空气动力学粗糙度的遥感方法及其在蒸散发计算中的应用研究

发布时间：2020-09-03 10:43

　　陆面与大气之间在多种时空尺度的相互作用,是气象学、生态学、水文学和全球变化等领域的研究热点。空气动力学粗糙度作为地气相互作用过程中的重要地表参数,在地表与大气间的物质与能量交换过程中扮演着重要的角色。空气动力学粗糙度被定义为中性稳定的近地面大气条件下,地表上方风速等于零的某一几何高度。它表征地表空气动力学特征,反映地表下垫面特征的差异对风速的减弱作用。然而,准确的估算空间尺度的空气动力学粗糙度一直是通量计算过程中的难点,目前关于空气动力学粗糙度的研究也难以统一和广泛适用。本文依托黑河和海河流域多年积累的气象和通量观测数据,引入多源遥感数据,通过分析、建模、应用、评价的过程,分析了不同下垫面条件下空气动力学粗糙度的影响要素及贡献率,提出了基于归一化冷热点植被指数(HDVI)的作物冠层空气动力学粗糙度估算方法,同时发现,空气动力学粗糙度计算的准确性直接影响蒸散发的估算精度,主要包括以下几个部分:(1)以风温风速廓线数据为基础,利用Monin-Obukhov相似理论计算瞬时的空气动力学粗糙度,利用相关性分析和因子分析的方法分析不同下垫面条件下空气动力学粗糙度的影响要素。结果表明,风速、风向、大气稳定度、地形和植被特征都是影响空气动力学粗糙度的因素,但不同下垫面条件下各因素对空气动力学粗糙度的作用程度不同。空气动力学粗糙度在植被生长季和非生长季均表现出和风速负相关的关系;风向对空气动力学粗糙度的影响主要取决于地形条件,在地形较平坦的地区空气动力学粗糙度不随风向发生明显变化,而在起伏地形条件下,空气动力学粗糙度在不同风向上呈现出差异性的分布规律;空气动力学粗糙度在不同大气稳定度条件下也存在明显差异,对于相同的地表粗糙元素,稳定大气条件下的空气动力学粗糙度要明显大于不稳定状态。因此,在瞬时空气动力学粗糙度模型构建的过程中,对风速、风向和大气稳定度等空气动力学因子的考虑必不可少。对影响空气动力学粗糙度的因子归类并计算因子贡献率,结果显示气象因子和地形因子是影响草地下垫面和森林下垫面z_(0m)的主要驱动因子(对草地下垫面的贡献率分别44.03%和38.33%,对森林下垫面的贡献率分别42.87%和38.66%),植被因子和气象因子是影响农田下垫面z_(0m)的主要驱动因子(贡献率分别53.14%和30.29%),因子分析的结果表明用植被指数模型来估算z_(0m)的方法仅适用于农田地表。(2)在作物生长期内,基于多时相的PROBA-V 300米每日反射率数据产品,引入半经验的BRDF核驱动模型计算归一化的冷热点指数(NDHD),再结合归一化植被指数(NDVI)提出了归一化冷热点植被指数(HDVI),利用HDVI线性表达作物冠层空气动力学粗糙度的估算方法,取得了理想的效果。相比于NDVI,对于黑河大满站春玉米、河北馆陶站冬小麦和夏玉米三种作物类型,HDVI与空气动力学粗糙度的关系更加显著(决定性系数R~2分别从0.636提高至0.772,从0.764提高至0.790,从0.630提高至0.793)。(3)通过借用并改进非线性互补相关模型,开展空气动力学粗糙度在蒸散发计算中的应用,分析空气动力学粗糙度参数在蒸散发计算中的敏感性。结果表明,空气动力学粗糙度在蒸散发计算模型中的众多输入参量中较为敏感,尤其在作物生长高峰期,空气动力学粗糙度计算的准确性直接影响蒸散发的估算精度。本文的研究提高了对空气动力学粗糙度的认知,发展成熟的、可靠的空气动力学粗糙度反演模型对地气通量计算有着深远的意义,空气动力学粗糙度的模型研究还有广泛的空间和潜力。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P407
【部分图文】：

路线图,技术框架,论文,粗糙度

引入多角度的遥感信息优化农田地表空气动力学粗糙度的估算模型，同时在计算蒸散发的非线性互补相关模型中对空气动力学粗糙度的计算结果开展应用并评价。全文总体路线图如图1-1。

空气动力学粗糙度,量级,计算风速

图 2-1 不同下垫面的空气动力学粗糙度量级分布Fig. 2-1 The distribution in z0mmagnitude of various underlying surface除了几何粗糙度和空气动力学粗糙度的概念外，在表征热量和水汽湍流传输效率过程中还经常涉及热量粗糙度（z0h）的概念，它与近地面的廓线温湿度密切相关（Kitaygorodskiy，1969），同时与空气动力学粗糙度有以下转换关系，其中为热传输阻尼（Matsushima, 2005）： h= m ¤( ) … (2.1)在非常粗糙和稠密的植被表面，计算风速对数廓线的有效参考高度需要从地面抬升至地面和植被冠层顶之间的某一高度，这些致密的粗糙元在计算风速时可近似认为将地面抬升到某一高度，这个高度称为零平面位移高度（d），为了简便计算，在实际应用中，常近似认为零平面位移高度与粗糙元平均高度的

示意图,大气边界层,示意图

图 2-2 大气边界层分层示意图Fig. 2-2 The sublayers of atmosphere boundary layer大气边界层的最下部约10%的部分称为近地层，近地层的最底部是粗糙度内的运动受个别粗糙元的影响，是不规则的。在近地层，大气受地球表面的和热力的强烈影响，地球自转对该层大气产生的科里奥利力可以略去不计。近地层内的气象变量具有较大的垂向梯度，因此近地层是物质、动量、热量最显著的场所，气象站和通量塔等长时间序列观测仪器通常位于近地层内。，从模拟陆面地表通量的角度来看待空气动力学粗糙度，近地层的相关理论重要。从流体力学的理论出发，要准确地求解流体运动控制方程是非常困难的，似理论是一种实验组织和分析检验的方法，它对所关心的变量进行量纲分析纳分类，建立无因次变量之间的经验关系。相似理论作为一种典型的零阶闭

【参考文献】