稻田水熱通量監(jiān)測與模擬-答辯終稿課件

1、南京地區(qū)稻田水熱通量監(jiān)測與模擬 劉斌指導(dǎo)老師：胡繼超研究目的與意義研究進(jìn)展研究內(nèi)容研究方法與技術(shù)路線總結(jié)生態(tài)學(xué)意義：能量傳輸原理影響土壤-植被-大氣系統(tǒng)能量和物質(zhì)的傳輸轉(zhuǎn)化，控制著水循環(huán)與作物生長的微氣候環(huán)境，決定土壤上層氣候特性，影響植物生長和產(chǎn)量。物質(zhì)循環(huán)研究借鑒作用：CO2、CH4等物質(zhì)循環(huán)逐漸采用渦度相關(guān)方法測量，與能量有著形同的大氣傳輸機(jī)制，相同理論假設(shè)，物質(zhì)循環(huán)與能量相互耦合密切聯(lián)系，水熱通量監(jiān)測對其他物質(zhì)循環(huán)具有借鑒作用。全球氣候變化：幾乎所有地氣交換模式都基于能量平衡，并以能量傳遞作為紐帶聯(lián)系大氣-陸面-土壤。水熱能量平衡研究促進(jìn)了解全球氣候變化。1.1研究目的與意義1.2研究

2、進(jìn)展名稱時間實(shí)驗(yàn)地區(qū)研究內(nèi)容GEWEX1979年開始波羅的海、南北美、亞馬遜東部、澳大利亞等地區(qū)預(yù)測能量及水量BALTEX1994-1996年;1997-2000年波羅地海域水熱與環(huán)境相互影響B(tài)OREAS1991-1995年加拿大北部森林生物氣象、遙感資料在模式中應(yīng)用FIFE1987-1989年1990-1993年美國喀納斯水碳循環(huán)、遙感GAME1996西伯利亞、青藏高原、淮河流域、南海亞洲季風(fēng)在全球能量水分循環(huán)的作用GAPP1995年開始密西西比河河谷、美國中部等大陸水熱時空變化LBA1996-2003年亞馬遜河流域水熱循環(huán)、土地覆蓋、遙感MAGS1996-2005年加拿大北部寒帶水熱循環(huán)、

3、大氣和水文耦合等HAPEX1986法國水熱交換HEIFE1988年1990-1992年1994-1995年中國西北部干旱地區(qū)水熱交換、區(qū)域水文IMGRASS1997-1998年內(nèi)蒙古草原地氣相互作用表1 國內(nèi)外通量研究試驗(yàn)2.1 研究內(nèi)容研究內(nèi)容方法1稻田通量監(jiān)測方法比較潛熱、顯熱、水面熱通量不同方法數(shù)據(jù)對比2渦度相關(guān)測量稻田通量適用性及數(shù)據(jù)修正源區(qū)貢獻(xiàn)率修正、能量平衡修正3通量誤差分析PM模型微分誤差分析、數(shù)據(jù)對比分析、源區(qū)貢獻(xiàn)分析4水層對稻田能量分配影響回歸分析、典型日變化、雙源模型模擬表2 研究內(nèi)容及方法2.2 研究方法與技術(shù)路線2.2.1試驗(yàn)觀測方法觀測內(nèi)容儀器生育期株高、葉面積、生物

4、量觀測刻度尺、烘箱、電子稱水層水位、水溫水位計(U20 hobo USA)土壤土壤表面和10cm深度土壤溫濕度，熱通量土壤溫度傳感器(107,Campbell,USA)、濕度傳感器(CS616,Campbell,USA)、熱通量板(HFP01,hukseflux,The Netherlands)梯度2、3、5m空氣溫濕度、風(fēng)速溫濕度(hmp45 Vaisala Finland)、風(fēng)速傳感器(010C，Met one,USA)渦度渦度相關(guān)儀器（3m）三維超聲風(fēng)速儀(CSAT3，Campell，USA)、紅外氣體分析儀(Li-7500，Licor，USA)、凈輻射儀(CNR4，Netherland

