全 文 ：中国生态农业学报 2011年 9月 第 19卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sep. 2011, 19(5): 1067−1071 农田耗水研究


* 国家自然科学基金项目(40871021)、中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1-YW-08-03)、中国科学院知识创新工程重要方向性项
目(KZCX2-YW-448)和中国科学院知识创新工程方向性项目(KSCX2-EW-J-5)资助
** 通讯作者: 沈彦俊(1971~), 博士, 研究员, 主要从事陆面水文过程方面的研究。E-mail: yjshen@sjziam.ac.cn
杨凡(1986~), 硕士研究生, 主要从事地表水热过程与遥感和 GIS 的应用研究。E-mail: yangfan1182@126.com
收稿日期: 2011-04-10 接受日期: 2011-06-13
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.01067
大孔径闪烁仪与涡度相关系统对灌溉
农田蒸散量的对比观测*
杨 凡 1,2 齐永青 2 张玉翠 2 Bridget R. Scanlon3 沈彦俊 2**
(1. 河北师范大学资源与环境科学学院 石家庄 050011; 2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心
石家庄 050022; 3. 美国德克萨斯大学 德克萨斯 77377)
摘 要 蒸散是地表能量平衡的重要组成部分, 在土壤−植物−大气连续体的能量、质量、动量交换过程中起
着重要作用。大孔径闪烁仪(LAS)是近时期兴起的观测跨像元尺度地表通量的地面仪器, 为验证其观测数据的
可靠性, 本文把专家认可且在中国生态系统研究网络(CERN)中广泛应用的涡度相关仪(EC)的观测数据作为参
考依据, 于 2010年 8月在中国科学院栾城农业生态系统试验站夏玉米田对大孔径闪烁仪计算结果进行验证。
验证结果表明, 两种仪器测定的地表感热通量日变化和月变化观测结果基本一致。由于下垫面属性、环境因
子及观测范围等因素的影响, 大孔径闪烁仪与涡度相关仪观测的蒸散量日变化之间有一定的差异，但日蒸散
总量的测定基本一致。试验证明了大孔径闪烁仪观测数据的准确性。将大孔径闪烁仪计算的蒸散量与涡度相
关仪观测值进行线性回归分析, 二者的吻合度较高(R2=0.800 4)。研究结果显示, 大孔径闪烁仪在地表水热通
量的数据监测中具有很大的使用价值, 为日后用大孔径闪烁仪验证遥感估算蒸散值奠定了基础。
关键词 地表感热通量 蒸散量 大孔径闪烁仪(LAS) 涡度相关(EC) 灌溉农田
中图分类号: P332.2 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)05-1067-05
Comparative advantages of Large Aperture Scintillometer and Eddy
Covariance instrument for measuring evapotranspiration
in irrigated farmlands
YANG Fan1,2, QI Yong-Qing2, ZHANG Yu-Cui2, Bridget R. Scanlon3, SHEN Yan-Jun2
(1. College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050011, China;
2. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences,
Shijiazhuang 050022, China; 3. University of Texas, Texas 77377, USA)
Abstract Evapotranspiration (ET), a critical element of surface energy balance, plays an important role in the exchange of energy,
mass and momentum in the soil-plant-atmosphere continuum. Large Aperture Scintillometer (LAS) is recent emerging instrument put
on the ground to observe surface fluxes across pixel dimensions. This study validated the reliability of LAS observations with
observation data from Eddy Covariance (EC) instruments. EC is the officially recognized and commonly used ET equipment in the
Chinese Ecosystem Research Network (CERN). Heat flux was measured in summer maize fields via both LAS and EC at the
Luancheng Agro-Ecosystem Experimental Station of Chinese Academy of Sciences in August 2010 and compared. The results
showed a significant consistency in both daily and monthly changes in heat flux measurements by LAS and EC. ET obtained from
LAS was almost consistent with that from EC (R2=0.800 4) at the monthly scale. However, some differences existed in the daily
change probably due to the effects of underlying principles, environment conditions and measurement scale. The study suggested that
surface water and heat flux data collected via LAS was reliable and applicable in verifying estimated ET via remote sensing.
Key words Surface heat flux, Evapotranspiration, Large Aperture Scintillometer, Eddy Covariance, Irrigated farmland
(Received Apr. 10, 2011; accepted Jun. 13, 2011)
1068 中国生态农业学报 2011 第 19卷


