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  高原气象  2017, Vol. 36 Issue (2): 575-585  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00035
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李怀香, 刘绍民, 施生锦, 等. 2017. 国产光学型大孔径闪烁仪的技术性能分析[J]. 高原气象, 36(2): 575-585. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00035
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Li Huaixiang, Liu Shaomin, Shi Shengjin, et al. 2017. Assessing the Performance of Domestic Optical Large Aperture Scintillometer under Different Environment Conditions[J]. Plateau Meteorology, 36(2): 575-585. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00035.
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资助项目

国家重点研发计划项目(2016YFC0500101);国家自然科学基金项目(41301355)

通讯作者

刘绍民.E-mail:smliu@bnu.edu.cn

作者简介

李怀香 (1991), 女, 四川绵竹人, 硕士研究生, 主要从事大尺度地表通量的观测与分析.E-mail:lihuaixiang_bnu@foxmail.com

文章历史

收稿日期: 2015-06-19
定稿日期: 2016-04-12
国产光学型大孔径闪烁仪的技术性能分析
李怀香1, 刘绍民1, 施生锦2, 徐自为1, 朱忠礼1     
1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室, 地理科学学部资源学院, 北京 100875;
2. 中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193
摘要: 利用2009-2012年在北京密云、青海阿柔、河南济源、甘肃张掖、河北馆陶和沽源的野外对比试验数据,分析了国产光学型大孔径闪烁仪的观测精度、稳定性和一致性,为国产光学型大孔径闪烁仪的后续生产和改进提供科学依据。分析结果表明:(1)以德国BLS900闪烁仪观测值作为参考值,张掖巴吉滩3套和沽源站5套国产大孔径闪烁仪样机感热通量观测值的平均均方根误差分别为19.91 W·m-2和9.81 W·m-2;样机感热通量观测值均值与涡动相关仪观测值比较,均方根误差分别为21.08 W·m-2和12.87 W·m-2,表明国产大孔径闪烁仪具有较好的观测精度;(2)国产大孔径闪烁仪在高温、低温、高湿或低湿的恶劣天气条件下以及长时间序列的观测均具有较好的稳定性;(3)样机观测感热通量之间的回归斜率差异最大为6%,相关系数大于0.98,表明国产大孔径闪烁仪的一致性较好。综上所述,国产光学型大孔径闪烁仪基本达到了国外同类仪器的性能水平。
关键词: 国产光学型大孔径闪烁仪    观测精度    稳定性    一致性    
1 引言

近年来, 大尺度 (公里级) 地表水热通量的地面测量已成为广为关注的问题。获取大尺度地表水热通量的观测方法主要有涡动相关仪的观测矩阵、机载涡动相关仪以及闪烁仪 (刘绍民等, 2010)。其中光学型大孔径闪烁仪 (Large Aperture Scintillometer, LAS) 可以直接测量0.5~5 km范围内的平均感热通量, 通过能量平衡余项法推算出潜热通量, 可实现光程路径上大尺度水热通量的连续观测, 且测量尺度与大气模式的网格尺度、卫星遥感的像元尺度匹配较好 (Kleissl et al, 2008), 被认为是遥感模型估算、数值模式模拟地表水热通量结果的最佳验证工具 (卢俐等, 2005)。因此, 自20世纪90年代中后期开始, 大孔径闪烁仪在世界不同地区、不同下垫面被广泛用于大尺度水热通量的测量, 并取得了大量的研究成果 (宫丽娟等, 2009; 徐自为等, 2010; 郭伟等, 2013)。

为了评价大孔径闪烁仪的测量性能, 国内外开展了众多野外对比试验。许多学者通过结合涡动相关仪 (Eddy Covariance system, EC) 同步观测的地表通量以及试验场下垫面状况, 对不同下垫面上大孔径闪烁仪观测的地表通量进行了研究 (白洁等, 2010), 结果表明在均一和非均一下垫面上, LAS与EC观测的感热通量具有较好的一致性, 两者线性回归斜率差异在2%~16%之间 (陈继伟等, 2013; Mcaneney et al, 1995; Liu et al, 2003; Zeweldi et al, 2010; Xu et al, 2013; Beyrich et al, 2002; Chehbouni et al, 2000; Lagouarde et al, 2006; Zhang and Zhang, 2015); LAS和微波闪烁仪 (Microwave Scintillometer, MWS) 结合的双波段法观测的感热通量和潜热通量与EC观测均具有较好的一致性, 线性回归斜率差异分别为16%和4%(Mei et al, 2015)。Ezzahar et al (2007)Liu et al (2011, 2013) 和郝小翠等 (2013, 2014, 2015) 通过观测试验讨论了LAS与EC观测感热通量的差异以及造成两者差异的原因, 认为LAS与EC观测通量源区的重叠程度、下垫面的非均匀性以及涡动相关仪的能量平衡闭合率是导致两者差异的主要原因。

