稻田水热通量监测与模拟-答辩终稿课件.pptx

1、南京地区稻田水热通量监测与模拟 刘斌指导老师：胡继超 研究目的与意义 研究进展 研究内容 研究方法与技术路线 总结生态学意义：生态学意义：能量传输原理影响土壤-植被-大气系统能量和物质的传输转化，控制着水循环与作物生长的微气候环境，决定土壤上层气候特性，影响植物生长和产量。物质循环研究借鉴作用：物质循环研究借鉴作用：CO2、CH4等物质循环逐渐采用涡度相关方法测量，与能量有着形同的大气传输机制，相同理论假设，物质循环与能量相互耦合密切联系，水热通量监测对其他物质循环具有借鉴作用。全球气候变化：全球气候变化：几乎所有地气交换模式都基于能量平衡，并以能量传递作为纽带联系大气-陆面-土壤。水热能量平

2、衡研究促进了解全球气候变化。1.11.1研究研究目的与意义目的与意义1.21.2研究进展研究进展名称名称时间时间实验地区实验地区研究内容研究内容GEWEX1979年开始波罗的海、南北美、亚马逊东部、澳大利亚等地区预测能量及水量BALTEX1994-1996年;1997-2000年波罗地海域水热与环境相互影响BOREAS1991-1995年加拿大北部森林生物气象、遥感资料在模式中应用FIFE1987-1989年1990-1993年美国喀纳斯水碳循环、遥感GAME1996西伯利亚、青藏高原、淮河流域、南海亚洲季风在全球能量水分循环的作用GAPP1995年开始密西西比河河谷、美国中部等大陆水热时空变

3、化LBA1996-2003年亚马逊河流域水热循环、土地覆盖、遥感MAGS1996-2005年加拿大北部寒带水热循环、大气和水文耦合等HAPEX1986法国水热交换HEIFE1988年1990-1992年1994-1995年中国西北部干旱地区水热交换、区域水文IMGRASS1997-1998年内蒙古草原地气相互作用表1 国内外通量研究试验2.1 2.1 研究研究内容内容研究内容研究内容方法方法1稻田通量监测方法比较稻田通量监测方法比较潜热、显热、水面热通量不同方法数据对比2涡度相关测量稻田通量适用性涡度相关测量稻田通量适用性及数据修正及数据修正源区贡献率修正、能量平衡修正3通量误差分析通量误差分

4、析PM模型微分误差分析、数据对比分析、源区贡献分析4水层对稻田能量分配影响水层对稻田能量分配影响回归分析、典型日变化、双源模型模拟表2 研究内容及方法2.2 2.2 研究研究方法与技术路线方法与技术路线2.2.1试验试验观测方法观测方法观测观测内容内容仪器仪器生育期生育期株高、叶面积、生物量观测刻度尺、烘箱、电子称水层水层水位、水温水位计(U20 hobo USA)土壤土壤土壤表面和10cm深度土壤温湿度，热通量土壤温度传感器(107,Campbell,USA)、湿度传感器(CS616,Campbell,USA)、热通量板(HFP01,hukseflux,The Netherlands)梯度梯

5、度2、3、5m空气温湿度、风速温湿度(hmp45 Vaisala Finland)、风速传感器(010C，Met one,USA)涡度涡度涡度相关仪器（3m）三维超声风速仪(CSAT3，Campell，USA)、红外气体分析仪(Li-7500，Licor，USA)、净辐射仪(CNR4，Netherlands)对水稻生长状况、稻田水层厚度、土壤温湿度和热通量、稻田水热通量（涡度、梯度观测和蒸渗计）进行同步观测。表3 试验观测内容3 3.2.2 技术路线技术路线图1 技术路线4 4 结论结论4.1涡度数据质量及有效性分析涡度数据质量及有效性分析4.1.1 能量闭合度修正前修正前修正后修正后2013

6、年年Res36.7431.75EBC0.430.602014年年Res33.8530.29EBC0.4 0.62 4.1.2数据等级数据质量等级数据质量等级0122013年年H58.3%17.0%24.7%LE61.6%14.8%24.1%2014年年H51.6%27.3%21.1%LE52.7%25.8%21.3%表4 修正前后能量闭合度表5 数据质量等级4.1.3湍流频谱图2 湍流谱（依次为u,v,w,谱）10-410-210010210-310-210-1100101102f=nz/UnSu(n)/u*2-2/3 10-210010210-210-1100 10.50.10-20.250

