ZZLAS型閃爍儀信號飽和界限的確定*

張 功，張勁松**，施生錦，孟 平，黃彬香，鄭 寧，李彥磊，才其驤

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ZZLAS型閃爍儀信號飽和界限的確定*

張 功1,2，張勁松1,2**，施生錦3**，孟 平1,2，黃彬香3，鄭 寧1,2，李彥磊3，才其驤3

（1.中國林業科學研究院林業研究所國家林業局林木培育重點實驗室，北京 100091；2.南京林業大學南方現代林業協同創新中心，南京 210037；3.中國農業大學資源與環境學院，北京 100093）

閃爍儀能夠快速準確地測量區域尺度水熱通量，中國產ZZLAS型閃爍儀因測量準確、操作方便、價格低廉等優勢在國內具有廣闊的應用前景。為進一步提高ZZLAS型閃爍儀的測量精度，推廣其在水熱通量等研究領域的應用，本文于2014年8-9月，以BLS900為參考標準，分別選擇孔徑為0.15m和0.075m的ZZLAS型閃爍儀，在平坦均勻的草原下墊面進行信號飽和測定，確定ZZLAS型閃爍儀的飽和界限；并于2014年9-10月，用孔徑為0.15m和0.075m的ZZLAS型閃爍儀在復雜的農田下墊面對飽和界限進行驗證。結果表明，ZZLAS型閃爍儀的強飽和界限為0.359，弱飽和界限為0.099。驗證結果顯示，在上述飽和界限條件下，孔徑為0.075m的ZZLAS型閃爍儀飽和率最大，為24.58%。實驗所得的飽和界限可成為ZZLAS型閃爍儀飽和判斷的參考，且在此飽和界限條件下，ZZLAS型閃爍儀發生的飽和現象多屬弱飽和現象，可以通過數學方法進行修正。

顯熱通量；蒸散；區域尺度；湍流強度

地表水熱通量，特別是蒸散潛熱[1-2]的觀測一直是農林、生態、水文、氣象等領域的重點內容。雖然波文比-能量平衡法（Bowen Ratio Energy Balance，BREB）、渦動相關法（Eddy Covariance，EC）以及氣象參數估算[3-4]等方法已在實際研究中廣泛應用，但此類觀測方法的空間代表性僅幾十至幾百米，根據單獨站點的觀測結果來推算區域尺度上的通量存在較大誤差[5]，而基于光傳輸理論發展起來的閃爍儀方法為這些問題的解決帶來了希望。

閃爍儀在實際應用中，除了受天氣條件如結露、降水、低能見度等的影響[9-10]，也受到方法的限制，如信號飽和[12-13]。信號飽和是指強湍流時，閃爍儀接收的信號強度自然對數方差（）與的線性關系達到閾值并偏離正常值范圍，甚至減小的現象。有學者[14-15]認為，閃爍儀孔徑越小，光路徑越長，安裝高度越低，越容易出現飽和現象。研究表明[16]，閃爍儀的觀測誤差隨信號強度的降低而增大，并根據Ochs提出的飽和界限0.193L-8/3λ1/3D5/3進行判斷并剔除數據[7-8,13-15]，其中，D為閃爍儀孔徑（m）；L為閃爍儀接收端與發射端的距離（m）；λ為閃爍儀的波長（m）。國內學者也將Ochs提出的飽和界限作為ZZLAS型閃爍儀飽和判斷的依據[9-11]。也有研究表明[12]，閃爍儀的飽和界限為0.074L-8/3λ1/3D5/3，且部分飽和數據（其中的弱飽和數據）可以進行修正[13]。在應用ZZLAS型閃爍儀時，如果僅按0.193L-8/3λ1/3D5/3進行飽和數據篩選并剔除，可能會減弱ZZLAS型閃爍儀的數據質量，引起測量誤差。因此，本文通過實驗方法確定ZZLAS型閃爍儀的強飽和界限和弱飽和界限，旨在從最大程度上提高ZZLAS型閃爍儀的數據質量，使其測算的水熱通量更準確，以期為深入研究能量平衡、水分平衡在氣候變化研究中提供基礎數據，同時為科學解決水資源短缺[5,17]、改善各種尺度氣象預報[6]、污染擴散等實際應用問題提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗概況

