ZZLAS型閃爍儀信號(hào)飽和界限的確定*

張 功，張勁松**，施生錦，孟 平，黃彬香，鄭 寧，李彥磊，才其驤

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ZZLAS型閃爍儀信號(hào)飽和界限的確定*

張 功1,2，張勁松1,2**，施生錦3**，孟 平1,2，黃彬香3，鄭 寧1,2，李彥磊3，才其驤3

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100093）

閃爍儀能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)量區(qū)域尺度水熱通量，中國(guó)產(chǎn)ZZLAS型閃爍儀因測(cè)量準(zhǔn)確、操作方便、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用前景。為進(jìn)一步提高ZZLAS型閃爍儀的測(cè)量精度，推廣其在水熱通量等研究領(lǐng)域的應(yīng)用，本文于2014年8-9月，以BLS900為參考標(biāo)準(zhǔn)，分別選擇孔徑為0.15m和0.075m的ZZLAS型閃爍儀，在平坦均勻的草原下墊面進(jìn)行信號(hào)飽和測(cè)定，確定ZZLAS型閃爍儀的飽和界限；并于2014年9-10月，用孔徑為0.15m和0.075m的ZZLAS型閃爍儀在復(fù)雜的農(nóng)田下墊面對(duì)飽和界限進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，ZZLAS型閃爍儀的強(qiáng)飽和界限為0.359，弱飽和界限為0.099。驗(yàn)證結(jié)果顯示，在上述飽和界限條件下，孔徑為0.075m的ZZLAS型閃爍儀飽和率最大，為24.58%。實(shí)驗(yàn)所得的飽和界限可成為ZZLAS型閃爍儀飽和判斷的參考，且在此飽和界限條件下，ZZLAS型閃爍儀發(fā)生的飽和現(xiàn)象多屬弱飽和現(xiàn)象，可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行修正。

顯熱通量；蒸散；區(qū)域尺度；湍流強(qiáng)度

地表水熱通量，特別是蒸散潛熱[1-2]的觀測(cè)一直是農(nóng)林、生態(tài)、水文、氣象等領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容。雖然波文比-能量平衡法（Bowen Ratio Energy Balance，BREB）、渦動(dòng)相關(guān)法（Eddy Covariance，EC）以及氣象參數(shù)估算[3-4]等方法已在實(shí)際研究中廣泛應(yīng)用，但此類觀測(cè)方法的空間代表性僅幾十至幾百米，根據(jù)單獨(dú)站點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果來(lái)推算區(qū)域尺度上的通量存在較大誤差[5]，而基于光傳輸理論發(fā)展起來(lái)的閃爍儀方法為這些問(wèn)題的解決帶來(lái)了希望。

閃爍儀在實(shí)際應(yīng)用中，除了受天氣條件如結(jié)露、降水、低能見(jiàn)度等的影響[9-10]，也受到方法的限制，如信號(hào)飽和[12-13]。信號(hào)飽和是指強(qiáng)湍流時(shí)，閃爍儀接收的信號(hào)強(qiáng)度自然對(duì)數(shù)方差（）與的線性關(guān)系達(dá)到閾值并偏離正常值范圍，甚至減小的現(xiàn)象。有學(xué)者[14-15]認(rèn)為，閃爍儀孔徑越小，光路徑越長(zhǎng)，安裝高度越低，越容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。研究表明[16]，閃爍儀的觀測(cè)誤差隨信號(hào)強(qiáng)度的降低而增大，并根據(jù)Ochs提出的飽和界限0.193L-8/3λ1/3D5/3進(jìn)行判斷并剔除數(shù)據(jù)[7-8,13-15]，其中，D為閃爍儀孔徑（m）；L為閃爍儀接收端與發(fā)射端的距離（m）；λ為閃爍儀的波長(zhǎng)（m）。國(guó)內(nèi)學(xué)者也將Ochs提出的飽和界限作為ZZLAS型閃爍儀飽和判斷的依據(jù)[9-11]。也有研究表明[12]，閃爍儀的飽和界限為0.074L-8/3λ1/3D5/3，且部分飽和數(shù)據(jù)（其中的弱飽和數(shù)據(jù)）可以進(jìn)行修正[13]。在應(yīng)用ZZLAS型閃爍儀時(shí)，如果僅按0.193L-8/3λ1/3D5/3進(jìn)行飽和數(shù)據(jù)篩選并剔除，可能會(huì)減弱ZZLAS型閃爍儀的數(shù)據(jù)質(zhì)量，引起測(cè)量誤差。因此，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定ZZLAS型閃爍儀的強(qiáng)飽和界限和弱飽和界限，旨在從最大程度上提高ZZLAS型閃爍儀的數(shù)據(jù)質(zhì)量，使其測(cè)算的水熱通量更準(zhǔn)確，以期為深入研究能量平衡、水分平衡在氣候變化研究中提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)為科學(xué)解決水資源短缺[5,17]、改善各種尺度氣象預(yù)報(bào)[6]、污染擴(kuò)散等實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)概況

