组合法测定地表热通量的误差分析与改进
发布时间：2018-02-13 19:27
本文关键词： 地表热通量 土壤热通量 组合法 通量板 梯度法 热特性模型 热脉冲技术 出处：《中国农业大学》2017年博士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：地表热通量是耦合大气和土壤间能量传输过程的重要参数,是地表能量平衡中不可忽略的重要分量。地表热通量通常利用组合法测定:使用通量板法或梯度法测定地表下一定深度的土壤热通量,结合上伏土层热储量,计算地表热通量。在理论上,通量板法容易产生测定误差,但极少有研究进行误差定量化分析;测定者常忽略梯度法土壤热导率参数的时间变异性,也会造成较大误差;土壤热导率模型有潜力用于监测热导率动态变化,进而结合梯度法测定土壤热通量,但田间条件下实际测定表现和主要误差来源有待评价和分析;目前应用组合法需要分别在室内和田间测定多项参数,过程繁琐,费时费力,限制了组合法的田间应用。有研究表明,土壤和地表热通量测定误差和不确定性已成为地表能量平衡等相关研究的主要误差源之一。针对这些问题,本研究结合室内实验和田间测试,定量化分析通量板法和基于热导率模型的梯度法主要测定误差,探索校正误差的有效方法。此外,基于多针热脉冲传感器,实现对组合法应用方面的简化。主要研究结论如下:第一,对通量板法的室内和田间测试结果表明,热流偏斜是通量板主要测定误差来源。在田间近地表土层,土壤热导率数值相对较大且变异性强,而通量板热导率通常较小且为定值,两者热导率差异很大,造成显著的热流偏斜误差,是导致常规型号通量板低估2-10 cm深度土壤热通量(误差达4.3-30.9 W m~(-2))的主要原因。使用Philip(1961)校正方法使误差减小至3.3~(-2)0.8 W m~(-2),校正效果有限,通量板参数取值不准确是主要限制因素;使用室内实测通量板参数代替厂商给定值,误差减小至3.2-8.2W m~(-2),校正效果得以改进。HFP01SC型自校正通量板在较深土层(6-10 cm深度)有效排除了热流偏斜的干扰(测定误差仅2.3-6.4 W m~(-2));在近地表区域(2 cm深度),由于其尺寸较大(直径8cm),阻碍了近地表土壤水分传输和耦合的热流运动,导致通量板周围土壤温度场和热流场被扰动,造成通量板高估土壤热通量达17.3 W m~(-2)。另外,自校正加热过程中释放热量严重干扰了通量板电压信号,导致测定误差高达150 W m~(-2)。为利用自校正通量板获取准确的土壤热通量数据,建议选择在6 cm甚至更深土层进行埋设和测定,同时舍弃加热过程中和加热后短时间内(5-10 min)采集的电压信号。第二,土壤热导率在近地表区域时间变异性强,取热导率为固定值导致梯度法测定土壤热通量的误差高达16.9-43.6Wm~(-2)。田间测试结果表明,热导率模型(Lu等,2014)可用于准确监测土壤热导率动态(误差为0.05-0.08 Wm-1℃-1),并结合梯度法获取了可靠的土壤热通量信息(误差8W m~(-2))。大多数田间定位实验提供土壤含水量、容重和质地等模型输入参数,为模型应用提供了条件。误差分析结果表明,由于忽略0-5 cm 土层容重动态变化(25 d内增大0.12 g cm-3),模型和梯度法在近地表2cm测定误差(分别为0.08 W m-1℃-1和7.6 W m~(-2))大于深层土壤(6-10 cm)误差。使用动态容重代替固定容重,模型和梯度法测定误差分别减小38%和22%,测定表现得到有效改进。此外,忽略小时尺度上土壤含水量的动态变化也容易限制模型和梯度法准确性,在本研究中一次降雨前后导致土壤热通量被低估6 W m~(-2)(累积低估0.54MJ m~(-2))。在近地表土壤干湿交替过程中,建议使用田间原位监测技术(如TDR技术)充分捕捉含水量在短时间尺度上的动态变化,提高模型和梯度法结果准确性。运用热导率模型时,测定者常使用砂粒含量代替石英含量,对热导率模拟和热通量测定带来较大不确定性。建议使用单点校正方法排除这一潜在误差的影响。第三,基于组合法原理,提出了一种利用多针热脉冲传感器田间条件下动态监测地表热通量的新方法。检验数据表明,多针热脉冲传感器测定值与独立方法结果高度一致(差异5Wm~(-2)),且具有同时、原位、动态监测土壤热通量、热储量和地表热通量的优势。通过将探针使用量由11根减至5根,在保证地表热通量测定结果准确性的同时,可进一步减少数据采集量,简化测定过程。忽略热储量是组合法测定地表热通量最大的误差来源,在本研究5d测试期内导致低估地表热通量32.3 Wm~(-2)(累积低估2.6 MJ m~(-2)),且造成相位严重滞后(2h)。另外,为减小重复测定潜热通量的可能性,建议选择≥ 50 mm深度测定土壤热通量。本研究定量分析了组合法主要测定误差和误差范围,明确了现有误差校正方法的主要限制因素和改进对策,提出了多项减小测定误差的建议和措施,并利用新型热脉冲传感器简化了组合法的应用,研究结果为准确测定土壤和地表热通量提供了科学指导和参考,有助于推进农、林、气象等多个学科相关研究的顺利进行。
[Abstract]:The surface heat flux is an important parameter of coupling between atmosphere and soil energy transfer process, is an important component of the surface energy balance can not be ignored. Usually use a combination of surface heat flux determination: soil heat flux depth using flux plate method or gradient method for the determination of the ground, the combination of underlying soil heat storage, calculation of surface heat flux. In theory, flux plate method prone to measurement error, but few studies have quantified analysis error; Determination of people often ignore the time variation of gradient method of soil thermal conductivity parameters, will cause greater error; the soil thermal conductivity model has the potential for monitoring the dynamic changes of thermal conductivity, and the determination of soil heat flux combined with the gradient method, but the actual measured performance under field conditions and main error sources to evaluation and analysis; application of combined method needs multiple parameters determined in the laboratory and field at present, the process of Tedious, time-consuming, field application limits the combination method. Studies have shown that soil and surface heat flux measurement error and uncertainty has become one of the main sources of error of the surface energy balance and so on. To solve these problems, this study combined with laboratory experiment and field test, the quantitative analysis of flux plate method and gradient method thermal conductivity model based on effective measurement error, a method of error correction is explored. In addition, the multi needle heat pulse sensor based on the simplified application of combination method. The main conclusions are as follows: first, the laboratory and field test results of flux plate method shows that the heat flux plate deflection is main determination error sources. The near surface soil layer, soil thermal conductivity is relatively high and strong variability, and flux plate thermal conductivity is usually small and constant, the thermal conductivity differences, resulting in significant partial heat flux 鏂滆宸，
本文编号：1508923
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