全 文 ：林业科学研究 2013，26(2) :140 144
Forest Research
文章编号:1001-1498(2013)02-0140-05
闪烁仪法测算丘陵山地人工林显热通量的
参数敏感性分析
郑 宁，孟 平* ，张劲松，尹昌君
(中国林业科学研究院林业研究所，国家林业局林木培育重点实验室，北京 100091)
收稿日期:2011-11-26
基金项目:公益性行业(气象)科研专项(GYHY200706046) ;林业科技创新平台项目(2012-LYPT-DW-004) ;林业公益性行业科研专项
(201104009-04)
作者简介:郑 宁(1981—) ，男，博士研究生，主要从事农林气象研究．
* 通讯作者:研究员，主要从事农林气象研究． E － mail:menping@ caf． ac． cn．
摘要:采用 2009 年 5 月至 9 月期间大孔径闪烁仪(LAS)每日连续观测数据，并基于 Monin － Obukhov 近地层大气相
似理论，测算了地处河南省济源市的华北丘陵山地 30 年生栓皮栎 －侧柏 －刺槐人工混交林的显热通量(H) ，分析
了 H对波文比(β)、零平面位移(d)、LAS 光线路径有效高度(ZLAS)与风速(v)、空气温度(Ta)等关键参数的敏感
性。结果表明:在本研究区域，β值在 0． 4 4． 0 范围内浮动变化时，LAS法测算得到的 H 值影响不大;ZLAS值大小
浮动 ± 20%时，H的测算值与参考值相差达 35%;d数值大小浮动 ± 50%时，H 的测算值与参考值相差仅为 1%;Ta
值大小浮动 ± 10%时，H的测算值与参考值仅为 0． 2%左右，v值大小浮动 ± 20%时，H 的测算值与参考值相差达到
了 10%左右。
关键词:大孔径闪烁仪;人工混交林;显热通量;敏感性分析
中图分类号:S718． 5 文献标识码:A
Sensitivity Analysis for Sensible Heat Flux from a Mixed Plantation Using
LAS Measurements in Hilly Zone of North China
ZHENG Ning，MENG Ping，ZHANG Jin-song，YIN Chang-jun
(Research Institute of Forestry，Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation，State Forestry Administration，
Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China)
Abstract:Based on the LAS data from May to September and MOST in the BLS，the sensible heat flux (H)of a
30-year-old mixed plantation in the hilly zone of the North China in 2009 was calculated． The sensitivity effects of
Bowen ratio (β) ，zero-plane displacement height (d) ，beam height (ZLAS) ，wind speed (v)and air temperature
(Ta)were analyzed． The results showed that under arid and semi-arid atmosphere conditions in the study area，β
was a less sensitive factor in the rang 0. 4 4. 0;when ZLAS fluctuated by 20%，the difference between estimated
value and reference value of H was 35%;when d fluctuated by 50%，the difference was 1%;when Ta fluctuated
by 10%，the difference was 0. 2%;when v fluctuated by 20%，the difference was 10% ．
Key words:large aperture scintillometer;mixed plantation ecosystem;sensible heat flux;sensitivity analysis
近地层水热通量一直是地学、大气科学、水文
学、生态学等相关学科共同关注的热点，大尺度地表
水热通量的长期观测是了解区域和全球地气作用及