以北京師范大學(xué)和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)小氣候與儀器實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制的ZZLAS型閃爍儀為研究對(duì)象，選擇同時(shí)期生產(chǎn)、孔徑為0.075m（記為ZZLAS1）和0.15m（記為ZZLAS）兩套閃爍儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分三部分：（1）為減小系統(tǒng)誤差，2014年8月在沽源國(guó)家野外實(shí)驗(yàn)站，以BLS900（德國(guó)）為參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)兩套閃爍儀（ZZLAS1和ZZLAS）進(jìn)行標(biāo)定。（2）2014年8-9月，在沽源實(shí)驗(yàn)站布設(shè)BLS900、ZZLAS1和ZZLAS三套儀器，對(duì)ZZLAS1和ZZLAS進(jìn)行不同飽和程度觀測(cè)，通過(guò)比值法和擬合方法確定ZZLAS型閃爍儀的飽和界限值。（3）2014年9-10月，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站的農(nóng)田布設(shè)ZZLAS1和ZZLAS，利用沽源實(shí)驗(yàn)得出的飽和界限與常用的0.193L-8/3λ1/3D5/3界限對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行飽和率分析，以此判斷得到的飽和界限能否準(zhǔn)確反映出ZZLAS的飽和現(xiàn)象。

ZZLAS型閃爍儀的正常工作電壓為1.5 V，結(jié)合其信號(hào)輸出情況[18]，剔除信號(hào)值Demod小于-5mV的信號(hào)，并剔除信號(hào)缺失時(shí)刻數(shù)據(jù)。根據(jù)自動(dòng)氣象站的記錄，剔除降雨時(shí)刻以及相對(duì)濕度大于90%的數(shù)據(jù)[19]。經(jīng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后，沽源實(shí)驗(yàn)有效數(shù)據(jù)樣本量N=4359，上莊實(shí)驗(yàn)有效數(shù)據(jù)樣本量N=3127。

1.2 沽源站實(shí)驗(yàn)設(shè)置

沽源縣草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外實(shí)驗(yàn)站位于河北省張家口市沽源縣，海拔1460m，處于典型草原、隱域性低濕草甸草原向半農(nóng)半牧生態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡的區(qū)段，屬溫帶大陸性草原氣候，年降水量426mm，蒸發(fā)量大。該地區(qū)以干旱為主，風(fēng)沙大。研究區(qū)域植被以牧草為主。