5、s)對水稻生長狀況、稻田水層厚度、土壤溫濕度和熱通量、稻田水熱通量（渦度、梯度觀測和蒸滲計）進(jìn)行同步觀測。表3 試驗(yàn)觀測內(nèi)容3.2 技術(shù)路線圖1 技術(shù)路線4 結(jié)論4.1渦度數(shù)據(jù)質(zhì)量及有效性分析4.1.1 能量閉合度修正前修正后2013年Res36.7431.75EBC0.430.602014年Res33.8530.29EBC0.40.624.1.2數(shù)據(jù)等級數(shù)據(jù)質(zhì)量等級0122013年H58.3%17.0%24.7%LE61.6%14.8%24.1%2014年H51.6%27.3%21.1%LE52.7%25.8%21.3%表4 修正前后能量閉合度表5 數(shù)據(jù)質(zhì)量等級4.1.3湍流頻譜圖2 湍流譜

6、（依次為u,v,w,譜） 4.1.4 足跡分析圖4 風(fēng)速（左）及源區(qū)足跡（右）5.2監(jiān)測方法對比5.2.1潛熱（實(shí)測法與波文比方法、梯度擴(kuò)線法）蒸滲計-EC低估圖5 各方法潛熱對比圖6 蒸滲計與EC蒸散對比5.2.2 渦度相關(guān)(源區(qū)修正)夜間修正較大 相關(guān)性略有下降，RMSE降低，IOA和回歸斜率提高增加提升較大圖7 源區(qū)修正前后潛熱對比移栽-拔節(jié)拔節(jié)-抽穗抽穗-灌漿成熟5.2.2 渦度相關(guān)(能量閉合修正)提升夜間修正幅度較大RMSE 降低；IOA、回歸斜率提高 各時期 圖9 修正幅度日變化圖8 能量閉合修正前后對比5.3顯熱對比5.3.1 能量閉合修正夜白增大顯熱圖10 能量閉合修正前后顯熱

7、對比圖11 各時期晝夜修正對比5.3.2 EC、廓線、能量平衡法移栽-拔節(jié)期拔節(jié)-抽穗期抽穗灌漿期成熟期EC-BR(EC)R0.060.150.220.59RMSE24.3433.2520.2029.86IOA0.420.280.460.76EC-BR(梯度)R0.530.400.500.46RMSE15.4225.8114.8135.06IOA0.630.080.470.64EC-廓線R0.630.480.790.46RMSE16.4725.0517.7861.90IOA0.670.250.670.58廓線-BR(梯度)R0.750.770.850.59RMSE38.3146.3629.90

8、38.05IOA0.820.800.820.75廓線BR(梯度)BR(EC)表 6 各方法指標(biāo)對比5.3.3 水面熱通量（組合法、能量平衡法）移栽-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗期兩者相關(guān)性、一致性超過全生育期水面熱通量=熱通量板值+土壤儲熱+水層儲熱圖12 組合法與能量平衡法熱通量對比 6 誤差分析 6.1 PM模型理論分析誤差貢獻(xiàn)率 分別占 75%、7.5%、7.5%、7.78%、2.22%(a)(d)圖13 各通量誤差貢獻(xiàn)率隨土壤熱通量誤差變化圖14 各通量誤差貢獻(xiàn)率隨空氣阻力誤差變化移栽-拔節(jié)期 拔節(jié)-抽穗期 抽穗-灌漿期成熟期儲熱放熱儲熱放熱儲熱放熱儲熱放熱10cm土層71.21-35.6640.