不同的大孔径闪烁仪间 (同型号、不同型号) 测量的感热通量具有一定的差异。Kleissl et al (2008, 2009) 的试验结果表明, 荷兰Kipp & Zonen (简称K & Z) 公司生产的同型号大孔径闪烁仪观测感热通量之间的回归斜率差异一般为6%, 最大可达21%;德国Scintec公司生产的同型号大孔径闪烁仪观测感热通量之间的回归斜率差异为3%左右; 荷兰大孔径闪烁仪感热通量的观测值比德国大孔径闪烁仪的观测值高20%。刘绍民等 (2010)的试验结果同样表明, 在白天不稳定条件下 (感热通量大于50 W·m-2), 荷兰大孔径闪烁仪观测的感热通量值比德国BLS450型号闪烁仪的观测值大17%左右。Xu et al (2013)的对比结果显示, 以BLS900观测值作为参考值, 另外两套BLS900的回归斜率差异为4%;两套BLS450的回归斜率差异为10%。

目前, 我国使用的光学型大孔径闪烁仪基本依赖国外进口, 常见的有德国Scintec公司以及荷兰K & Z公司生产的大孔径闪烁仪。从实际使用情况看, 荷兰生产的大孔径闪烁仪的发射器发射单一连续点光源, 功率较小, 在长距离与不利气象条件 (频繁降水、空气湿度高、雾霾天气等) 时, 信号强度偏弱; 德国生产的大孔径闪烁仪接收装置耗电量较大, 在野外观测若无交流电时不易开展工作 (施生锦等, 2010)。

国产光学型大孔径闪烁仪在研制过程中, 通过在发射器中设置功率放大模块, 大大提高发射器输出的发射光信号的功率; 除此之外, 在接收器中设置能耗降低模块, 以控制接收器在对发射器提供的观测数据信号进行解调处理的过程中, 工作于低功耗的工作模式, 从而降低接收器工作过程中的电能消耗, 保证系统在利用负载电池供电时, 能够维持长时间的供电, 不易产生因电量不足而造成观测数据缺失的缺陷。相比于国外同类仪器, 国产大孔径闪烁仪的耗电量比德国和荷兰的大孔径闪烁仪更小, 较荷兰大孔径闪烁仪的发射功率更强, 可以保证仪器在较长的距离和不利的天气条件下运行。

为了检验国产光学型大孔径闪烁仪在不同气候条件和下垫面类型的测量性能, 将国产大孔径闪烁仪与国外同类仪器 (荷兰K & Z公司和德国Scintec公司的大孔径闪烁仪) 先后架设在北京密云、青海阿柔、河南济源、张掖大满和河北馆陶, 进行野外观测对比试验; 在张掖巴吉滩和河北沽源, 同时开展国产大孔径闪烁仪与德国BLS900闪烁仪的对比试验以及国产大孔径闪烁仪多套样机之间的比较试验。本文拟在上述观测试验的数据基础上, 从观测精度、稳定性和一致性等方面来评价国产光学型大孔径闪烁仪的性能。

2 野外对比试验概况

从2009—2012年, 利用国产光学型大孔径闪烁仪的5套样机 (命名为YZ01至YZ05) 已经在密云、馆陶、阿柔、济源、张掖和沽源分别进行了短期和长期的野外对比试验 (观测试验站点分布见图 1), 观测总天数超过1000天, 为评价国产大孔径闪烁仪的性能提供了较为充分的观测数据。