實(shí)驗(yàn)于2014年8月28日-9月16日進(jìn)行，選擇沽源站東邊的草場(chǎng)，南北長(zhǎng)724 m，東西長(zhǎng)150m。實(shí)驗(yàn)期間氣溫較低，蒸發(fā)量大，降雨頻繁，并有結(jié)露霜凍天氣；草茬平均高度10cm，地面平坦，儀器架設(shè)高度即可當(dāng)作有效高度。為減少太陽(yáng)光直射影響，閃爍儀安裝呈東南-西北方向。為避免信號(hào)交叉影響，相鄰兩套閃爍儀采取發(fā)射端與接收端相鄰的交叉安裝方式，即ZZLAS1的接收端與ZZLAS的發(fā)射端相鄰，儀器布置方案如圖1所示，詳細(xì)信息如表1所示。其中，BLS900采樣頻率為1Hz，存儲(chǔ)頻率為每分鐘1次；ZZLAS型閃爍儀采樣頻率為1Hz，存儲(chǔ)頻率為每分鐘1次；自動(dòng)氣象站主要用于觀測(cè)實(shí)驗(yàn)期間的降雨量以及濕度數(shù)據(jù)，采樣頻率為1Hz，存儲(chǔ)頻率為每10min 一次。

注：T代表發(fā)射端，R代表接收端。ZZLAS表示孔徑為0.15m，ZZLAS1表示孔徑為0.075m。下同

Note: T marks transmitter, and R marks receiver. ZZLAS donates scintillometer with 0.15m aperture, while ZZLAS1 donates with 0.075m aperture. The same as below

表1 沽源站實(shí)驗(yàn)儀器安裝信息

Note：AWS is short for automatic weather station.

1.3 上莊站實(shí)驗(yàn)設(shè)置

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站位于北京市海淀區(qū)上莊鎮(zhèn)辛力屯村東，實(shí)驗(yàn)期間主要種植玉米、棉花等作物。下墊面植物長(zhǎng)勢(shì)茂盛，植株高度不一，降水少，蒸發(fā)量小，人為活動(dòng)影響大。

實(shí)驗(yàn)于2014年9月21日-10月6日進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示。儀器均安裝在4m高的鐵塔上，用GPS沿光路徑測(cè)量距離發(fā)射端不同距離處的植被高度，根據(jù)路徑權(quán)重函數(shù)計(jì)算得出閃爍儀光徑的有效高度為1.72m，光路長(zhǎng)846m。閃爍儀安裝方式與沽源實(shí)驗(yàn)相同，兩套閃爍儀的中心間距為1.15m。路徑中間偏東北的位置設(shè)有自動(dòng)氣象站，實(shí)驗(yàn)期間主要參考其降水量數(shù)據(jù)以及濕度數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 信號(hào)飽和界限的理論分析與算法確定

2.1.1 理論分析

閃爍儀包括發(fā)射端和接收端兩部分。接收端接收發(fā)射端發(fā)出固定波長(zhǎng)（通常為880nm）的光束信號(hào)，根據(jù)其信號(hào)強(qiáng)度（I）的波動(dòng)計(jì)算其自然對(duì)數(shù)方差（），在弱湍流條件下，與存在固定的線性關(guān)系,即[20-22]

式中，D為閃爍儀的孔徑（m）；L為發(fā)射端與接收端距離（m）。

當(dāng)發(fā)展到“強(qiáng)弱”湍流階段時(shí)，此線性關(guān)系出現(xiàn)輕微變化，通過(guò)修正處理后仍滿足式（1），此稱為弱飽和界限；在強(qiáng)湍流狀態(tài)時(shí)，一階散射理論不成立，二者的線性關(guān)系消失，所測(cè)數(shù)據(jù)均不可用，稱為強(qiáng)飽和界限。

1978年Wang等[20]推導(dǎo)出了閃爍儀發(fā)生飽和現(xiàn)象的條件，即

（3）

（4）

式中，A為飽和發(fā)生的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。本研究主要通過(guò)確定A值來(lái)判斷ZZLAS型閃爍儀的飽和發(fā)生條件。

2.1.2 處理方法

閃爍儀的飽和現(xiàn)象主要受到孔徑尺寸D和距離L的影響。L越大，D越小，其觀測(cè)到的湍流數(shù)量越多，飽和現(xiàn)象越容易發(fā)生[13,20,23]。因此，本實(shí)驗(yàn)所選ZZLAS型閃爍儀具有固定的孔徑尺寸，調(diào)節(jié)安裝距離與高度確保ZZLAS1具有明顯的飽和現(xiàn)象。

