对空间尺度扩展研究、大气-水文与遥感模式的验证等意义重大。方法：地面密集观测网（矩阵)飞机观测闪烁仪-较为简便易行2不同传感器的源区面积观测仪器观测仪器观测高度观测高度(m)源区水平尺度源区水平尺度(m)辐射1.5-21015土壤热通量-0.02 -0.10.1EC 通量2-101001000左图：z=3.0m,U=1.5m/s,z0=0.

2、03,stdv=0.3,z/L=-1.0,0,1.0.ByKormann&Meixner(2001)methodnRed:unstable(z/L=-1.0);Yellow:neutral;Grey:stable(z/L=1.0)nContourlines:outer,0.001;middle,0.01,inner,0.1(ofthemaxfootprintvalue)nForthefluxcontributionreducestothe1%ofthemaximumpoint,theupper-winddistancesforunstable,neutral,&stablecasesareab

3、out100m,300m,&1500m,respectively.通量观测的源区面积与观测高度、风速风向、大气稳定度等参数有关For a heterogeneous surface,you can not expect a good energy balance closure.44000500060001000200030000West-East(m)4000300020001000North-South(m)310290295305300Ts(K)20080707-11:45 Background：Ts(fromTM6);Observation:EC(3.15m),LAS(9.5m).Wi

4、nddir.,311.6.Windspeed,0.77m/s(EC),1.15m/s(LAS).u*=0.1778，H=97.55，z/L=-0.991Footprint(outertoinner):95%，90%，85%，80%，70%，60%，50%ofthesourcearea.Comparison of sensible heat fluxes from LAS&EC(Arou,Jul-Aug,2008.Height:EC,3.15m;LAS,9.5m)闪烁法通量观测研究发展简史闪烁法通量观测，基于湍流大气中波的传播理论（大气湍流统计理论和电磁波传输-现代几何光学理论的结合）。Tata

5、rski(1959，1961)奠定了有关基础。5Wesely(1976)指出由大气光闪烁可导出大气中的热通量。此后Wyngaardetal.(1978)等做了大量试验。T.Wangetal.(1978)导出大涡贡献为主（大孔径）下折射指数结构参数与闪烁光强的基本关系。由光闪烁测量感热潜热输送的意见蓬勃开展。但1980年代中起，闪烁法的推进曾一度消沉。1990年代中起，在H.deBruin等带领下，较实用的各种闪烁仪又迅速发展，特别是大孔径闪烁仪（LAS）开始大量应用。V.I.Tatarski(1929-)闪烁法通量观测研究发展简史不同闪烁法的联合应用，可以得到102103m尺度上的平均动量、感

6、热和潜热通量，应用于气象、水文、农业等领域，以及检验相似尺度的大气模式和遥感模式的通量输出结果。闪烁仪易于推广应用，是一项极有前景的新技术。但其理论基础远比涡协方差法复杂；某些技术还处于研发阶段。6大气湍流特征：大气湍流特征：随机性随机性 多多尺度尺度 涡动涡动性性 扩散性扩散性 耗散性耗散性 结构性结构性 大气湍流是三维大气湍流是三维、多尺度、有结构的不规、多尺度、有结构的不规则则运动运动大气总是湍流的大气总是湍流的7自然界的大部分流动是湍流。虽然随处可见，却难做准确的定义。至今，还不能对湍流做严格的数值求解，主要靠直觉、统计和量纲分析。8LeonardodaVinci 一生有很多关于湍流的

7、速写500年前湍流就困扰着他湍流是经典物理学中最后一个没有解决的难题。许多物理学家（如Heisenberg等）甚至怀疑它是否可以解决。M.Lesieur(1987)：湍流是个危险的论题。由于它的复杂性及对其求解的无能为力，学术会议上常引起不同观点之间的激烈论争，有时甚至为究竟要解决什么问题而不能达成一致。130多年来对湍流的研究(1)OsboneReynolds1883管道流，(UL/)大于某临界值时，层流转变为湍流。1895雷诺平均与分解-湍流统计理论；从N-S方程得到雷诺方程，提出了雷诺应力的的闭合问题。LudwigPrandtl(及其学生vonKarman)19041925类比分子自由程