图 1 观测试验站点分布 Figure 1 Location of observation sites

密云站位于北京市密云县新城子镇太古石村, 站点三面环山, 处于一个西南-东北走向的山谷中。该地区属温带季风气候, 年平均气温为10 ℃, 年平均降水量在560 mm左右, 下垫面主要为果树、杨树、城镇与玉米地。在站点北面放置K & Z LAS发射器和YZ01接收器, 南面放置K & Z LAS接收器和YZ01发射器, 涡动相关仪和自动气象站位于距离大孔径闪烁仪光程路径中点约450 m处。

馆陶站位于河北省馆陶县河寨村, 属温带季风气候, 年平均气温为13.8 ℃, 年平均降水量在457 mm左右, 下垫面包括玉米、小麦、棉花, 其中玉米与小麦为轮作, 棉花为一季, 比较平坦。在站点北面放置K & Z LAS发射器和YZ01接收器, 南面放置K & Z LAS接收器和YZ01发射器, 涡动相关仪和自动气象站位于大孔径闪烁仪光程路径的中间位置。

阿柔站位于黑河上游青海省祁连县的河谷区域, 属高原山地气候, 年平均气温为2.3 ℃, 年平均降水量在384 mm左右, 下垫面为高寒草地, 比较平坦与均匀。在站点东北端放置德国BLS450发射器和YZ05接收器, 西南端放置BLS450接收器和YZ05发射器, 涡动相关仪和自动气象站位于大孔径闪烁仪光程路径的中间位置。该站观测试验有两个阶段:第一阶段为BLS450与YZ05同步观测, 时间为2009年12月16日至2010年5月30日; 第二阶段为YZ05独立观测阶段, 时间为2010年6月1日至2011年6月2日。

济源站位于河南省济源市的黄河小浪底森林生态系统定位研究站, 属温带季风气候, 年平均气温为12.4 ℃, 年平均降水量在642 mm左右, 观测下垫面为低丘山地人工林, 主要由栓皮栎、侧柏、刺槐人工混交林组成。在该站东北端放置BLS450接收器和YZ04发射器, 西南端放置BLS450发射器和YZ04接收器, 2套涡动相关仪位于LAS光程路径上, 距离LAS发射端分别为620 m (EC1) 和1120 m (EC2), 自动气象站安装在EC1塔上。

张掖属于典型的温带大陆性气候, 年平均气温7.3 ℃, 年平均降水量在130 mm左右。试验包括两个阶段:第一阶段为3套样机 (YZ01、YZ02、YZ04) 在张掖巴吉滩开展野外比较试验, 其下垫面为戈壁, 比较开阔与平坦, 3套样机和德国LAS沿南北方向放置, 20套涡动相关仪和一套自动气象站位于大孔径闪烁仪光程路径的中间位置, 观测时间为2012年5月14日至5月24日; 第二阶段为2套样机 (YZ01、YZ02) 在张掖大满黑河流域生态-水文过程综合遥感观测试验站非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验 (HiWATER-MUSOEXE)(Liu et al, 2016; Xu et al, 2013), 试验场下垫面为绿洲制种玉米田, 样机YZ01和BLS900沿南北方向放置, YZ02和BLS450沿东北和西南方向放置, 涡动相关仪和自动气象站位于LAS光程路径上, 试验时间为2012年5—9月。

沽源站位于河北省沽源国家草地生态系统野外科学研究站的东面轮牧区, 属温带季风气候, 年平均气温为1 ℃, 年降水量在350~450 mm左右, 下垫面为草地, 比较平坦与均匀。该站的试验主要有两个阶段:第一阶段为4套样机 (YZ01~YZ04) 之间的比较试验, 时间为2010年9月21日至10月16日; 第二阶段为5套样机 (YZ01~YZ05) 的野外比较试验, 5套研制样机和2套德国LAS (BLS900、BLS450) 南北放置, 5套样机和BLS450的发射器均放置在北面, 接收器均放置在南面, BLS900则相反, 涡动相关仪和自动气象站位于大孔径闪烁仪光程路径的中间位置, 试验时间为2011年6月1日至7月20日 (表 1)。

表 1 国产光学型大孔径闪烁仪野外观测试验概况 Table 1 The observation experiments for comparison of domestic optical large aperture scintillometer
3 数据与方法 3.1 观测数据的处理与质量控制 3.1.1 光学型大孔径闪烁仪

