一种地表水热通量的多尺度观测方法技术

本发明专利技术公开一种地表水热通量的多尺度观测方法，该方法包括：S1、选择对应观测区域的且精度在预设范围内的多个观测仪器；S2、借助于均匀下垫面仪器比对与标定的方式，使所有观测仪器中同类仪器的观测精度一致；S3、根据非均匀地表观测仪器布设原理，通过优化采样设计，确定每一观测仪器的实际位置；S4、基于实际位置安装的每一观测仪器，获取多尺度、多要素的地面观测数据。上述方法可获取连续的、多尺度的水热通量、配套参数(气象要素、土壤温湿度、叶面积指数)数据，实现台站观测值与不同分辨率卫星遥感反演值之间的衔接，进而可为遥感产品算法和数值模型模拟结果提供卫星像元/模型网格尺度地面相对真值等验证数据，提高其精度。

A multi scale observation method of surface water and heat flux

【技术实现步骤摘要】
一种地表水热通量的多尺度观测方法
本专利技术涉及一种地面观测技术，特别涉及一种多尺度、多要素的观测技术，具体为一种地表水热通量的多尺度观测方法。
技术介绍
土壤-植被-大气是统一的、动态的、互相作用的连续系统，是国际学术界的研究热点。定量描述土壤-植被-大气间物质循环和能量交换过程是以通量测量为基础的。通量作为一个物理学概念，是指单位时间内通过某一界面单位面积所输送的动量、热量和物质等物理量。随着全球变化研究的广泛开展，通量作为反映生态系统对环境变化响应的重要指标越来越受到关注。目前FLUXNET已经发展成为由27个区域通量观测网络和研究组织组成的全球通量观测网络联盟。FLUXNET通量研究站点由20世纪90年代初的不足20个，至今已发展到全球900多个观测站点，遍布全球不同的气候区和植被类型。这些观测站点基本是以涡动相关仪通量系统为主的单尺度观测(百米级尺度)。随着近几十年遥感技术、陆面过程/水文/数值天气预报等模型的发展，已能够获取区域和全球的大尺度水热通量产品(一般1-5km)。然而，这些产品需要地面观测值来验证与校正，但由于自然植被的多样性以及地形地貌和气候条件复杂性，陆气间地表水热通量交换过程存在强烈的空间异质性。因此，如何直接获取准确的大尺度地表水热通量的地面观测结果已成为制约相关遥感产品算法与相关数值模型发展的重要因子和技术瓶颈。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种地表水热通量的多尺度观测方法，该方法可获取连续的、多尺度的水热通量以及相应配套参数(如气象要素、土壤温湿度和叶面积指数等)，实现台站观测值与不同分辨率卫星遥感反演值之间的衔接。为了达到上述的目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：第一方面，本专利技术提供一种地表水热通量的多尺度观测方法，包括：步骤S1、选择对应观测区域且精度在预设范围内的多个观测仪器；步骤S2、借助于均匀下垫面的仪器比对与标定方式，使所有观测仪器中同类仪器的观测精度一致；步骤S3、根据非均匀地表观测仪器布设原理，通过优化采样设计，确定每一观测仪器的实际位置；步骤S4、基于实际位置安装的每一观测仪器，获取多尺度、多要素的地面观测数据。可选地，所述多个观测仪器包括：单站多尺度观测时使用的一台蒸渗仪、涡动相关仪与闪烁仪(地表水热通量)，宇宙射线土壤水分测量仪与土壤温湿度无线传感器网络，叶面积指数无线传感器网络以及自动气象站/气象要素梯度观测系统；通量观测矩阵观测时使用的多套的涡动相关仪、闪烁仪、自动气象站以及气象要素梯度观测系统、土壤温湿度无线传感器网络与叶面积指数无线传感器网络风温廓线仪与GPS探空系统。可选地，所述步骤S2包括：将所有的观测仪器进行分类；选择相对均匀的下垫面，对分类后的各同类仪器进行比对，并标定。可选地，所述步骤S3包括：针对单站多尺度观测方式，确定观测区域的主风方向、研究对象；根据所述主风方向、研究对象，将闪烁仪架设在受毗邻生态系统干扰最小的地点，且闪烁仪的光径路线呈南北向，并垂直于观测区域的主风方向；在闪烁仪的路径中间安装蒸渗仪、涡动相关仪、自动气象站/气象要素梯度观测系统和宇宙射线土壤水分仪；蒸渗仪内种植研究对象的植被；涡动相关仪朝向主风方向，安装高度在地表或植被冠层上方1.5m及以上位置；自动气象站配备用于测量风温湿压、降水、辐射、土壤热通量和土壤温湿度廓线的传感器，并使风温湿传感器的安装高度与闪烁仪有效高度相同；在闪烁仪的源区内安装包括多个节点的土壤温湿度和叶面积指数无线传感器网络设备。可选地，所述步骤S3包括：针对通量观测矩阵观测方式，设置两个嵌套的大矩阵(区域尺度)、小矩阵(局地尺度)针对观测区域尺度上目标地表与周边环境的水热相互作用，在目标地表和周边地表，根据地表类型与下垫面的非均匀程度，通过优化采样设计，分别架设多套涡动相关仪和自动气象站；针对局地尺度上水热通量，根据地表类型与水热状况的非均匀性将小矩阵区分成若干个小区，在每个小区内架设一套涡动相关仪和自动气象站；根据相应遥感像元的大小，架设多套闪烁仪，同时在小矩阵内密集布置土壤温度与湿度、叶面积指数的无线传感器网络；用气象要素梯度观测系统、风温廓线仪和GPS探空系统同步观测区域上空大气边界层条件。