（1）比值法

在本實(shí)驗(yàn)中儀器布置條件下，ZZLAS1比ZZLAS具有更加明顯的飽和趨勢(shì)。ZZLAS1未發(fā)生飽和現(xiàn)象時(shí)，ZZLAS測(cè)量的與ZZLAS1測(cè)量的比值小于1；而當(dāng)ZZLAS1發(fā)生飽和現(xiàn)象時(shí)，比值則會(huì)大于1，由此確定是否發(fā)生飽和現(xiàn)象。

（2）擬合法

未發(fā)生飽和現(xiàn)象時(shí)，實(shí)驗(yàn)中各閃爍儀所測(cè)數(shù)據(jù)相互之間均符合固定的線性關(guān)系；發(fā)生飽和現(xiàn)象時(shí)閃爍儀的測(cè)量值與未發(fā)生飽和現(xiàn)象測(cè)量值更符合多項(xiàng)式關(guān)系。因此，研究中保證ZZLAS1發(fā)生明顯飽和現(xiàn)象，同時(shí)保證ZZLAS和BLS900無(wú)明顯飽和現(xiàn)象，便可通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)擬合函數(shù)的交點(diǎn)來(lái)確定飽和發(fā)生界限。線性擬合函數(shù)與多項(xiàng)式擬合函數(shù)交點(diǎn)以下可看作未飽和數(shù)據(jù)，交點(diǎn)以上為飽和數(shù)據(jù)。

2.2 ZZLAS型閃爍儀信號(hào)飽和界限的確定

2.2.1儀器的標(biāo)定

為減小系統(tǒng)誤差，以BLS900為標(biāo)準(zhǔn)，在沽源實(shí)驗(yàn)站對(duì)兩套ZZLAS型閃爍儀進(jìn)行標(biāo)定。儀器布設(shè)與圖1相同，光路長(zhǎng)度平均為200m，安裝高度平均為1.5m。實(shí)驗(yàn)前期用兩套ZZLAS與BLS900同步觀測(cè)，分別與BLS900數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，方程的斜率即為標(biāo)定系數(shù)，如圖3所示，其中ZZLAS的標(biāo)定系數(shù)為0.573，ZZLAS1的標(biāo)定系數(shù)為0.757。

圖4為ZZLAS1和ZZLAS兩套閃爍儀標(biāo)定前后的對(duì)比。從圖可以看出，標(biāo)定前，兩套閃爍儀線性擬合的斜率為0.864，標(biāo)定后線性擬合的斜率變?yōu)?.962，數(shù)據(jù)擬合的R2稍有提高，兩套閃爍儀的系統(tǒng)誤差減至3.8%。根據(jù)Kleissl等研究結(jié)果[13,24]，荷蘭Kipp&Zonen公司同型號(hào)閃爍儀觀測(cè)感熱通量之間的斜率差異為6%，德國(guó)Scintec公司同型號(hào)閃爍儀觀測(cè)感熱通量之間的斜率差異為3%左右。因而認(rèn)為，本實(shí)驗(yàn)誤差在可接受范圍內(nèi)，符合觀測(cè)要求。由于實(shí)驗(yàn)中選擇的兩套閃爍儀具有孔徑差異（孔徑分別為0.075m和0.15m），標(biāo)定前的一致性為13.6%左右（圖4a），將沽源實(shí)驗(yàn)站觀測(cè)的ZZLAS和ZZLAS1數(shù)據(jù)均乘以圖3中的標(biāo)定系數(shù)后，一致性提高顯著（圖4b）。

2.2.2 不同方法計(jì)算飽和界限

（1）比值法

圖5是根據(jù)ZZLAS和ZZLAS1在沽源站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比值法處理的結(jié)果。由圖可見(jiàn)，圖中所示沽源實(shí)驗(yàn)的飽和界限為0.099，比Ochs提出的0.193飽和界限更小。后者是目前判斷閃爍儀飽和現(xiàn)象的普遍方法，其更多是從理論層面對(duì)湍流尺度進(jìn)行分析得出的結(jié)果，忽略了實(shí)際測(cè)量時(shí)多因子的綜合效應(yīng)，如水汽吸收效應(yīng)[9-10]、信號(hào)強(qiáng)度減弱[13]等。