7、.0670.00297-0.11-0.27-2/3斜率10-410-210010210-310-210-1100101f=nz/UnSv(n)/u*2-2/3 0.250.0670.00297-0.11-0.2710-210010210-210-1100101 10.30+0-2-2/3斜率10-410-210010210-310-210-1100101f=nz/UnSw(n)/u*2-2/3 0.250.0670.00297-0.11-0.2710-210010-1100 10.30-0.3-2-2/3斜率10010-210-1100f=nz/UnS(n)/T*2N-1/3 0.250.06

8、7-0.2710010-2100 210.30+-2-2/3斜率 1%2%7%WESTEASTSOUTHNORTH0-0.50.5-11-1.51.5-22-2.52.5-33-3.53.5-44-4.54.5-55-5.5距离(m)距离(m)-20-10010203040-25-20-15-10-5051015200.511.522.533.544.5x 10-34.1.4 足迹分析图4 风速（左）及源区足迹（右）5.2监测方法对比监测方法对比5.2.1潜热（实测法与波文比方法、梯度扩线法）-0.10.20.50.81.1-0.10.20.50.81.1蒸渗计蒸散值(mm/h)EC蒸散值(m

9、m/h)-0.10.20.50.81.1-0.10.20.50.81.1蒸渗计蒸散值(mm/h)EC蒸散值(mm/h)-0.10.20.50.81.1-0.10.20.50.81.1蒸渗计蒸散值(mm/h)EC蒸散值(mm/h)-0.10.20.50.81.1-0.10.20.50.81.1蒸渗计蒸散值(mm/h)EC蒸散值(mm/h)-0.10.20.50.81.1-0.10.20.50.81.1蒸渗计蒸散值(mm/h)EC蒸散值(mm/h)全生育期移栽-拔节期拔节-抽穗期抽穗-灌浆期成熟期蒸渗蒸渗计计-EC图5 各方法潜热对比图6 蒸渗计与EC蒸散对比-150-50501502503502

10、013/6/152013/7/52013/7/252013/8/142013/9/32013/9/232013/10/13潜热通量（mS-2）日期（天）蒸渗计ECBR(EC)BR（梯度）廓线理论5.2.2 涡度相关(源区修正)夜间修正较大夜间修正较大 相关性略有下降，RMSE降低，IOA和回归斜率提高(1)ECotherriceFluxxFluxFluxx-1000100200300400500600-1000100200300400500600原始EC测量值(W/m2)修正后EC值(W/m2)-100100300500-100100300500修正后EC值(W/m2)-10010030050

11、0-100100300500-100100300500-100100300500原始EC测量值(W/m2)修正后EC值(W/m2)-100100300500-100100300500原始EC测量值(W/m2)增加增加提升提升较大较大图7 源区修正前后潜热对比移栽-拔节拔节-抽穗抽穗-灌浆成熟5.2.2 涡度相关(能量闭合修正)提升提升夜间修正幅度较大夜间修正幅度较大y=1.35x-200-1000100200300400500600700800-200-1000100200300400500600700800能量闭合修正后EC值（W/m2）原始EC值（W/m2）RMSE 降低；IOA、回归斜率

12、提高 各时期-0.50.51.52.53.54.50:004:008:0012:0016:0020:00修正幅度时间（h）图9 修正幅度日变化图8 能量闭合修正前后对比5.3显热对比5.3.1 能量闭合修正-100-50050100150200250300350400-100-50050100150200修正后EC显热值（W/m2）EC显热值（W/m2）0.000.501.001.502.002.503.00移栽-拔节期 拔节-抽穗期 抽穗-灌浆期成熟期显热修正幅度WDN夜夜白白增大增大显热显热图10 能量闭合修正前后显热对比图11 各时期昼夜修正对比5.3.2 EC、廓线、能量平衡法移栽移栽

13、-拔节期拔节期拔节拔节-抽穗期抽穗期抽穗灌浆期抽穗灌浆期成熟期成熟期EC-BR(EC)R0.060.150.220.59RMSE24.3433.2520.2029.86IOA0.420.280.460.76EC-BR(梯度梯度)R0.530.400.500.46RMSE15.4225.8114.8135.06IOA0.630.080.470.64EC-廓线廓线R0.630.480.790.46RMSE16.4725.0517.7861.90IOA0.670.250.670.58廓线廓线-BR(梯梯度度)R0.750.770.850.59RMSE38.3146.3629.9038.05IOA0.