可选地，闪烁仪的光径路线为发射端和接收端的路径，路径长度在1.5-5km(即至少大于1个半卫星遥感像元)，安装高度10-35m(即大于光径路线上障碍物高度)。可选地，区域尺度包括下述的一种或多种：绿洲-荒漠、湖泊-陆地、海洋-陆地；局地尺度包括下述的一种或多种：农田、林地、草地、湿地、水体、裸地与居民地。可选地，所述步骤S4包括：通过观测仪器直接测量得到不同尺度水热通量以及配套参数(如气象要素、土壤温湿度和叶面积指数)的观测值；观测结果可以发展与检验不同的升尺度方法，获取卫星像元/模型网格尺度地面相对真值数据，用于验证遥感产品算法与相关数值模型。本专利技术的有益效果是：在本专利技术中，通过仪器选型保证仪器的精度，通过比对与标定保证仪器精度的一致性，通过优化采样设计保证观测结果的代表性，通过直接和间接的方法获取多尺度通量。进而可为遥感算法和模型模拟结果的验证提供卫星像元/模型网格尺度地面相对真值数据，提高验证过程的可靠性，有助于获取精度较高的区域和全球尺度水热通量产品。具体地，本专利技术中为了获取多尺度水热通量，对观测仪器进行优化布设；获取多尺度(米级-百米级-公里级)水热通量以及相应的配套参数(气象要素、土壤温度与湿度、叶面积指数)观测数据。附图说明图1为本专利技术一实施例提供的地表水热通量的多尺度观测方法的流程示意图；图2为本专利技术一实施例的实现过程中使用单站多尺度观测方式的示意图；图3为本专利技术另一实施例的实现过程中使用通量观测矩阵方式的示意图；图4为本专利技术一实施例示出的大矩阵和小矩阵的示意图。具体实施方式为了更好地解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本专利技术作详细描述。实施例一参见图1和2所示，本专利技术实施例提供一种表水热通量的多尺度观测方法的示意图，本实施例的方法可包括下述步骤：步骤S1、选择对应观测区域且精度在预设范围内的多个观测仪器。举例来说，单站多尺度观测时使用的一台蒸渗仪、涡动相关仪、闪烁仪、气象要素梯度观测系统/自动气象站以及土壤温湿度无线传感器网络、叶面积指数无线传感器网络与宇宙射线土壤水分测量仪；通量观测矩阵观测时使用的多套涡动相关仪、多组闪烁仪、多套自动气象站和土壤温湿度无线传感器网络、叶面积指数无线传感器网络以及气象要素梯度观测系统、风温廓线仪与GPS探空系统等。在实际应用中，通量观测矩阵观测时使用的仪器比单站多尺度观测时使用的仪器多一些，如上所述的风温廓线仪与GPS探空系统等。步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地表水热通量的多尺度观测方法，其特征在于，包括：/n步骤S1、选择对应观测区域且精度在预设范围内的多个观测仪器；/n步骤S2、借助于均匀下垫面仪器比对与标定的方式，使所有观测仪器中同类仪器的观测精度一致；/n步骤S3、根据非均匀地表观测仪器布设原理，通过优化采样设计，确定每一观测仪器的实际位置；/n步骤S4、基于实际位置安装的每一观测仪器，获取多尺度、多要素的地面观测数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种地表水热通量的多尺度观测方法，其特征在于，包括：
步骤S1、选择对应观测区域且精度在预设范围内的多个观测仪器；
步骤S2、借助于均匀下垫面仪器比对与标定的方式，使所有观测仪器中同类仪器的观测精度一致；
步骤S3、根据非均匀地表观测仪器布设原理，通过优化采样设计，确定每一观测仪器的实际位置；
步骤S4、基于实际位置安装的每一观测仪器，获取多尺度、多要素的地面观测数据。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个观测仪器包括：
单站多尺度观测时使用的一台蒸渗仪、涡动相关仪、闪烁仪、宇宙射线土壤水分测量仪、土壤温湿度无线传感器网络、叶面积指数无线传感器网络、自动气象站/气象要素梯度观测系统；
通量观测矩阵观测时使用的多套涡动相关仪、多组闪烁仪、多套自动气象站和土壤温湿度无线传感器网络、叶面积指数无线传感器网络以及气象要素梯度观测系统、风温廓线仪与GPS探空系统。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
将所有的观测仪器进行分类；
选择相对均匀的下垫面，对分类后的同类仪器进行比对，并标定。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
针对单站多尺度观测方式，确定观测区域的主风方向、研究对象；
根据所述主风方向、研究对象，将闪烁仪架设在受毗邻生态系统干扰最小的地点，且闪烁仪的光径路线呈南北向，并垂直于观测区域的主风方向；
在闪烁仪的路径中间安装蒸渗仪、涡动相关仪、自动气象站/气象要素梯度观测系统和宇宙射线土壤水分仪；
蒸渗仪内种植研究对象的植被；涡动相关仪朝向主风方向，安装高度在地表或植被冠层上方1.5m及以上位置；
自动气象站配备用于测量风温湿压、降水、辐射、土壤热通量和土壤温湿度廓...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐自为，刘绍民，徐同仁，朱忠礼，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京;11