气候变化的关键，由于森林是陆地生态系统的主体，
了解森林生态系统在地—气相互作用及全球气候变
化的研究中具有重要意义。目前，涡度相关法一直
被认为是一种相对标准的地面观测方法［1 － 2］，但二
者均只能提供单点或斑块尺度的测量结果，数据的
第 2 期 郑 宁等:闪烁仪法测算丘陵山地人工林显热通量的参数敏感性分析
空间代表性通常只有几十米至几百米，无法满足大
尺度水热通量观测的应用需求［3］，故属单点观测
法［4 － 6］。自 20 世纪 70 年代以来，大孔径闪烁仪
(LAS)正发展成为观测区域尺度地表水热通量的一
种有效且通用的观测设备。与传统单点观测相比，
闪烁仪的优势在于能够测量光线路径区域范围内的
水热通量和动量［7］，该方法不是简单地将观测路径
上显热通量进行单纯时间尺度的平均结合，而是结
合了空间和时间的平均湍流统计理论，这意味着
LAS法的观测结果更加接近地表的实际情况［8］，但
LAS直接观测的只是光强脉动变化值，显热通量的
计算需要根据 Monin-Obukhov 相似理论的计算参数
和气象观测数据。由于相似理论的适用条件需要地
表起伏较小，植被类型相对均匀，而实际下垫面往往
地形起伏、植被分布差异较大［9］，于是相似理论的适
用性需要进一步讨论。因此，在较复杂立地条件下，
运算参数的敏感性分析对深入了解显热通量的气象
学影响机制、检验 LAS 法测算显热通量的精度等具
有重要的科学意义。森林是陆地生态系统的主体，
大尺度森林植被水热通量的长期观测在森林生态系
统与地—气相互作用及全球气候变化的研究中具有
重要意义，但至今为止，对于 LAS 法测算显热通量
的敏感性分析研究较少［10 － 11］，且主要在相对平坦均
匀的地表条件下进行［12］。本研究以华北南部丘陵
山地栓皮栎 －侧柏 －刺槐人工混交林生态系统为
例，分析显热通量关键运算参数的观测精度及常数
化对最终结果准确性的影响，为进一步开展 LAS 在
森林生态系统水热通量的观测应用研究提供参考。
1 试验设计
1． 1 试验区概况及观测点设置
2009 年主要生长季(5 月至 9 月) ，在位于河南
省济源市的黄河小浪底森林生态系统定位研究站的
人工混交林观测区进行观测研究。该区平均海拔
410 m，面积约 7 210 hm2。观测区域属暖温带亚湿
润季风气候，年平均气温 12. 4 ℃，年平均降水量
641. 7 mm。
在观测区中心偏西南方向 200 m 和东北方向
300 m各安装 1 套涡动相关系统(分别简称“1 号”、
“2 号”涡动相关系统) ，海拔分别为 412 m和 408 m，
安装高度均为距地面 30 m。在距离 1 号涡动相关系
统偏西南方向约 620 m，海拔 420 m 处安装 LAS 的
发射端，东北面放置接收端，相距 1 640 m(图 1)。
观测区中心周围 1. 8 km2，范围内林木覆盖率为
96. 0%左右，主要树种为栓皮栎(Quercus variabilis
blume Bl．)、刺槐(Robinia pseudoacacia L．)、侧柏
(Platycladus orientalis (L．)Franco) ，株数所占比例
分别约 81. 6%、11. 0% 和 7. 4%，平均株高分别为
10. 1、9. 4、8. 0 m。
图 1 观测仪器分布示意图
1． 2 主要观测内容及设备
1． 2． 1 大孔径闪烁仪( LAS) 本研究采用的闪烁
仪为 BLS 450 型 (Scintec． Inc．，Germany)LAS，仪
器安装高度距地面 30 m。取样频率为 1 Hz，每 1
min输出 1 组平均值。
1． 2． 2 涡动相关系统 涡度相关系统主要由
CSAT3 型三维超声风速 /温度仪(Campbell Sci．
Inc．，USA)和快速响应的 LI-7500 型开路红外 CO2 /
H2O分析仪(Li-Cor． Inc．，USA)组成，安装高度距
地面 30 m。上述仪器均与 CR5000 型数据采集器
(Campbell Sci． Inc．，USA)相连，昼夜连续自动采
集，原始数据采样频率为 10 Hz，每 30 min 输出 1 组
平均值。
1 号涡动相关系统塔上还安装了微气象梯度观
测系统，包括 7 层二维超声风速仪(Gill Instruments
Ltd． Inc．，UK)和 7 层 HMP-45C 型温湿度传感器
(Vaisala． Inc．，Finland) (安装高度分别为 7、10、
11、13、17、24、31 m)。此外，在 17 m高处，安装了四
分量辐射表(Kipp and Zonen． Inc．，The Nether-
lands)、AV-410BP 型气压计(Avalon． Inc．，USA)
等。上述仪器均与 CR10X 型数据采集器(Campbell