14、820.800.820.75廓廓线线BR(梯度梯度)BR(EC)表 6 各方法指标对比5.3.3 水面热通量（组合法、能量平衡法）-100-500501001502002503000:001:002:003:004:005:006:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:00水面热通量（W/m2）时间（h）组合法能量平衡法移栽-拔节、拔节-抽穗期两者相关性、一致性超过全生育期水面热通量=热通量板值+土壤储热+水层储热图12 组合法与能量平衡法热通量对比 6 误差分析 6.

15、1 PM模型理论分析max1515151214140140963nssanssaRQrrETGETRGQrr误差贡献率 分别占 75%、7.5%、7.5%、7.78%、2.22%020406080020406080100贡献率 (%)土壤热通量误差（%）净辐射Net radiation土壤热通量Soil heat flux储热项Storage heat表面阻力Surface resistance空气动力学阻力Aerodynamic resistance(a)0102030405060020406080100贡献率 (%)空气动力学阻力误差 (%)(d)图13 各通量误差贡献率随土壤热通量误差变

16、化图14 各通量误差贡献率随空气阻力误差变化 移栽-拔节期 拔节-抽穗期 抽穗-灌浆期成熟期储热放热储热放热储热放热储热放热10cm土层71.21-35.6640.97-19.6419.02-11.8817.20-9.51水层38.44-24.5221.41-19.125.44-5.30-6.2 土壤储热00.10.20.30.40.50.60.70.80:003:006:009:0012:0015:0018:0021:00蒸散Evaportranspiration（mm）时间Time of day(a)移栽-拔节Tran-Joint考虑水层、土壤储热Water and soil仅考虑水层储热

17、Only water仅考虑土壤储热Only soil00.20.40.60.811.20:003:006:009:0012:0015:0018:0021:00蒸散Evaportranspiration（mm）(b)拔节-抽穗Joint-Tass00.10.20.30.40.50.60.70.80:003:006:009:0012:0015:0018:0021:00蒸散Evaportranspiration（mm）时间(c)抽穗-灌浆Tass-Fill00.10.20.30.40.50.60.70.80:003:006:009:0012:0015:0018:0021:00蒸散Evaportran

18、spiration（mm）时间(d)成熟Maturing5.1.2 蒸散模拟影响 储热项考虑，白天降低，夜间增大。移栽-拔节期、拔节-抽穗期较明显。图 15 储热项对蒸散模拟的影响5.1.3 空气动力学阻力-0.025-0.015-0.0050.0050.0150:002:004:006:008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:00蒸散改变量 (mm)时间（h）移栽-拔节期Tran-Joint拔节-抽穗期Joint-Tass抽穗-灌浆期Tass-Fill成熟期Maturing78.3%14.7%5.2%1.1%0.7%49.9%40.2%4.3%4.2%1

19、.5%47.1%40.6%5.9%6.5%41.5%34.1%16.9%4.4%3.1%中 性弱 稳 定弱 不 稳 定强 稳 定强 不 稳 定移栽-拔节期拔节-抽穗期抽穗-灌浆期成熟期以中性及弱稳定性为主图16 各时期稻田稳定度分布图17 稳定度对蒸散模拟的影响5.2 5.2 源区误差分析源区误差分析5.2.1 回归分析风向风向贡献率贡献率净辐射净辐射水面热通水面热通量量叶面积指叶面积指数数水层深度水层深度100-120-0.03 0.25 0.25 0.09 0.06 120-1400.07 0.51-0.17 0.18-0.10 140-160-0.08 0.97-0.59 0.22-0.

20、16 160-180-0.06 0.61-0.04 0.17-0.06 表7 潜热误差与各因素相关性辐射强迫项、冠层结构增大误差、水层深度及贡献率降低误差5.2.2 贡献率敏感性406080100120140160-1000100200300400500与原贡献率变幅(%)潜热通量(W/m2)全天白天夜间夜间敏感性更高夜间敏感性更高(1)ECotherriceFluxxFluxFluxx图18 贡献变幅昼夜敏感性6 6 稻田能量差异稻田能量差异6.1 统计规律（1）潜热时间时间7:008:009:0010：0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019