所用的LAS原始数据输出根据不同型号有两种情况:德国制造的LAS (Scintec, BLS900/BLS450) 直接输出1 min原始空气折射指数结构参数 (Cn2) 值; 荷兰制造的LAS (K & Z LAS) 和国产YZLAS输出信号为UCn2(Cn2的电压值), 需经过计算得到Cn2(白洁等, 2010)。LAS观测数据的质量控制主要包括: ① 剔除Cn2达到饱和的数据 (Ochs and Wilson, 1993); ② 剔除降水时刻的数据; ③ 剔除解调信号强度较小的数据, 其中德国BLS系列剔除信号强度Average X Intensity小于1000对应的观测数据, 荷兰K & Z LAS和国产YZLAS剔除信号强度Demod大于-20 mV对应的观测数据; ④ 剔除夜间弱湍流时刻的数据 (摩擦风速u* < 0.1 m·s-1)。

经过上述处理步骤得到的Cn2值即可参与感热通量的计算。首先, 由Cn2经过湿度订正得到温度结构参数CT2(Wesely, 1976), 再结合气象数据 (风速、温度、大气压等)、大孔径闪烁仪观测的有效高度 (由光程路径上测点的海拔高度, 结合空间权重函数计算得到)、风速观测高度、零平面位移和空气动力学粗糙度 (根据下垫面实际情况及植被平均高度估算得到), 根据莫宁-奥布霍夫近地层相似理论, 经过迭代计算得到感热通量。其中, 荷兰K & Z LAS和国产YZLAS选用Andreas (1988)函数表达式作为大气稳定度普适函数, 德国LAS选用Thiermann and Grassl (1992)函数表达式作为大气稳定度普适函数。

3.1.2 涡动相关仪

从10 Hz原始数据出发, 采用英国爱丁堡大学开发的Edire软件 (http://www.geos.ed.ac.uk/abs/research/micromet/EdiRe) 对观测数据进行后处理, 主要包括:野点值的剔除、延迟时间的校正、超声虚温转化为空气温度、角度订正 (针对Gill超声涡动相关系统)、坐标旋转、空气密度效应的修正 (即WPL修正), 频率响应校正等。对处理后的30 min通量数据根据Foken and Wichura (1996)提出的标准 (平稳性和湍流发展充分性) 建立质量标识, 剔除不满足检验标准和质量较差的观测数据, 同时剔除仪器出错时的数据, 剔除降水前后1 h的数据, 剔除10 Hz原始数据中每30 min内缺失率大于3%的数据, 剔除夜间弱湍流的观测数据 (徐自为等, 2008)。

3.1.3 自动气象站

LAS计算中所需自动气象站观测数据包括空气温度、相对湿度、风速、气压等。数据处理主要是整理的过程, 对原始10 min的自动气象站观测数据平均得到30 min平均值, 并剔除明显超出物理范围的数据。

3.2 评价方法

本文主要用到均方根误差 (RMSE)、平均相对误差 (MRE) 和相关系数 (R) 等统计量来判断不同仪器观测值之间的差异:

$ RMSE = \sqrt {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{P_i} - {O_i}} \right)}^2}} }}{n}} , $ (1)
$ MRE = \frac{{100}}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{P_i} - {O_i}}}{{\bar O}}} , $ (2)
$ \begin{array}{l} R = \sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{P_i} - \bar P} \right)\left( {{O_i} - \bar O} \right)} /\\ {\left[ {\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{P_i} - \bar P} \right)}^2}} \sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{O_i} - \bar O} \right)}^2}} } \right]^{1/2}}, \end{array} $ (3)

式中: Pi为研制样机感热通量观测值, Oi为参考仪器感热通量观测值, P为研制样机感热通量均值, O为参考仪器感热通量均值, n是样本数。其中RMSE用于衡量研制样机与参考仪器观测值的差异, MRE用于衡量差异的相对程度, R用于衡量仪器观测值变化趋势的一致性。

4 结果分析 4.1 国产光学型大孔径闪烁仪的观测精度

张掖巴吉滩、沽源站的对比场地下垫面比较平坦与均匀, 为评价国产大孔径闪烁仪的精度提供了可靠的观测数据。以德国BLS900闪烁仪观测值作为参考值, 从张掖巴吉滩戈壁地区2012年5月仪器对比期间3套研制样机 (YZ01、YZ02、YZ04) 与BLS900观测感热通量的散点分布 (图 2) 可知, 在干旱的张掖巴吉滩戈壁, 研制样机与BLS900观测感热通量的线性回归斜率为1.06, 相关系数R为0.98。3套样机感热通量观测值的平均RMSE为19.91 W·m-2, 平均MRE为7.37%。