Sci． Inc．，USA)相连，每 10 min 输出一组平均值，
全天 24 h观测。
1． 3 观测数据的处理
1． 3． 1 LAS 观测数据 LAS 观测数据质量取决于
观测区域结露、降水、能见度状况等天气状况和 LAS
观测记录的大气折射指数的结构参数和信号强度等
原始数据的质量。因此，首先要对 LAS 的原始观测
141
林 业 科 学 研 究 第 26 卷
数据进行筛选，剔除不利天气条件对数据产生的影
响。同时对数据进行饱和修正，根据计算得出本研
究中上限为 1. 553e －10;并利用 LAS观测同步输出的
诊断信号对异常数据进行剔除。
1． 3． 2 涡动相关系统观测数据 利用观测得到的
频率为 10 Hz 的原始数据，再计算得三维风速、温
度、湿度、水汽浓度、气压等的半小时平均值和协方
差。数据处理过程主要包括:野点剔除、延迟校正、
超声虚温订正、坐标旋转、WPL 修正等;同时对观测
数据进行了阈值检查、摩擦风速检验、湍流强度检
验、频谱分析以及湍流的平稳性与发展充分性评
价等。
1． 4 计算方法
1． 4． 1 显热通量及其相关参数的测算方法 Panof-
sky 等［13］根据 Monin-Obukhov 近地层大气相似理
论，温度结构参数(C2T)和显热通量(H)有如下关系:
C2T(ZLAS － d)
2 /3
T2*
= fT
ZLAS － d( )L (1)
T* = －
H
ρaCpu*
(2)
u* =
ku
ln Zu － d
z0
( )
m
－ Ψm
Zu － d( )L + Ψm Z0m( )L
(3)
式中:ZLAS为光线路径高度，d 为零平面位移，约
为平均高度的 0. 63，L为 Monin-Obukhov 长度，T* 为
温度尺度，ρa 为空气密度;Cp 为空气比热容;u* 为摩
擦风速，Ψm 为动量稳定度修正函数
［14］，fT 为与大气
稳定度密切相关的普适函数。
由于 LAS直接观测的只是光强脉动变化值(I)
以及由光强对数变化计算得到的大气折射指数的结
构参数(C2n)
［15］，计算如式(4)。温度及湿度的脉动
变化会引起空气密度的波动，进而导致的变化，即:
与温度和湿度的结构参数有关［16］，但对于 BLS450
型 LAS发射的 880 nm红外波，温度变化是引起其结
构参数变化的最重要因素，因此，计算式(1)中的可
直接利用公式(5)计算得到［17］，
C2n = 1. 12σ
2
lnID
7 /3L－31 (4)
C2T = C
2
n
T2
－ 0. 78 × 10 －6( )P 1 + 0. 03( )β －2 (5)
式中:D为光学孔径;L1 为发射仪与接收仪之间
的距离;I为接收到的光强;T 为大气温度;P 为大气
压;β为波文比。
1． 4． 2 敏感性分析方法 本文以均方根偏差
(RMSD)和平均绝对百分比误差(MAPD)作为衡量
指标，对显热通量运算参数进行敏感性分析。具体
计算方法如下:
RMSD = 1 /n∑
n
i = 1
(Pi － Oi)
2 0． 5 (6)
MAPD = 100 /n∑
n
i = 1
| Pi － Oi |
珚O (7)
式中:n为样本数;P为不同条件下的计算值;Oi
为参考值;珚O为所有参考值的平均值。
2 结果与分析
2． 1 波文比
波文比(β)为显热通量(H)和潜热通量的比值。
β通常是随时间和各地天气及下垫面的情况变化，
由于湿地面的大部分能量用于蒸发，β 较小;而干地
面的大部分能量以显热通量的方式进入大气，β 较
大。一般认为［18］:β ＞ 5 为干旱地区;0. 4≤β≤5 为
半湿润半干旱地区，β ＜ 0. 4 为湿润地区。本文在以
上范围内分别取 β = 10、β = 2. 65、β = 0. 65、β = 0. 3
时，计算得到的显热通量(H)作为参考值，讨论 β 取
值对 H计算结果的影响程度。
表 1 波文比不同取值时显热通量测算值与参考值的比较
项目
β取值
0． 30 0． 65 2． 65 10． 00
RMSD /(W·m －2) 10． 09 4． 03 3． 97 4． 26
MAPD /% 9． 0 5． 5 3． 9 3． 5
从表 1 可知:在大气湿润条件(β = 0. 3)下，参考
值与真实值的差 9%，达到 10 W·m －2，为各条件下
差异最大的情况;在大气半干旱半湿润(β = 2. 65、β
= 0. 65)情况下，得到的 H 值与参考值差异较小，相
差 3. 9%和 5. 5%;在大气干旱条件(β = 10)下，H与
参考值差异最小，为 3. 5%，均小于大气湿润条件下
的计算差异，这与国内外的一些研究结果基本一
致［19 － 20］。可见，在干旱—半干旱—半湿润大气条件
下，β可以赋予 1 个定值，如 0. 4 4. 0 任意值，简化
计算 β对测算 H值影响不大。由于本研究观测区域