8、，提出混合长理论；将雷诺应力与平均场的梯度相联系。LewisRichardson1922 Weather Prediction by Numerical Process：湍流能量由大涡向小涡输送并最终被耗散：串级-耗散理论。G.I.Taylor湍流统计理论的奠基人1921 相关函数；湍流的载体是不同大小的随机涡(Eddy)；动量/标量输送是由涡粘度引起的湍涡扩散1935-36 均匀各项同性湍流理论与湍流谱；混合长问题 9130多年来对湍流的研究(2)局地各向同性湍流理论10Kolmogolov局地各向同性湍流理论描述大气湍流结构的基本参数与规律11光的闪烁 红外光与微波闪烁仪12Transmi

9、tterReceiverDPathlengthL:250mto10kmITimeTimeI闪烁法通量测量基础13n如饱和效应可忽略，则接收光强的对数方差 将与折射指数的结构参数 成正比n由 可估算温度的结构参数 和/或比湿的结构参数n进而可据M-O相似理论求得热通量H和E在光程上的平均值波长，D 孔径，L 光径长度，第一菲涅尔区直径闪烁仪尺度参数:大气湍流谱14全波数谱模式:三维温度脉动谱耗散区修正函数（例 HillBumpbyFrehlich,1992）15Type DLLength scale in TurbulenceParameter SensitivityScintillometer

10、sLAS大孔径,红外0.9 m15 cm 0.5-5 km 4 cmL0 D F l0(惯性区)Kipp&Zonen LASScintec BLS450,900 XLAS特大孔径,红外0.9 m30 cm 5-10 km 10 cmKipp&Zonen XLASScintec BLS2000 DBLS小孔径双光束激光0.7 m2.5 mm 100 m 1 cmL0 F D l0(惯性区+耗散区)Scintec SLS20,40MWS毫米波2-11 mm40 cm(天线直径)1-5 km 4 mL0 F D l0(惯性区)CEH/RAL94(与LAS组合成双波长闪烁仪)几种不同类型的闪烁仪 15

11、l按相对孔径大小区分：按相对孔径大小区分：uD F（大孔径，如LAS,XLAS,BLS)uD 与F 的相对大小决定测量结果仅对惯性区(LAS)或同时对l0敏感(SLS)空气的折射指数16JWang12110117“The Beauty”of Scintillometry Designn小孔径：DFL0de Bruin(1999)对局地各向同性介质，Tatarskii用平缓扰动法解Maxwell波动方程，得到光闪烁强度即接收的对数光强方差（）。设 并令 ：光程权重因子 湍流谱l已知 时，可在求得 同时得到（惯性区谱加耗散区修正）（惯性区）l闪烁强度与光程的11/6次方及折射率结构参数成正比181

12、8注意，对MWS：n大孔径：（如大孔径闪烁仪 LAS，）需考虑孔径的平均效应u大孔径闪烁仪的接收光强与孔径的7/3次方成正比u不再与内尺度小涡（或光波长）有关（T.Wang,1978)湍流谱，仍适用惯性区谱 大孔径平均效应JWang121101“The Beauty”of Scintillometry Designde Bruin(1999)19空间权重函数：光程不同位置对接收端光强的贡献19LAS和MWS的光程权重函数比较（SLS的该函数与有关）JWang121101折射指数的结构参数起关键作用对闪烁仪，折射指数的结构参数起关键作用20JWang121101由其中，同一些作者（如Moenee

13、tal.,2003)指出：按近地层相似理论，无量纲化的结构参数应当只是稳定度的函数。LAS-大孔径闪烁仪大孔径闪烁仪波传播与弱散射理论光强脉动M-O相似理论温度结构参数P,T,u*21JWang12110122双波长闪烁仪双波长闪烁仪22LAS+MWS 同时观测感热通量与潜热通量 IntensityfluctuationsVarln(Ii)Varln(Im)Covln(Ii,Im)Turbulence+Waveprop.TheoryCn,i2Cn,m2Cni,nmCT2Cq2CTqu*|Roughness|MOSTHLvEJWang12110123双波长闪烁仪双波长闪烁仪23LAS+MWS 同