土壤蒸发和植物蒸腾是土壤−植物−大气系统中
能量、水分传输和转化的主要途径。蒸散量的变化
会影响地表与大气间的水热平衡, 还会影响植物的
生长[1]。早在 1998年, 在德国柏林东南部 Lindenberg
的大型 LITFASS试验就利用大孔径闪烁仪观测研究
非均匀地表上区域尺度的水热通量。在国内, 北京
师范大学等针对农田、森林和城市等各种均匀或非
均匀下垫面开展了大孔径闪烁仪观测试验, 通过与
涡度相关仪同步观测比较, 得到了较好的观测值[2]。
随着遥感技术的发展, 运用遥感影像估算地表
大面积蒸散量越来越受到重视。然而, 估算过程需
要结合点面尺度转换后的地面实测气象数据, 建立
模型估算蒸散, 导致估算值精度较低; 其次遥感观
测值为瞬时值, 还需插值计算。而大孔径闪烁仪、涡
度相关仪等观测系统可以对蒸散量进行实时直接观
测, 其观测结果精度较高, 并可作为遥感估算蒸散
值与地面实际观测值匹配的校正数据。涡度相关仪
观测范围有限且受下垫面属性的限制, 而大孔径闪
烁仪代表性观测尺度较大(250~4 500 m), 且可与遥
感影像混合像元实现匹配, 所以大孔径闪烁仪在观
测灌溉农田地表能量平衡和水热通量研究中被广泛
应用, 并作为验证卫星遥感影像混合像元的直接观
测手段受到重视[3−7]。
为了验证大孔径闪烁仪观测数据的准确性, 为
以后校正遥感估算数据提供依据, 本文以涡度相关
仪的观测数据为参考依据, 与大孔径闪烁仪的观测
数据进行对比, 从而验证大孔径闪烁仪观测数据的
准确性, 减少误差。
1 研究区概况与研究方法
试验在中国科学院栾城农业生态系统试验站
(以下简称栾城试验站, 114°41′E, 37°53′N)进行, 该
试验站位于河北省栾城县聂家庄村。栾城试验站属
暖温带半湿润季风气候 , 土壤类型以潮褐土为主 ,
代表华北平原北部典型潮褐土高产农业生态类型。
根据研究布局和监测规范, 建有设施完备的水分平
衡场、养分平衡场、气象场、综合观测场、小麦育
种场等, 并配备有先进的涡度相关、波文比、大型
蒸渗仪、遥感铁塔、光合仪、光谱仪等仪器设备。
本研究应用大孔径闪烁仪对夏玉米生育期的监
测数据, 其数据资料为中国科学院栾城农业生态系
统试验站 2010年 8月的资料, 并与同时期的涡度相
关仪数据相对比。
大孔径闪烁仪的观测范围为 250~4 500 m, 该设
备架设在试验站东面的试验田中, 下垫面为均一的
夏玉米。安装高度为 8.5 m, 实际观测距离为 1 330 m;
在大孔径闪烁仪路径上距离发射端 160 m的农田中
装有 1 套三维风速仪和温度观测设备, 其安装高度
为 3 m, 主要作用是为大孔径闪烁仪的计算提供气
象数据; 在大孔径闪烁仪路径旁距离发射端 130 m
的地方装有 1套涡度相关仪(Li7500, Campell), 其安
装高度为 3 m, 主要作用是验证大孔径闪烁仪的计
算结果。图 1 为大孔径闪烁仪和涡度相关仪的安装
示意图。



图 1 大孔径闪烁仪与涡度相关仪安装示意图
Fig. 1 Sketch map for the installations of Large Aperture
Scintillometer (LAS) and Eddy Covariance (EC) instruments