属于暖温带半干旱半湿润地区，2009 年观测区 β 值
为 0. 44 3. 48，说明在本研究观测区，采用 LAS 法
测算 H时，可以在 0. 4 4. 0 范围内，对 β 赋予 1 个
定值。
2. 2 零平面位移和 LAS光线路径的有效高度
LAS光线路径有效高度(ZLAS)和零平面位移
(d)是反映观测区域的大气运动状态与下垫面变化
241
第 2 期 郑 宁等:闪烁仪法测算丘陵山地人工林显热通量的参数敏感性分析
情况的重要参数。在起伏下垫面条件下，需要精确
计算 ZLAS，实际测算过程中需要将各测量点距离光
线路径的高度乘以权重函数值，推算得到 ZLAS。因
此，选取测量点的数量及实际位置对计算 ZLAS的精
确度有影响，考虑到测量点实际观测与计算的误差，
通过上下各浮动 20%的 ZLAS，分析 ZLAS的取值对 H
计算结果的影响。结果表明(表 2) :在 0. 8 ZLAS和
1. 2 ZLAS时，得到的 H 测算值与参考值差异均达到
35%，接近 30 W·m －2。因此，在非平坦地表，采用
LAS法测算显热通量时，要精确计算 LAS 光线路径
有效高度。
本观测对象为栓皮栎 － 侧柏 － 刺槐人工混交
林，一年当中随着叶片由生长到完全长成到凋落，树
木冠层的实际高度也随之发生变化，d 变化幅度大
约为 3 m。为此，本研究以冠层叶片生长中期 d =
5. 5 m为中间值，上下各浮动 50%，计算 d 的取值对
H测算结果的影响程度，结果(表 2)表明:此时得到
的 H值与参考值差异仅为 1%。在本研究观测时期
内，可直接采用观测区树冠高度(h)与 d 的经验公
式(d = 0. 67 h)［14］，简化 d的测算，对 LAS 法测算 H
的准确性影响不大。
表 2 零平面位移(d)和光线路径有效高度(ZLAS)
不同取值时显热通量测算值与参考值的比较
项目
d 取值
50% d 150% d
ZLAS取值
80% ZLAS 120% ZLAS
RMSD /(W·m －2) 1． 51 1． 52 28． 81 28． 14
MAPD /% 0． 682 0． 681 35． 800 35． 200
2. 3 主要气象参数
气压、气温及风速是 LAS 法测算显热通量的关
键参数。由于气压一般变化不大，而气温和风速的
脉动变化明显，因此，本文主要考虑气温及风速观测
的精确度对计算结果的影响。通过气象观测数据统
计分析，2009 年主要生长季 5 月至 9 月期间平均风
速为 3. 36 m·s － 1，标准偏差为 1. 58 m·s － 1;平均气
温为 23. 3 ℃，标准偏差为 5. 35 ℃，微气象学风速与
温度的观测误差一般为 0. 2 m·s － 1和 0. 2 ℃，分别
是标准偏差的 13%和 4%，因此，本文以风速和温度
的平均值为中间值，分别上下浮动 20%和 10%，计
算 d的取值对 H测算结果的影响程度。结果(表 3)
表明:气温变化 ± 10%时，计算得到的 H值与参考值
差异仅为 0. 2%左右。可见，气温的观测误差对于
LAS显热通量的计算影响很小;而风速变化 ± 20%
时，H的计算值与参考值差异达到了 10%左右。可
见，相对于气温的观测来说，风速的精确观测对显热
通量的测算精度有较大的影响。
表 3 风速和气温不同取值时显热通量测算值
与参考值的比较
项目
v 取值
80% v 120% v
Ta取值
90% Ta 110% Ta
RMSD /(W·m －2) 13． 80 15． 70 0． 47 0． 41
MAPD /% 10. 50 9． 80 0． 15 0． 18
3 结论
本研究于 2009 年 5 月至 9 月期间，采用闪烁仪
法测算了地处河南省济源市的华北丘陵山地 30 年
生栓皮栎-侧柏-刺槐人工混交林的显热通量(H) ，研
究 H对波文比、零平面位移、LAS光线路径有效高度
与风速、空气温度等关键参数的敏感性。由于本研
究区域位于温带半干旱半湿润气候区，采用 LAS 法
测算 H时，可以在 0． 4 4． 0 范围内，对 β 赋予 1 个
定值，对最终结果影响较小;LAS 光线路径经过地形
起伏下垫面时，要精确计算光线路径的有效高度，否
则，会导致较大误差，零平面位移对 H的测算结果的
准确性影响较小。主要气象要素中，气温的观测误
差对于 H的测算结果影响较小，而风速对 H 的测算
结果影响较大，需要精确观测。
本文分别分析了显热通量对不同关键计算参数
的敏感性，即在考虑某个参数变化的同时，默认其他
相关参数是保持不变的，然而一个参数改变的同时，
也会引起其他参数的变化，最终影响到显热通量的
计算。因此，应进一步深入分析不同参数对显热通
量测算精度的联合影响程度。
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