注：縱坐標(biāo)是ZZLAS測(cè)得與ZZLAS1測(cè)得的比值；橫坐標(biāo)為系數(shù)A，是ZZLAS1測(cè)量的與D5/3λ1/3L-8/3比值運(yùn)算后的結(jié)果。曲線與y=1線的交點(diǎn)即為“飽和”的位置，高于1的部分表示已經(jīng)出現(xiàn)“飽和”現(xiàn)象。本研究需要確定位于“飽和”位置時(shí)的系數(shù)A

Note:y-axis is the ratio ofmeasured by ZZLAS and ZZLAS1 while the ratio ofmeasured by ZZLAS1 and D5/3λ1/3L-8/3which expressed as coefficients A were used for the x-axis. Intersection of the curve and y=1 means the position of “saturation” and over 1 indicates saturated. This study needs to determine the coefficient A which located at the “saturation” position

（2）擬合法

比值運(yùn)算得到的飽和界限屬弱飽和界限，無(wú)法確定強(qiáng)飽和界限，而擬合法可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，且擬合法得出的弱飽和界限也可與比值法的結(jié)果相互驗(yàn)證。

圖6是根據(jù)沽源實(shí)驗(yàn)中ZZLAS、ZZLAS1以及BLS900三套閃爍儀的測(cè)量結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的前提條件下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合和多項(xiàng)式擬合得出的結(jié)果。從圖可知，ZZLAS測(cè)量的與BLS900測(cè)量的擬合度R2為0.891，斜率為1.462。而ZZLAS1測(cè)量的與BLS900的結(jié)果在線性擬合時(shí)，斜率為1.605，擬合度R2僅為0.785；進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合時(shí)，ZZLAS1測(cè)量結(jié)果與BLS900的測(cè)量結(jié)果擬合度R2為0.903。因此，三次多項(xiàng)式擬合更能反映出ZZLAS1測(cè)量結(jié)果與BLS900測(cè)量結(jié)果的關(guān)系。根據(jù)圖中ZZLAS和ZZLAS1測(cè)量的與BLS900測(cè)量的測(cè)量結(jié)果擬合的多項(xiàng)式關(guān)系，計(jì)算得出其交點(diǎn)處的分別為3.93×10-13和1.67×10-12，分別對(duì)應(yīng)飽和界限點(diǎn)為0.097和0.395。其中，0.097為弱飽和界限，而0.395為強(qiáng)飽和界限。

注：表示ZZLAS測(cè)量值，表示ZZLAS1測(cè)量值，表示ZZLAS1與BLS900的線性擬合關(guān)系，表示ZZLAS1與BLS900的多項(xiàng)式擬合關(guān)系，表示ZZLAS與BLS900的線性擬合關(guān)系

Note:stands for the values of ZZLAS andstands for ZZLAS1,shows consistency between ZZLAS1 and BLS900,shows polynomial fitting between ZZLAS1 and BLS900,refers to consistency between ZZLAS and BLS900

2.3 ZZLAS型閃爍儀信號(hào)飽和界限的分析確定

Clifford等研究認(rèn)為[21]，強(qiáng)湍流下任意折射指數(shù)的譜函數(shù)都會(huì)無(wú)限趨近于定值π2/24。據(jù)此，計(jì)算ZZLAS1測(cè)量結(jié)果與BLS900測(cè)量結(jié)果擬合的多項(xiàng)式關(guān)系，得出為1.460×10-12，對(duì)應(yīng)的飽和界限為0.359，比擬合法得出的強(qiáng)飽和界限0.395在數(shù)值上更精確，且具有理論依據(jù)。閃爍儀測(cè)量出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時(shí)，達(dá)到強(qiáng)飽和的數(shù)據(jù)應(yīng)予以剔除，考慮到閃爍儀測(cè)量的正常范圍在10-14～10-13，因此，本研究更傾向于將ZZLAS型閃爍儀的強(qiáng)飽和界限定義為0.359。通過(guò)比值方法和擬合方法得出的弱飽和界限分別為0.099（標(biāo)記為GY1）和0.097（標(biāo)記為GY2）。根據(jù)強(qiáng)飽和界限（OS）、Ochs飽和界限（OH82）以及沽源實(shí)驗(yàn)得出的界限（GY1，GY2），分別計(jì)算沽源實(shí)驗(yàn)中各套閃爍儀的飽和數(shù)據(jù)情況，如表2所示。