2 灌溉农田不同范围观测蒸散量的方法
2.1 涡度相关仪观测的基本原理
涡度相关仪(Eddy Covariance technique)主要组
成部分为 CSAT3 型三维超声风速仪、Li-7500 型开
路红外 CO2/H2O 分析仪和 CR5000 型数据采集器。
其工作原理是通过计算物理量脉动与垂直风速脉动
的协方差计算湍流输送量(湍流通量), 观测项目主
要包括风速脉动、CO2 和水汽浓度脉动、湿度和气
温脉动等。其观测需要高精度、相应速度极快的湍
流脉动测定装置。
涡度相关技术是在流体力学、微气象学理论的
发展以及气象观测仪器、数据采集和计算机存储、
数据分析和自动传输等技术进步的基础上, 经过长
期发展不断完善的。该技术具有坚实的理论基础 ,
适用范围广, 被认为是现今惟一能直接测量生物圈
与大气间能量与物质交换通量的标准方法, 在局部
尺度的生物圈与大气间痕量气体通量的测定中得到
广泛认可和应用。
运用涡度相关法计算地表显热通量与潜热通量,
是目前公认的较为精确的通量测量方法。当下垫面
均匀一致时, 潜热通量和地表显热通量的表达式如
下所示:
vE Wλ λ ρ= (1)
第 5期 杨 凡等: 大孔径闪烁仪与涡度相关系统对灌溉农田蒸散量的对比观测 1069


pH C WTρ= (2)
式中 , λE 为潜热通量(W·m−2), H 为地表显热通量
(W·m−2), λ为水的汽化潜热(J·g−1), T(℃)、ρv(g·m−3)、
W(m·s−1)为近地面大气湍流运动引起的温度、湿度、
垂直风速的脉动量, ρ为空气密度(g·m−3), Cp为空气
定压比热(J·kg−1·K−1)[8−11]。
2.2 大孔径闪烁仪观测的基本原理
大孔径闪烁仪是近时期兴起的通过观测空气折射
系数计算获取地表感热通量的仪器。其最显著特点就是
能够测量较大范围内(250~4 500 m)的地表显热通量。
大孔径闪烁仪由发射端和接收端两部分组成。
其原理是由发射端发射 880 nm 波长的红外波到接
收端, 当电磁波在扰动大气中沿直线传播时, 大气
扰动会引起传播光束能量强度的波动, 这种现象称
之为闪烁。接收端依据闪烁信号的强度大小获取空
气折射系数 Cn2 的湍流强度, 从而计算得出温度结
构参数 CT2, 再根据莫宁−奥布霍夫近地层相似理论
与气候数据相结合进行迭代运算, 由此求解出地表
感热通量 Hlas。计算 Hlas的主要公式如下:
7
2 2 33
ln4.48n IC D Lσ
− −= × × (3)
2 22
2 2
6
0.031
0.78 10T n
TC C
P β
−
−
⎛ ⎞ ⎛ ⎞= +⎜ ⎟ ⎜ ⎟− ×⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (4)
2
2 23
LAS * LAS( ) / [( ) / ]T T MC z d T f z d L− = − (5)
las
*
*
p
H
T
C uρ
−= (6)
* 0
0
/{ln[( ) / ] [( ) / ]
( / )}
u m u M
m M
u ku z d z z d L
z L
ψ
ψ
= − − − +
(7)
式中, D为发射光束的直径, L为光程长度, zLAS为闪
烁仪光径高度, zu为风速的观测高度, z0为动力学粗
糙度, d为零平面位移, ρ为空气密度, β为波文比, P
为大气压, Cp为空气定压比热, Hlas为显热通量, LM
为莫宁−奥布霍夫长度, k为卡曼常数, T*为摩擦温度,
u*为摩擦速度, ψm为动量稳定度修正函数, fT为稳定
度普适函数[12−14]。
2.3 能量平衡余项法
能量平衡是各种蒸散研究方法的理论基础。其
能量平衡余项法是以能量平衡方程为基础, 通过计
算净辐射总量 Rn(W·m−2)、土壤热通量 G(W·m−2)和
显热通量 H(W·m−2), 从而推算蒸散 EET(mm)。其公
式如下所示:
ET nLE R G H= − − (8)
n
ET
R G H
E
L
− −= (9)
ET
ET
LEE
L
= (10)
式中, L=2.454×106 W·m−2·mm−1。由于日落后到日出
前的时间段内净辐射通量很小, 蒸散强度也小, 一
般情况下夜间的蒸散量对日总蒸散量影响较小, 故
假设全年的平均日蒸散时间从 6:00~18:00。其中净
辐射总量 Rn和土壤热通量G为气候观测点的实际观
测值[15]。
3 依据能量平衡余项法对蒸散量的研究与
分析
3.1 大孔径闪烁仪与涡度相关仪地表感热通量对比
依据上述方法将该时期(2010年 8月)获取的参数
与涡度相关的气象数据相结合, 带入到公式(3)~(7)
中。因为夜间一般为稳定层结, 光闪烁强度及感热通
量的绝对值都较小, 大孔径闪烁仪的测量误差较大。
Hemakumara 等[16]在计算 24 h 平均感热通量 H24时,
将夜间的H定为 0。Meijninger等[17]的计算则表明, 忽
略夜间 H, H24会被低估 10%。因此在计算过程中只考
虑白天(6:00~18:00)的地表感热通量 Hlas[18−19]。
2010 年 8 月 1 日天气良好能见度高, 风速较小,
玉米叶已经全部展开, 均匀覆盖地表, 此时观测得到
的地表水热通量较为单一, 均为植物蒸腾的数据。图
2描述了该时间段内大孔径闪烁仪和涡度相关仪两种
仪器对地表感热通量实际观测值(2010 年 8 月 1 日)
的日变化过程对比。在有效的观测时间内大孔径闪烁
仪的观测结果与涡度相关仪的观测结果基本一致。