14、时观测感热通量与潜热通量 Hilletal.(1988),Andreas(1989)JWang121101(Evans,2009)24JWang121101北农大研制的LAS与MWS25JWang1211014台自制LAS与SintecLAS及涡动相关系统对比试验（2011年，沽源）自制LAS和BLS900的对比结果表明：1）自制LAS的稳定性良好，但相互间的一致性较差；2）经过改进及标定，自制LAS观测结果的稳定性和可靠性有明显提高，可以满足科研需要。BLS900所测感热通量与EC比较，约大9%。26DBLS&Dual-disk LAS26L100m670nm双光束激光闪烁仪l小孔径(点光源

15、):D 2.5 mm,670nm l双光束:极化相互垂直，间距 d2.7mml光程:L50-250ml工作于惯性区及耗散区l与内尺度l0 有关，二光束的相关性r=B12/(B1 或B2）仅是l0 的函数。l同时得到和l0，u*，HL1-5kmD=15cm880nm双发光盘(源)大孔径闪烁仪l大孔径双光源:D 15 cm,880nm l双光源，光程:L1-5kml工作于惯性区l由二光束的相关及延迟得到水平横向风速l相邻二光束的协方差分析可修正气溶胶吸收影响HJWang121101闪烁仪观测通量的优势可以得到102104m光路径上感热通量或动量通量(u*)、潜热通量的面积(104m2)平均；相对于

16、涡协方差方法有更好的空间代表性。u更好的空间代表性可能意味着对EC观测能量闭合率的提高。闪烁仪基于较小尺度（湍流惯性区或更小）的运动特征，观测所得通量可有更高的时间分辨率（1分钟，某些应用必要），不必像涡协方差法那样关注大气平稳性问题。27JWang121101Area-average flux obs.improves the SEB-Results by Large Aperture Scintillometer28Comparison of sensible heat fluxes from LAS&EC(Arou,Jul-Aug,2008.Height:EC,3.15m;LAS,9.5

17、m)LASL=2.4kmJWang121101闪烁仪观测通量的不确定性闪烁仪观测的不确定性理论上的挑战波传播方程求解及计算中的局地各向同性与弱散射假设Kolmogorov谱在耗散区和含能区的修正问题M-O相似理论的有关假设及函数选择实用中计算参数的确定及源区分析有代表性的地表粗糙度z0和u*等的确定有效高度的确定Footprint分析（复杂地形影响）其它：光路上气溶胶吸收的影响；闪烁仪结果的验证 以下仅对相似函数选择做简单分析29JWang12110130常用的温度结构参数相似函数30对大口径闪烁仪(LAS),至今尚没有公认普适的相似函数形式。由不同来源的相似关系式估算感热通量,不稳定条件下,

18、相互间差别可达10-20%。作者作者实验资料实验资料相似函数相似函数 备注备注不稳定()稳定()Wyngaardetal.(1971)Kansas(美)1968Wyngaard(1973)Kansas(美)1968对Wyngaard.等（1971）的改进Andreas(1988)Kansas(美)1968将Kansas实验的k修为0.4Hilletal.(1992)Boulder(美)1988Thiermann&Grassl(1992)Meppen(德)1988k=0.4DeBruinetal.(1993)LaCrau(法)19874.9注意，稳定下取常数4.9Edson&Fairall(19

19、98)美国近海,1993Hartogensis&DeBruin(2005)Kansas(美)1999-CASE-99实验JWang12110131z/Lz/LFT(z/L)FT(z/L)-z/LH偏差(%)z/LH偏差(%)不同相似函数随稳定度变化的比较以Andreas函数计算的感热通量为参考，其它相似函数结果的偏差及随稳定度变化31JWang121101复杂条件下可不可以用？32l复杂下垫面各有不同，城市为最。不仅有复杂的街谷和高低不同建筑物分布，还有人工热源等影响。l城市的大气观测，绝大多数在粗糙子层中进行。l有没有意义？(Oke et al.,1993)JWang121101多个城市开始