图 2 2012年5月17—22日张掖巴吉滩戈壁地区YZ01、YZ02、YZ04系统与BLS900系统观测感热通量H的比较 Figure 2 Comparison of the sensible heat flux (H) derived from YZ01, YZ02, YZ04 and BLS900 scintillometer at Bajitan gobi desert from 17 to 22 May 2012

基于2011年7月在沽源站开展的5套研制样机 (YZ01-05) 与BLS900的对比试验, 样机与BLS900观测感热通量的比较结果 (图 3) 可知, 5套研制样机与BLS900的观测结果具有较好的一致性, 相关系数R为0.99。与德国BLS900相比, 5套样机感热通量观测值的平均RMSE为9.81 W·m-2, 平均MRE为16.30%。张掖巴吉滩和沽源站的试验结果表明:国产光学型大孔径闪烁仪具有较好的观测精度, 与BLS900观测值较为一致, 较荷兰LAS和德国BLS900的差异小 (Kleissl et al, 2009)。

图 3 2011年7月1—20日沽源站YZ01-05系统与BLS900系统观测感热通量H的比较 Figure 3 Comparison of the sensible heat flux (H) derived from YZ01 to YZ05 and BLS900 scintillometer at Guyuan station from 1 to 20 July 2011

图 4分别显示了张掖巴吉滩3套研制样机和沽源5套研制样机感热通量观测值均值与涡动相关仪观测值的比较结果, 其中, 张掖巴吉滩的涡动相关仪数据为20套涡动相关仪观测值均值。巴吉滩涡动相关仪的能量平衡闭合率为0.93, 沽源站为0.94, 本文选取涡动相关仪能量平衡闭合率大于0.75的数据进行比较分析。从比较结果可以看出: YZLAS与EC观测得到的感热通量一致性较好, 巴吉滩和沽源站的回归斜率分别为1.03和0.96, 相关性显著, R均大于0.9, RMSE分别为21.08 W·m-2和12.87 W·m-2, MRE分别为5.07%和-1.88%。

图 4 巴吉滩 (a)、沽源 (b) YZLAS系统与EC观测感热通量H(H > 50 W·m-2, EBR > 0.75) 的比较 Figure 4 Comparison of the sensible heat flux (H) between the mean YZLAS and the EC when H > 50 W·m-2 and EBR > 0.75 at Bajitan (a) and Guyuan (b) station

综合上述分析, 认为国产光学型大孔径闪烁仪在平坦、均匀下垫面上具有较好的观测精度, 且达到了国外同类LAS的水平。

4.2 国产光学型大孔径闪烁仪的稳定性

为评价国产光学型大孔径闪烁仪在高海拔、低温条件下长期观测的稳定性, 选用阿柔站 (海拔3033 m, 2010年冬季平均温度-12.7 ℃)2010年6月1日至2011年5月1日期间 (YZ05独立观测阶段) 国产大孔径闪烁仪样机YZ05和涡动相关仪EC观测感热通量的结果进行比较 (涡动相关仪能量平衡闭合率为0.86, 选取能量闭合率大于0.75的数据进行比较)(图 5)。由图 5可知, 两种方法观测得到的感热通量一致性较好, 回归斜率差异接近3%, 与Liu et al (2011)在阿柔站近一年的比较结果相似 (德国BLS450与EC感热通量观测值的差异为6%, R2为0.67)。另外, 通过计算得到样机YZ05感热通量观测值与涡动相关仪观测值的RMSEMRE分别为20.27 W·m-2和6.95%。试验结果证明, 国产光学型大孔径闪烁仪在高海拔、低温气候条件下长期观测的稳定性较好。

图 5 2010年6月1日至2011年5月1日阿柔站YZ05系统与EC观测感热通量H(H > 50 W·m-2, EBR > 0.75) 的比较 Figure 5 Comparison of the sensible heat flux (H) derived from YZ05 and EC when H > 50 W·m-2 and EBR > 0.75 at Arou station from 1 June 2010 to 1 May 2011