图 2 用大孔径闪烁仪和涡度相关仪观测的地表感热通
量(Hlas 和 Hec)日变化过程的对比
Fig. 2 Comparison between Large Aperture Scintillometer
and Eddy Covariance instrument applied in observing the daily
changes of the surface heat flux (Hlas, Hec)

为检测大孔径闪烁仪在长时间序列中的监测效
果, 将计算得到的 2010年 8月份白天 12 h(6:00~18:00)
的地表感热通量数据Hlas与涡度相关仪白天 12 h的实
际观测值进行对比, 其结果如图 3所示。由图 3地表
感热通量值的对比可看出, 大孔径闪烁仪观测值与涡
度相关仪观测值的趋势基本一致。但由于受观测尺度
和下垫面均匀状况的影响, 两种观测仪所测数据之间
1070 中国生态农业学报 2011 第 19卷


存在一定的差异, 涡度相关仪的观测数据平均值比大
孔径闪烁仪的观测数据平均值略小约 14%[20]。



图 3 2010年 8月用大孔径闪烁仪和涡度相关仪观测的地
表感热通量(Hlas 和 Hec)的对比
Fig. 3 Comparison between Large Aperture Scintillometer and
Eddy Covariance instrument applied in observing the surface
heat flux (Hlas, Hec) in Aug. 2010

3.2 大孔径闪烁仪与涡度相关仪观测计算得到的
蒸散量对比
将上述通过计算得到的 LElas(大孔径闪烁仪数
据计算结果)、LEec(涡度相关仪数据计算结果)分别
带入到公式(10)中 , 经计算可得夏玉米生育期内的
日蒸散量。现将 2010年 8月 1日蒸散量日变化过程
的结果进行对比, 因为该时期玉米株较密集, 地表
已经完全被植被所覆盖, 故计算得到的蒸散量结果
完全为地表植被的蒸腾量, 如图 4a 所示。从图 4a
可以看出, 大孔径闪烁仪与涡度相关仪的观测值均
随着太阳高度角的增大而递增, 其最大值均出现在
14:00前后, 之后随太阳高度角的降低其蒸散量逐渐
递减。由于下垫面属性、温度、风速、气压、观测
范围等因素的影响, 造成大孔径闪烁仪数据与涡度
相关仪实地观测值之间的差异。
基于日变化过程的观测, 将其累加求得日蒸散
量以便实现大孔径闪烁仪与涡度相关仪在日尺度上
的对比(图 4b), 从而为证实大孔径闪烁仪数据的可
靠性提供更加充足的科学依据[21]。依据图 4b 可知,
用大孔径闪烁仪和涡度相关仪测量的日蒸散量趋势
走向基本吻合。由于大孔径闪烁仪观测路径的下垫
面均一, 从而导致大孔径闪烁仪的观测结果与涡度
相关仪的观测结果基本一致。这种现象恰恰充分说
明了大孔径闪烁仪在其观测路径上针对于下垫面通