21、:00水层厚度水层厚度0.30-0.07-0.13-0.11-0.12-0.12-0.060.030.150.08-0.010.100.01（2）显热0:004:008:0012:0016:0020:00-1-0.6-0.20.20.61时刻回归系数 净辐射 叶面积指数水深风速冠层温差水面温差 水层厚度对显热贡献逊于风速、水面温差，稍强于叶面积指数和冠层温差图19 显热与各因素的回归系数（3）水面热通量151.35 100.360.210.160.150.20.34snwsQRLAIhVWCTT165.7 100.210.080.370.130.120.45snwsQRLAIhVWCTT白天：

22、夜间：6.36.3典型典型天气天气7:00 10:0013:0016:0019:00-100-60-202060100时刻与净辐射比值(%)8cm7:00 10:0013:0016:0019:00-100-60-202060100时刻3.7cm7:00 10:0013:0016:0019:00-100-60-202060100时刻1.8cm 水层储热水面热通量潜热显热 7:00 10:0013:0016:0019:00-60-202060100时刻与净辐射比值(%)3cm7:00 10:0013:0016:0019:00-60-202060100时刻1.7cm7:00 10:0013:0016

23、:0019:00-60-202060100时刻0.4cm 水层储热 水面热通量潜热 显热（1）潜热、显热）潜热、显热冠层稀疏期冠层密集期图20 典型天气不同水层各通量白天变化6.4 6.4 地表能量分配地表能量分配7:00 10:0013:0016:0019:00-60-202060100时刻与水面净辐射比值(%)G107:00 10:0013:0016:0019:00-60-202060100时刻Sg7:00 10:0013:0016:0019:00-60-202060100时刻Sw 稀疏期8cm稀疏期3.7cm稀疏期1.8cm密集期3cm密集期1.7cm密集期0.4cm稀疏期，稀疏期，差异

24、显著差异显著图21 不同水层厚度地表能量分配6.5 6.5 模型潜热分配模型潜热分配0:004:008:00 12:00 16:00 20:00060120180240300360时刻冠层潜热(Wm-2)0:004:008:00 12:00 16:00 20:00060120180240300360时刻水面潜热(Wm-2)稀疏期 8.0cm稀疏期3.7cm稀疏期1.8cm密集期3.0cm密集期1.7cm密集期 0.4cm图22 地表能量差异对潜热影响（双源模型模拟）7 7 总结总结（1）涡度相关测量相比于蒸渗计测量存在低估低估；受稻田能量缺失影响，计算效果廓线方法廓线方法梯度波文比梯度波文比涡

25、度波文比法涡度波文比法；显热计算也有相似表现。采用组合法和能量平衡法对比水面热通量表明两者日变化趋势相近趋势相近，白天能量平衡方法较组合法高估而夜间表现为低估。（2）水层储热在移栽-拔节期水层储热作用远大于大于成熟期。各时期大气层结以近中性、弱稳定性为主，稳定度修正效果表现为降低蒸散降低蒸散。（3）测量误差受辐射强迫项较大；下垫面结构改变，主要为增大叶面积及降低水层深度也将增大增大测量误差。源外通量观测误差及足迹贡献率分析表明稻田贡献率与风向、稳定度相关，平均贡献率为63%。对涡度数据采用贡。7.1结论结论7.1 7.1 结论结论。（4）水层厚度增加增大水层储热，而从增加水面热通量；可利用能量

26、的降低改变上层潜热和显热分配，白天潜热随水层厚度增加而降白天潜热随水层厚度增加而降低低。稀疏期的能量分配差异更加明显。（5）采用双源模型模拟水面和冠层对总潜热贡献表明：水层厚度增加主要抑制水面潜热抑制水面潜热，而对冠层潜热作用稍小献率修正各项指标（除相关性）大都有更好表现。采用能量闭合修正潜热和显热有所提高提高，且显热提升幅度更大。7.2 7.2 创新点创新点。1、结合足迹分析弥补稻田贡献区小的不足以减小数据误差，加强了涡度相关方法监测稻田的数据有效性。2、采用多种方案多种方案（蒸渗计、廓线理论、能量平衡法）定量对比稻田水热通量差异，为探寻稻田通量监测简便有效方案提供参照。3、定量研究水层对稻田能量分配水层对稻田能量分配的影响，得出水层厚度变化对潜热、显热及水面热通量的作用，揭示地下能量分配的影响。7.3 7.3 问题展望问题展望对于极端天气及水稻生理变化导致的稻田能量差异需进一步探究。感谢各位老师和同学批评指正感谢各位老师和同学批评指正。