为检验国产光学型大孔径闪烁仪在不同气候条件和下垫面类型下观测的稳定性, 下面基于密云 (温带季风气候, 果园)、馆陶 (温带季风气候, 农田)、阿柔 (高原山地气候, 草地) 和济源站 (温带季风气候, 林地) 的观测数据进行分析。从各站点对比试验期间研制样机与荷兰K & Z LAS和德国BLS450观测感热通量的比较结果 (图 6) 可知, 研制样机 (YZ01、YZ04、YZ05) 和国外同类LAS (荷兰K & Z LAS、德国BLS450) 观测得到的感热通量一致性较好。由于大孔径闪烁仪观测的感热通量受源区下垫面的影响较大 (宫丽娟等, 2009; 白洁等, 2010), 因此下垫面的非均匀程度对两台对比仪器观测差异具有一定的影响。从对比结果可以看出:在下垫面非均匀程度较高的馆陶站 (下垫面包括玉米/小麦、棉花) 和济源站 (下垫面为低丘山地人工林, 主要由栓皮栎、侧柏、刺槐人工混交林组成), 仪器观测值之间的差异大于下垫面相对均一的阿柔站仪器观测差异。当然, 在非均匀下垫面上开展对比试验旨在检验国产光学型大孔径闪烁仪的稳定性, 从通量观测的变化趋势和量级的一致性可以看出, 国产大孔径闪烁仪在不同气候条件和下垫面类型下具有较好的观测稳定性。

图 6 YZLAS系统与荷兰K & Z LAS和德国BLS450观测感热通量H的比较 (a) 密云站, (b) 馆陶站, (c) 阿柔站, (d) 济源站 Figure 6 Comparison of the sensible heat flux (H) derived from YZLAS and K & Z LAS/BLS450. (a) Miyun station, (b) Guantao station, (c) Arou station, (d) Jiyuan station

2013年6月, 在中国气象局组织的硬件测试中, 通过室内温湿度模拟测试, 研制大孔径闪烁仪在温度-30~60 ℃、相对湿度0%~100%范围内运行稳定, 能够正常工作 (荷兰Kipp & Zonen和德国Scintec公司的大孔径闪烁仪参考工作温度为-20~50 ℃、工作相对湿度为0%~100%)。为进一步检验国产光学型大孔径闪烁仪在野外恶劣天气条件下观测的稳定性, 结合站点的天气情况, 分别从阿柔、张掖和沽源站的野外对比试验中筛选出低温、高温、低湿和高湿时间段的观测数据进行分析。其中, 在阿柔站观测到的最低空气温度达到-26.2 ℃, 在张掖观测到最高空气温度达到33.6 ℃(大满站)、最低相对湿度6.0%(巴吉滩), 在沽源站观测到的最高相对湿度达到100%。从图 7可以看出, 样机与对比仪器具有较好一致性, 证明国产光学型大孔径闪烁仪在野外恶劣观测条件下也具有较好的观测稳定性。

图 7 YZLAS系统与BLS450和BLS900系统观测感热通量H的比较 (a) 阿柔, (b) 大满, (c) 巴吉滩, (d) 沽源 Figure 7 Comparison of the sensible flux (H) derived from YZLAS and BLS450/BLS900. (a) Arou, (b) Daman, (c) Bajitan, (d) Guyuan
4.3 国产光学型大孔径闪烁仪的一致性

为检验国产光学型大孔径闪烁仪不同研制样机之间的一致性, 在沽源站和张掖巴吉滩分别设置了多套研制样机之间的比较试验。其中, 沽源站于2010年和2011年分别进行了4套样机 (YZ01-04) 和5套样机 (YZ01-05) 的一致性比较试验; 张掖巴吉滩于2012年进行了3套样机 (YZ01、YZ02、YZ04) 的一致性比较试验。

任意选择YZ01作为参考, 分别对沽源站和巴吉滩各套研制样机观测的感热通量进行比较, 如图 8图 9。从图可以看出, 大部分点分布在1:1线, 表明样机之间具有较好的一致性。在沽源站2010年的试验中, 样机观测感热通量之间的回归斜率差异为6%, 相关系数大于0.98;巴吉滩样机观测感热通量之间的回归斜率差异在6%左右, 相关系数大于0.98。