图 4 依据大孔径闪烁仪和涡度相关仪观测数据计算得到的地表蒸散量(ETlas 和 ETec)的日变化过程(a)和
2010 年 8 月的变化过程(b)
Fig. 4 Comparison between Large Aperture Scintillometer and Eddy Covariance instruments applied in calculating the daily
changes in 1st Aug. 2010 (a) and monthly changes in Aug. 2010 (b) of soil surface evapotranspiration (ETlas, ETec)

量的监测中能够获得较为准确的数据, 为农田景观
尺度的通量监测提供了更为有力的科学依据[22]。
由于观测仪器对外界环境条件的敏感性, 当温
度、风速、气压、相对湿度、能见度等因素发生变
化时, 对大孔径闪烁仪的观测结果均产生不同强度
的影响 , 其中风速对大孔径闪烁仪的影响尤其严
重。大孔径闪烁仪与涡度相关仪两种仪器针对 2010
年 8月份蒸散量结果的相关性分析如图 5所示。
从分析结果中看出二者一致性较高, 其相关系
数为 0.800 4, 说明大孔径闪烁仪观测结果的准确性
与可利用性。在上述观测数据中, 有个别数据为不
完整数据。结合实际的气象记录得出, 出现不完整
数据的原因是由于地面水汽湿度大, 能见度小, 大孔
径闪烁仪的红外波不能穿透, 从而造成了数据的缺失,
导致计算结果的错误[23]。诸如类似情况, 在下垫面均


图 5 2010 年 8 月依据大孔径闪烁仪与涡度相关
仪观测数据计算得到的蒸散量(ETlas, ETec)分析
Fig. 5 Analysis on evapotranspiration calculated with the
observation data of Large Aperture Scintillometer (ETlas) and
Eddy Covariance instrument (ETec) in Aug. 2010
第 5期 杨 凡等: 大孔径闪烁仪与涡度相关系统对灌溉农田蒸散量的对比观测 1071