BLS900是雙光路閃爍儀，信號(hào)強(qiáng)度大，本身具有抗飽和性能，且該系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)處理單元可以對(duì)飽和數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，因此，本實(shí)驗(yàn)將BLS900當(dāng)作理想的參考標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)中不會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。在沽源實(shí)驗(yàn)條件下，依據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的飽和界限條件，若BLS900出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，表明該飽和界限可能偏小，容易引起測(cè)量誤差。由表2可知，弱飽和界限為0.097時(shí)，沽源實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)的飽和率最大，ZZLAS1飽和率為15.84%；以0.099為弱飽和界限時(shí)，ZZLAS1的飽和率為12.36%。但0.097作為弱飽和界限時(shí)，BLS900發(fā)生了飽和現(xiàn)象，因而將0.099作為本研究得出ZZLAS型閃爍儀的弱飽和界限。

表2 不同飽和界限下沽源實(shí)驗(yàn)中各閃爍儀的觀測(cè)結(jié)果（2014-09-02-15）

2.4 結(jié)果驗(yàn)證

為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)所得ZZLAS型閃爍儀的飽和界限能否正確表征ZZLAS型閃爍儀的飽和現(xiàn)象，本研究在異質(zhì)下墊面的上莊實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行觀測(cè)驗(yàn)證。表3是根據(jù)沽源實(shí)驗(yàn)得出的飽和界限與普遍采用的Ochs界限對(duì)上莊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的飽和值以及飽和率。從表中可知，以0.099為弱飽和界限時(shí)，ZZLAS1飽和率最大為24.58%，而Ochs界限飽和率僅為11.32%。綜合表2和表3，依據(jù)強(qiáng)飽和界限時(shí)，ZZLAS在兩處實(shí)驗(yàn)均未出現(xiàn)強(qiáng)飽和情況，弱飽和現(xiàn)象在上莊實(shí)驗(yàn)中最大，飽和率為2.04%；ZZLAS1則出現(xiàn)了明顯的飽和現(xiàn)象，可能是人為活動(dòng)造成的機(jī)械擾動(dòng)使光路徑上的湍流強(qiáng)度及數(shù)量發(fā)生變化的原因[12]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ochs界限條件下ZZLAS1的飽和率約為沽源實(shí)驗(yàn)得出的飽和界限條件下飽和率的50%。

表3 2014年9月21日-10月6日上莊實(shí)驗(yàn)ZZLAS型閃爍儀觀測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）中國(guó)產(chǎn)ZZLAS型閃爍儀的強(qiáng)飽和界限為0.359，弱飽和界限為0.099。實(shí)驗(yàn)中，按此界限，ZZLAS1表現(xiàn)出更明顯的飽和現(xiàn)象，且在上莊實(shí)驗(yàn)中飽和率最大，為24.58%。所得界限能較好地表征ZZLAS型閃爍儀的飽和現(xiàn)象，建議在進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制時(shí)剔除達(dá)到強(qiáng)飽和界限的數(shù)據(jù)。

（2）中國(guó)產(chǎn)ZZLAS型閃爍儀發(fā)生飽和現(xiàn)象時(shí)，大多數(shù)飽和現(xiàn)象屬于弱飽和現(xiàn)象，可通過(guò)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行修正。本文在平坦均勻的下墊面條件下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出中國(guó)產(chǎn)ZZLAS型閃爍儀的強(qiáng)弱飽和界限，并在異質(zhì)的農(nóng)田下墊面條件下得到驗(yàn)證，能夠作為其發(fā)生飽和現(xiàn)象的判斷參考。