9、97-19.6419.02-11.8817.20-9.51水層38.44-24.5221.41-19.125.44-5.30-6.2 土壤儲熱5.1.2 蒸散模擬影響 儲熱項(xiàng)考慮，白天降低，夜間增大。 移栽-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽穗期較明顯。圖 15 儲熱項(xiàng)對蒸散模擬的影響5.1.3 空氣動力學(xué)阻力以中性及弱穩(wěn)定性為主圖16 各時期稻田穩(wěn)定度分布圖17 穩(wěn)定度對蒸散模擬的影響5.2 源區(qū)誤差分析5.2.1 回歸分析風(fēng)向貢獻(xiàn)率凈輻射水面熱通量葉面積指數(shù)水層深度100-120-0.03 0.25 0.25 0.09 0.06 120-1400.07 0.51 -0.17 0.18 -0.10 140-1

10、60-0.08 0.97 -0.59 0.22 -0.16 160-180-0.06 0.61 -0.04 0.17 -0.06 表7 潛熱誤差與各因素相關(guān)性輻射強(qiáng)迫項(xiàng)、冠層結(jié)構(gòu)增大誤差、水層深度及貢獻(xiàn)率降低誤差5.2.2 貢獻(xiàn)率敏感性夜間敏感性更高圖18 貢獻(xiàn)變幅晝夜敏感性6 稻田能量差異6.1 統(tǒng)計規(guī)律（1）潛熱時間7:008:009:0010：0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00水層厚度0.30-0.07-0.13-0.11-0.12-0.12-0.060.030.150.08-0.010.100.01（2）顯熱 水層厚度對顯熱貢

11、獻(xiàn)遜于風(fēng)速、水面溫差，稍強(qiáng)于葉面積指數(shù)和冠層溫差圖19 顯熱與各因素的回歸系數(shù)（3）水面熱通量白天：夜間：6.3典型天氣（1）潛熱、顯熱冠層稀疏期冠層密集期圖20 典型天氣不同水層各通量白天變化6.4 地表能量分配稀疏期，差異顯著圖21 不同水層厚度地表能量分配6.5 模型潛熱分配圖22 地表能量差異對潛熱影響（雙源模型模擬）7 總結(jié)（1）渦度相關(guān)測量相比于蒸滲計測量存在低估；受稻田能量缺失影響，計算效果廓線方法梯度波文比渦度波文比法；顯熱計算也有相似表現(xiàn)。采用組合法和能量平衡法對比水面熱通量表明兩者日變化趨勢相近，白天能量平衡方法較組合法高估而夜間表現(xiàn)為低估。（2）水層儲熱在移栽-拔節(jié)期水層

12、儲熱作用遠(yuǎn)大于成熟期。各時期大氣層結(jié)以近中性、弱穩(wěn)定性為主，穩(wěn)定度修正效果表現(xiàn)為降低蒸散。（3）測量誤差受輻射強(qiáng)迫項(xiàng)較大；下墊面結(jié)構(gòu)改變，主要為增大葉面積及降低水層深度也將增大測量誤差。源外通量觀測誤差及足跡貢獻(xiàn)率分析表明稻田貢獻(xiàn)率與風(fēng)向、穩(wěn)定度相關(guān)，平均貢獻(xiàn)率為63%。對渦度數(shù)據(jù)采用貢。 7.1 結(jié)論7.1 結(jié)論。 （4）水層厚度增加增大水層儲熱，而從增加水面熱通量；可利用能量的降低改變上層潛熱和顯熱分配，白天潛熱隨水層厚度增加而降低。稀疏期的能量分配差異更加明顯。（5）采用雙源模型模擬水面和冠層對總潛熱貢獻(xiàn)表明：水層厚度增加主要抑制水面潛熱，而對冠層潛熱作用稍小獻(xiàn)率修正各項(xiàng)指標(biāo)（除相關(guān)性）大都有更好表現(xiàn)。采用能量閉合修正潛熱和顯熱有所提高，且顯熱提升幅度更大。7.2 創(chuàng)新點(diǎn)。 1、結(jié)合足跡分析彌補(bǔ)稻田貢獻(xiàn)區(qū)小的不