一的华北平原, 当大孔径闪烁仪的观测数据受到影响
缺失时, 可以用涡度相关仪的观测结果进行替换。
4 结论
大孔径闪烁仪与涡度相关仪测量值的差异, 需
要结合涡度相关仪和大孔径闪烁仪二者的通量贡献
源区、涡度相关仪的能量闭合程度, 以及在恶劣气
象环境条件下二者观测的准确性做进一步的研究分
析。但是由于观测尺度的差异, 以及大孔径闪烁仪
受外界自然环境条件、下垫面属性等因素的影响 ,
两者在观测期间内的观测数据存在一定差异。造成
数据差异的具体原因还有待于进一步研究分析。
从本文针对栾城试验站观测数据的研究可以看
出, 大孔径闪烁仪在均匀和非均匀下垫面上都可以
得到合理的观测值。通过利用大孔径闪烁仪和涡度
相关仪两种仪器分别对夏玉米生育期内的蒸散量进
行研究分析, 其结果吻合度较高, 变化趋势基本一
致, 为进一步利用大孔径闪烁仪验证遥感估算蒸散
值奠定了基础。
参考文献
[1] 李星敏, 卢玲, 杨文峰, 等. 遥感技术在区域农田蒸散研究
中的应用[J]. 西北农林科技大学学报, 2009, 37(8): 161−170
[2] 卢俐, 刘绍民, 徐自为, 等. 不同下垫面大孔径闪烁仪观测
数据处理与分析[J]. 应用气象学报, 2009, 20(2): 171–178
[3] 杨凡, 张玉翠, 齐永青, 等. 高压线电磁场强度对大孔径闪烁
仪观测的影响[J]. 中国生态农业学报, 2011, 19(2): 436–440
[4] 侯英雨, 何延波, 王建林, 等. 基于 NOAA PAL 数据集的
地表蒸散遥感估算方法[J]. 应用生态学报 , 2009, 20(10):
2384–2390
[5] 邓芳萍 , 刘闯 , 苏高利 . 区域蒸散的遥感研究进展[J]. 科
技通报, 2008, 24(4): 465–472
[6] 赵静, 姜琦刚, 杨佳佳, 等. 利用遥感估算地表蒸散研究进
展[J]. 兰州大学学报: 自然科学版, 2008, 44(S1): 14–19
[7] 双喜, 刘绍民, 徐自为, 等. 黑河流域观测通量的空间代表
性研究[J]. 地球科学进展, 2009, 24(7): 724–733
[8] 李思恩, 康绍忠, 朱治林, 等. 应用涡度相关技术监测地表
蒸发蒸腾量的研究进展 [J]. 中国农业科学 , 2008, 41(9):
2720–2726
[9] 郭家选, 梅旭荣, 卢志光, 等. 测定农田蒸散的涡度相关技
术[J]. 中国农业科学, 2004, 37(8): 1172–1176
[10] 刘海军, 黄冠华, Tanny J, 等. 用涡度相关法测定网室内香
蕉树蒸散量[J]. 农业工程学报, 2008, 24(9): 1–5
[11] 何奇谨, 周广胜, 周莉, 等. 盘锦芦苇湿地水热通量计算方
法的比较研究[J]. 气象与环境学报, 2006, 22(4): 35–41
[12] 卢俐, 刘绍民, 孙敏章, 等. 大孔径闪烁仪研究区域地表通
量的进展[J]. 地球科学进展, 2005, 20(9): 932–938
[13] 戴东, 邱淑会, 张诚, 等. 大口径闪烁仪监测系统在黄河泾
河流域的应用[J]. 水利水文自动化, 2008, 12(4): 38–41
[14] 彭谷亮 , 蔡旭辉 , 刘绍民 . 大孔径闪烁仪湍流通量印痕模
型的建立与应用 [J]. 北京大学学报 : 自然科学版 , 2007,
43(6): 822–827
[15] 王介民, 刘绍民, 孙敏章, 等. ET 的遥感监测与流域尺度
水资源管理[J]. 干旱气象, 2005, 23(2): 1–7
[16] Hemakumara H M, Chandrapala L, Moene A F. Evapotrans-
piration fluxes over mixed vegetation areas measured from
large aperture scintillometer[J]. Agricultural Water
Management, 2003, 58: 109–122
[17] Meijninger W M L, De Bruin H A R. The sensible heat fluxes
over irrigated areas in western Turkey determined with a large
aperture scintillometer[J]. Journal of Hydrology, 2000, 229:
42–49
[18] 乔娟 , 张强 , 张杰 . 非均匀下垫面陆面过程参数化问题研
究进展[J]. 干旱气象, 2008, 26(1): 73–77
[19] 江东, 王建华, 杨小唤, 等. 黄河流域主要水文参数遥感反
演[J]. 水科学进展, 2003, 14(6): 736–739
[20] 彭谷亮, 刘绍民, 蔡旭辉, 等. 非均匀下垫面湍流通量观测
的印痕分析[J]. 大气科学, 2008, 32(5): 1064–1070
[21] 陆忠明 , 高文良 , 闵文彬 . 四川盆地丘陵地区地气相互作
用的遥感监测研究[J]. 四川气象, 2002, 22(3): 4–7
[22] 胡丽琴 , 吴蓉璋 , 方宗义 . 大口径闪烁仪及其在地表能量
平衡监测中的应用[J]. 应用气象学报, 2003, 14(2): 197–205
[23] 黄妙芬, 刘绍民, 朱启疆. LAS测定显热通量的影响因子分
析[J]. 干旱区资源与环境, 2004, 18(4): 133–138