3.2 討論

許多關(guān)于閃爍儀飽和界限的研究[20-22]均從理論方面進(jìn)行，通過(guò)假設(shè)理想條件，計(jì)算出該假設(shè)條件下的飽和界限，容易忽略實(shí)際測(cè)量中的湍流引起的綜合效應(yīng)。Kohsiek等[12]根據(jù)Ochs的界限研究發(fā)現(xiàn)，閃爍儀發(fā)生飽和現(xiàn)象時(shí)可造成結(jié)果偏低約20%，此界限在本研究中的飽和率較小，有可能造成對(duì)中國(guó)產(chǎn)ZZLAS型閃爍儀飽和數(shù)據(jù)的低估。Kleissl等[13]在新墨西哥的干旱草原上進(jìn)行關(guān)于Kipp&Zonen公司閃爍儀飽和實(shí)驗(yàn)，得出的飽和界限為0.074，與本文研究結(jié)果相近。實(shí)際測(cè)量中，飽和現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)地區(qū)的氣象因子[9-10]以及湍流因素[12,21]有關(guān)，信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)受到水汽吸收以及大氣散射等因素的影響[12-13,22]，從而發(fā)生信號(hào)衰減，可能導(dǎo)致飽和界限產(chǎn)生差異。

本實(shí)驗(yàn)得出的ZZLAS型閃爍儀的弱飽和界限和強(qiáng)飽和界限，可作為該型號(hào)閃爍儀飽和判斷的參考，完善了國(guó)內(nèi)關(guān)于閃爍儀在飽和方面的研究。如何修正弱飽和數(shù)據(jù)，使ZZLAS型閃爍儀具有更高的數(shù)據(jù)質(zhì)量，這是飽和現(xiàn)象研究的另一重要內(nèi)容，也是下一階段的研究重點(diǎn)。

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Determination of Saturation Lines of ZZLAS-Type Scintillometer

ZHANG Gong1,2, ZHANG Jin-song1,2, SHI Sheng-jin3, MENG Ping1,2, Huang Bing-xiang3,ZHENG Ning1,2,LI Yan-lei3, CAI Qi-xiang3

（1. Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration, Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091,China;2.Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037;3.College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing, 100093）

Scintillometers were used to precisely measure heat fluxes quickly at a regional scale, and the ZZLAS-type scintillometer made in China possess a wide prospect of application in China due to its accurate measurements, convenient operation and lower price. For the purpose of improving the accuracy of ZZLAS-type scintillometer measurement and promote its application in the field of heat fluxes. This paper set BLS900 as a basement, and chose ZZLAS-type scintillometer with 0.15m and 0.075m apertures for the saturation lines observations under grassland with flat and uniform surface from August to September 2014. From September to October 2014, the ZZLAS-type scintillometers with aperture of 0.15m and 0.075m were used to test the obtained saturation lines with a complex farmland surface. The results revealed that the strong saturation line was 0.359 and the weak saturation line was 0.099. With these lines, the ZZLAS-type scintillometer with 0.075m aperture showed the highest saturation rate of 24.58%. Results showed that the obtained saturation lines could be used as a reference for the saturation judgment of the ZZLAS-type scintillometer; with the lines most saturation phenomenon of the ZZLAS-type scintillometer is slightly saturated and can be corrected through mathematical methods.

Sensible heat flux; Evapotranspiration; Regional area; Turbulence intensity

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.07.004

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2016-11-24

。E-mail：zhangjs@caf.ac.cn；shj@cau.edu.cn

國(guó)家自然基金“閃爍儀法測(cè)算森林生態(tài)系統(tǒng)顯熱通量不確定性的研究”（31500363）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)“閃爍儀法測(cè)算區(qū)域水熱通量不確定性的研究”（CAFYBB2016QB001）

張功（1989-），博士生,主要從事林業(yè)氣象、林業(yè)生態(tài)等研究。E-mail：12720484zg@sina.cn