地表显热通量和潜热通量的观测与应用微波闪烁仪

– 光学闪烁仪对于由于温度变化引起的闪烁较为敏感，通常用于测
量感热通量，常见波长为850 nm， 880 nm，940nm。 – 微波闪烁仪：Microwave scintillometer (MWS)，其发射波长在毫米 级的微波波束。 – 微波闪烁仪对于由于温度和湿度变化引起的闪烁较为敏感，通常
配合LAS组成双波长系统，同时测量同一路径下的感热通量和潜热
通量，这种方法叫做“双波长法”（Two-Wavelength Method）。
大孔径闪烁仪
• 大孔径闪烁仪（Large Aperture Scintillometer，LAS）可直接 测量均匀或非均匀下垫面的显热通量值，从而连续获取非均匀 下垫面上的大尺度的地表水热通量，实现传统地面通量的尺度 扩展与遥感监测通量的地面验证。 荷兰 公司
地表显热通量和潜热通量的观测
大孔径闪烁仪- LAS MK II 微波闪烁仪 - RPG‐MWSC‐160
研究目的
• 大气折射率和边界层热通量是研究 边界层湍流特征的重要指标。 • 观测感热通量H和蒸散（潜热通量
LVE）对于多项研究有重要作用
– 灌溉 – 水资源管理 – 水文 – 森林火灾预警 – 天气预报 – 能量收支平衡研究
闪烁仪类型
• 根据闪烁仪光学孔径的不同，闪烁仪通常被分成三类：
–小孔径闪烁仪：Small Aperture Scintillometer (SAS)，其孔径 为2.5 mm，发射波长为670nm，光径长度为50-300m；
–大孔径闪烁仪：Large Aperture Scintillometer (LAS)，其孔径
计算方法
LAS计算方法 – 折射率结构常数
• 计算空气折射率结构常数Cn2
• 其中σ2ln(ILAS)是由闪烁仪直接测量的光强波动的自然对数的
方差
• D是闪烁仪孔径大小，L是光路长度
折射率结构常数
• 晴天条件下，Cn2日变化趋势。 • Cn2在早上6点和傍晚18点附近急剧变化。日出时，大气
由稳定层结变为不稳定层结，而日落时，则正好相反。
•
相比于传统单点式测量方法，闪烁仪测量范围通常为几百米到几千米范围， 因此使得区域性通量监测成为可能。且其尺度与大气模式的网格尺度、地表 通量遥感估算模型或陆面过程模型、水文模型等像元或网格尺度，以及卫星
遥感的像元尺度相匹配，是模型和卫星验证的最佳地面通量观测仪器。
原理介绍
闪烁
• 夏季炎热的午后，我们站在柏
为15cm发射波长为880-940nm，光径长度约为500-5000m；
–超大孔径闪烁仪：Extra Large Aperture Scintillometer (XLAS)，
其孔径为32cm，发射波长为880nm，光径长度可达10km。
闪烁仪类型
• 根据发射仪波长的不同，闪烁仪通常被分成两类：
– 光学闪烁仪（大孔径闪烁仪）：Large Aperture Scintillometer (LAS)， 其发射波长在近红外波束。
双波长闪烁仪OMS系统
双波长闪烁仪OMS系统：Optical-Microwave Scintillometer
荷兰Kipp & Zonen公司 光学大孔径闪烁仪 LAS MK II 波长：850 nm 口径：15 cm
德国RPG公司 微波闪烁仪 RPG MWSC 160 波长：1.86 mm（f=160.8 GHz ） 口径：30 cm
油马路上，常常能看到眼前出
现波动、闪烁的热浪，透过热 气，我们看到的物体也好像变
得模糊和晃动一般，这便是闪
烁的一个实例。
• 闪烁：即光强度的波动。一束光在大气中传播，由于空气密度变化，
空气折射率改变，光信号被削弱。
闪烁仪基本原理
• 闪烁仪测量的即是光强度的波动。发射仪和接收仪相隔一定的距离（几百米 到几千米）分开放置，距地面有一定的高度（几米到几十米），测量光程路 径上的信号闪烁。
地表热通量的测量方法
• 传统的观测方法主要有涡动相关方法、波文比—能量平衡方法和空气动力学
方法，通常仅是单点或斑块尺度；
•
自上世纪70年代以来，伴随遥感技术的发展，闪烁仪 (Scintillometer) 开始广ຫໍສະໝຸດ Baidu
泛应用于不同地表环境热通量观测，测量大尺度范围、（非）均匀下垫面条
件地表平均感热通量、潜热通量，而不受流场畸变的影响；
(引用：scintillation method及刘绍民，大孔径闪烁仪（LAS）通量的观测与应用)
计算方法 – 温度结构常数
• LAS使用的近红外波段主要对温度引起的波动敏感，因此通常将Cn2公 式简写为：
• 其中β项为波文比项，除非地表湿润，否则这一项可设为常数或者直
接忽略不计.β大于3可以忽略不计，β小于0.5影响较大
来源：LAS MKII Manual
计算方法 – 折射率结构常数
• 光波的闪烁主要是由于空气中温度、湿度和压力的变化引
起的，其中压力引起的扰动通常较小忽略不计，因此空气 折射率结构常数可表达为温度和湿度的共同影响，即：
• 其中CT2，Cq2和CTq 分别是温度结构参数和湿度结构参数， 以及两者的共变项。AT、Aq是波长以及气温、绝对湿度和 气压的函数，表征了右边各项对Cn2的相对贡献量。
由温度ΔT 、湿度Δq 、压力ΔP变化引起的扰动
(图片引用Harald Czekala, ISARS-2014, Auckland)
闪烁仪基本原理
• 发射仪发射一定（近红外、微波等）波长的波束，在大气
中传播。接收仪接收受到光程路径上温度、湿度和气压波 动影响的光信号，并用折射系数结构参数（Cn2）表示。 • Cn2表征了大气的湍流强度，而大气的湍流强度决定了输 送热量、水汽等标量的能力。 • 计算出空气折射系数结构参数（Cn2），再根据相似理论 计算出显热通量和潜热通量（直接计算或间接计算）。
光学大孔径闪烁仪：LAS MK II
波长：850 nm 口径：15 cm
双波长闪烁仪OMS系统
• 发射/接收系统
• 发射器：连续脉冲信号 • 接收器：观测信号波动
• 两种闪烁仪联合观测
• 两个波动的闪烁信号 • 直接计算显热和潜热通量
Optical-Microwave-Scintillometer 双波长闪烁仪系统