图 8 2010年10月1—16日 (a) 和2011年7月1—20日 (b) 沽源站YZLAS观测感热通量H的比较 Figure 8 Comparison of the sensible heat flux (H) derived from YZLAS at Guyuan site from 1 to 16 October 2010 (a) and 1 to 20 July 2011 (b)
图 9 2012年5月17日至22日巴吉滩YZLAS观测感热通量H的比较 Figure 9 Comparison of the sensible heat flux (H) derived from YZLAS at the Bajitan Gobi desert from 17 to 22 May 2012

综上所述, 国产光学型大孔径闪烁仪观测感热通量之间的回归斜率差异最大为6%, 相关系数大于0.98, 与Kleissl et al (2008)的对比结果一致, 国产光学型大孔径闪烁仪不同样机之间具有较好的一致性。

5 结论与讨论

本文基于密云、馆陶、阿柔、济源、张掖和沽源开展的野外对比试验数据, 分析了国产光学型大孔径闪烁仪的观测精度、稳定性和一致性, 进而评价了其性能。分析结果表明:

(1) 以德国BLS900观测值作为参考值, 张掖巴吉滩3套和沽源站5套国产LAS样机感热通量观测值的平均均方根误差分别为19.91 W·m-2和9.81 W·m-2, 平均相对误差分别为7.37%和16.30%, 样机感热通量观测值均值与涡动相关仪观测值比较, 均方根误差分别为21.08 W·m-2和12.87 W·m-2, 平均相对误差分别为5.07%和-1.88%, 证明国产光学型大孔径闪烁仪具有较好的观测精度。

(2) 样机观测感热通量之间的回归斜率差异最大为6%, 相关系数大于0.98, 国产光学型大孔径闪烁仪不同样机之间具有较好的一致性。

(3) 高海拔、低温气候的阿柔站长达一年的观测试验表明:国产光学型大孔径闪烁仪与涡动相关仪观测得到的感热通量较为吻合, 线性回归斜率接近1.03, 且相关性显著, 与德国LAS的观测结果比较一致。

(4) 从阿柔、张掖和沽源站的对比试验中分别筛选出低温、高温、低湿和高湿条件下的观测数据进行分析, 结果表明:国产光学型大孔径闪烁仪在野外恶劣天气条件下仍具有良好的稳定性。

从上述野外对比试验的分析结果来看, 国产光学型大孔径闪烁仪基本达到了国外同类仪器的性能水平。今后希望在不降低仪器测量精度、稳定性与一致性的前提下, 实现商业化生产, 并尽快应用到地表水热通量观测的业务运行中, 以便促进我国大尺度水热通量观测能力的提高, 突破国外技术壁垒, 实现通量观测仪器的国产化。

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Assessing the Performance of Domestic Optical Large Aperture Scintillometer under Different Environment Conditions
LI Huaixiang1 , LIU Shaomin1 , SHI Shengjin2 , XU Ziwei1 , ZHU Zhongli1     
1. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, School of Natural Resource, Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
2. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100094, China
Abstract: The accuracy, stability and consistency of domestic optical large aperture scintillometers (YZLAS) were assessed using the observation experiments located in Miyun, A'rou, Jiyuan, Zhangye, Guantao and Guyuan in China during 2009 to 2012.The results can provide a potential scientific basis to improve and produce the subsequent domestic optical large aperture scintillometer. The results showed that: (1) Taken BLS900 scintillometer as the reference, the domestic large aperture scintillometer derived very similar sensible heat fluxes with the reference, with the averaged RMSE of 19.91 W·m-2 and 9.81 W·m-2, respectively at Zhangye Baji site (three YZLAS sets) and Guyuan site (five YZLAS sets). The RMSE of YZLAS sets were 21.08 W·m-2and 12.87 W·m-2, respectively, when compared with the measurements from eddy covariance system. These comparisons indicated that the domestic large aperture scintillometer performed very well; (2) The domestic large aperture scintillometer also has reliable stability under harsh environments such as high and low temperature, high and low humidity conditions; (3) The sensible heat fluxes measured by YZLAS also showed good consistency with each other with diversity of about 6% and the correlation coefficient greater than 0.98.These mean that the domestic optical large aperture scintillometer basically reached the level of the foreign instrument.
Key Words: Domestic optical large aperture scintillometer    Accuracy    Stability    Consistency