20、各种通量观测研究目的：城市不同下垫面有关动力热力参数及动量、感热、潜热等通量输送特征；有关城市模式的发展与验证。涡协方差及闪烁仪等方法的不确定性。东京（Kanda等，2002）马赛（Lagouarde等，2006）巴塞尔（Roth等，2006）波恩（Schuttemeyer等，2007）洛桑（Nadeau等，2009）伦敦（Pauscher等，2010）诺曼（Ok.）（Galvez等，2011）33JWang12110134马赛市区SLS观测l建筑物平均高：zH=14.6m；其它建筑物参数；lSLS1：屋顶(高19.3米，白线)lSLS2：街谷(高11.3米，黑线)lL=171ml中间位置(箭

21、头)各有一台ECl街道边装一32m6层梯度塔34JWang12110135几个城市观测都给出修正的相似函数例：马赛结果（Roth等，2006，BLM）例：伦敦实验中对几种相似函数的比较（Pauscher，2010）结论：1.闪烁仪在城市的应用对较大尺度的了解是很有意义的；2.不确定性与有效高度及其它条件关系大。35JWang121101相似理论的成功与其局限性多年来，对M-O相似理论的赞美和怀疑一直并存。相似理论对应用梯度或方差等的观测来计算通量，已成功应用了近60年；但主要是在较均匀下垫面的近地层（常通量层）中（粗糙子层以上）。问题在于，通用相似函数只能通过实验资料拟合；而即便对最经典的如1

22、968年Kansas实验，仍有不少批评；对最基础的通量-廓线关系，在理想条件下，常用相似函数的偏差也会有10%或更多。大气湍流的认识至今仍是最大难题。许多处理方法或结果的确令人怀疑。但事情常常并非想象的那样糟。最近10-15年来EC等观测技术和分析的发展提供了改进理论应用的更好基础。至今近地层相似理论仍是陆面过程模式计算通量的重要基础。对非理想条件下理论局限的理解需要对有关理论及相关参数的更确切的理解。常常并不是可与否两种可选性。基于涡协方差等标准方法，在通量及相关参数（如有效高度，地表粗糙度等）更确定的基础上，根据下垫面及大气特征，可能对有关相似函数进行检验、选择或修订，以应用于类似环境。3

23、6JWang121101结论许多实验已证明：LAS所测通量与同一区域EC的结果一致。DBLS得到的u*和H，LAS+MWS试用得到的H和LE等，都有较高质量。复杂下垫面（包括城市）的应用，也得到可信的有代表意义的结果。对于区域代表性研究，闪烁仪可能取代EC等单点观测。继续改进LAS的同时，应注重双发光盘（求横向风速）、DBLS（求u*）、MWS（求潜热通量）等的发展应用，包括有关理论的发展。37JWang121101结论即便在复杂条件下，MOST的应用仍能得到较好结果。应结合具体下垫面及稳定度范围，利用涡协方差观测及湍流谱分析，检验并构造更好的MOST函数。注意一些影响最终精度的计算参数的确定

24、方法，如z0，有效高度等；改进现有Footprint分析方法。改进对LAS等观测结果的验证方法38JWang12110139JWang121101Energy Balance Closure Bluesby HenkdeBruin(afteranideaofRickAllen,MusicaBBKingblues)InthetimeofgoodoldBowenLifewassmoothandeasygoinEnergy,bydefinition,WasconservedandnevermissingButsinceIamusingultrasoundwavesImsingingtheenergy

25、balanceclosurebluesScienceseemedalmostreadyWhenwecouldmeasureeveryeddyWithourbrandnewultrasonicsEquippedwithmodernelectronicsButsinceIamusingthesenewsensorsImsingingtheenergybalanceclosurebluesSonictemperatures,firstly,thrilledmeBut,atlast,almosttheseguyskilledme40JWang121101Becauseofallthemoisturec

26、orrectionsAswellassinglespikedetectionsOh,sinceIamusingthesenewsonicsImsingingtheenergybalanceclosurebluesThenIdiscoveredscintillationAlmostadivinerevelationBecauseitlettwinklethestarsinheavenWhenitisdarkfarafterelevenAbeamoflighttravellingthroughmanyeddiesMakeslifesmoothagainandsteadyAnditworksalongalongpathDoingaveragingwithsomemath.SoasinthetimeofgoodoldBowenMylifeissmoothagainandeasygoinIgetHthroughscintillationAndasaresidualevapotranspirationSosinceIamusingnownewscintiesIstoppedwithsingingtheenergybalanceclosureblues