以北京師范大學和中國農業大學小氣候與儀器實驗室聯合研制的ZZLAS型閃爍儀為研究對象，選擇同時期生產、孔徑為0.075m（記為ZZLAS1）和0.15m（記為ZZLAS）兩套閃爍儀進行實驗。實驗分三部分：（1）為減小系統誤差，2014年8月在沽源國家野外實驗站，以BLS900（德國）為參考標準，對兩套閃爍儀（ZZLAS1和ZZLAS）進行標定。（2）2014年8-9月，在沽源實驗站布設BLS900、ZZLAS1和ZZLAS三套儀器，對ZZLAS1和ZZLAS進行不同飽和程度觀測，通過比值法和擬合方法確定ZZLAS型閃爍儀的飽和界限值。（3）2014年9-10月，在中國農業大學上莊實驗站的農田布設ZZLAS1和ZZLAS，利用沽源實驗得出的飽和界限與常用的0.193L-8/3λ1/3D5/3界限對實測數據進行飽和率分析，以此判斷得到的飽和界限能否準確反映出ZZLAS的飽和現象。

ZZLAS型閃爍儀的正常工作電壓為1.5 V，結合其信號輸出情況[18]，剔除信號值Demod小于-5mV的信號，并剔除信號缺失時刻數據。根據自動氣象站的記錄，剔除降雨時刻以及相對濕度大于90%的數據[19]。經數據質量控制后，沽源實驗有效數據樣本量N=4359，上莊實驗有效數據樣本量N=3127。

1.2 沽源站實驗設置

沽源縣草地生態系統國家野外實驗站位于河北省張家口市沽源縣，海拔1460m，處于典型草原、隱域性低濕草甸草原向半農半牧生態系統過渡的區段，屬溫帶大陸性草原氣候，年降水量426mm，蒸發量大。該地區以干旱為主，風沙大。研究區域植被以牧草為主。

實驗于2014年8月28日-9月16日進行，選擇沽源站東邊的草場，南北長724 m，東西長150m。實驗期間氣溫較低，蒸發量大，降雨頻繁，并有結露霜凍天氣；草茬平均高度10cm，地面平坦，儀器架設高度即可當作有效高度。為減少太陽光直射影響，閃爍儀安裝呈東南-西北方向。為避免信號交叉影響，相鄰兩套閃爍儀采取發射端與接收端相鄰的交叉安裝方式，即ZZLAS1的接收端與ZZLAS的發射端相鄰，儀器布置方案如圖1所示，詳細信息如表1所示。其中，BLS900采樣頻率為1Hz，存儲頻率為每分鐘1次；ZZLAS型閃爍儀采樣頻率為1Hz，存儲頻率為每分鐘1次；自動氣象站主要用于觀測實驗期間的降雨量以及濕度數據，采樣頻率為1Hz，存儲頻率為每10min 一次。

注：T代表發射端，R代表接收端。ZZLAS表示孔徑為0.15m，ZZLAS1表示孔徑為0.075m。下同

Note: T marks transmitter, and R marks receiver. ZZLAS donates scintillometer with 0.15m aperture, while ZZLAS1 donates with 0.075m aperture. The same as below

表1 沽源站實驗儀器安裝信息

Note：AWS is short for automatic weather station.

1.3 上莊站實驗設置

中國農業大學上莊實驗站位于北京市海淀區上莊鎮辛力屯村東，實驗期間主要種植玉米、棉花等作物。下墊面植物長勢茂盛，植株高度不一，降水少，蒸發量小，人為活動影響大。

實驗于2014年9月21日-10月6日進行，實驗布置如圖2所示。儀器均安裝在4m高的鐵塔上，用GPS沿光路徑測量距離發射端不同距離處的植被高度，根據路徑權重函數計算得出閃爍儀光徑的有效高度為1.72m，光路長846m。閃爍儀安裝方式與沽源實驗相同，兩套閃爍儀的中心間距為1.15m。路徑中間偏東北的位置設有自動氣象站，實驗期間主要參考其降水量數據以及濕度數據。

2 結果與分析

2.1 信號飽和界限的理論分析與算法確定

2.1.1 理論分析

閃爍儀包括發射端和接收端兩部分。接收端接收發射端發出固定波長（通常為880nm）的光束信號，根據其信號強度（I）的波動計算其自然對數方差（），在弱湍流條件下，與存在固定的線性關系,即[20-22]

式中，D為閃爍儀的孔徑（m）；L為發射端與接收端距離（m）。

當發展到“強弱”湍流階段時，此線性關系出現輕微變化，通過修正處理后仍滿足式（1），此稱為弱飽和界限；在強湍流狀態時，一階散射理論不成立，二者的線性關系消失，所測數據均不可用，稱為強飽和界限。

1978年Wang等[20]推導出了閃爍儀發生飽和現象的條件，即

（3）

（4）

式中，A為飽和發生的經驗系數。本研究主要通過確定A值來判斷ZZLAS型閃爍儀的飽和發生條件。

2.1.2 處理方法

閃爍儀的飽和現象主要受到孔徑尺寸D和距離L的影響。L越大，D越小，其觀測到的湍流數量越多，飽和現象越容易發生[13,20,23]。因此，本實驗所選ZZLAS型閃爍儀具有固定的孔徑尺寸，調節安裝距離與高度確保ZZLAS1具有明顯的飽和現象。

（1）比值法

在本實驗中儀器布置條件下，ZZLAS1比ZZLAS具有更加明顯的飽和趨勢。ZZLAS1未發生飽和現象時，ZZLAS測量的與ZZLAS1測量的比值小于1；而當ZZLAS1發生飽和現象時，比值則會大于1，由此確定是否發生飽和現象。

（2）擬合法

未發生飽和現象時，實驗中各閃爍儀所測數據相互之間均符合固定的線性關系；發生飽和現象時閃爍儀的測量值與未發生飽和現象測量值更符合多項式關系。因此，研究中保證ZZLAS1發生明顯飽和現象，同時保證ZZLAS和BLS900無明顯飽和現象，便可通過對測量數據擬合函數的交點來確定飽和發生界限。線性擬合函數與多項式擬合函數交點以下可看作未飽和數據，交點以上為飽和數據。

2.2 ZZLAS型閃爍儀信號飽和界限的確定

2.2.1儀器的標定

為減小系統誤差，以BLS900為標準，在沽源實驗站對兩套ZZLAS型閃爍儀進行標定。儀器布設與圖1相同，光路長度平均為200m，安裝高度平均為1.5m。實驗前期用兩套ZZLAS與BLS900同步觀測，分別與BLS900數據進行線性擬合，方程的斜率即為標定系數，如圖3所示，其中ZZLAS的標定系數為0.573，ZZLAS1的標定系數為0.757。

圖4為ZZLAS1和ZZLAS兩套閃爍儀標定前后的對比。從圖可以看出，標定前，兩套閃爍儀線性擬合的斜率為0.864，標定后線性擬合的斜率變為0.962，數據擬合的R2稍有提高，兩套閃爍儀的系統誤差減至3.8%。根據Kleissl等研究結果[13,24]，荷蘭Kipp&Zonen公司同型號閃爍儀觀測感熱通量之間的斜率差異為6%，德國Scintec公司同型號閃爍儀觀測感熱通量之間的斜率差異為3%左右。因而認為，本實驗誤差在可接受范圍內，符合觀測要求。由于實驗中選擇的兩套閃爍儀具有孔徑差異（孔徑分別為0.075m和0.15m），標定前的一致性為13.6%左右（圖4a），將沽源實驗站觀測的ZZLAS和ZZLAS1數據均乘以圖3中的標定系數后，一致性提高顯著（圖4b）。

2.2.2 不同方法計算飽和界限

（1）比值法

圖5是根據ZZLAS和ZZLAS1在沽源站實測數據進行比值法處理的結果。由圖可見，圖中所示沽源實驗的飽和界限為0.099，比Ochs提出的0.193飽和界限更小。后者是目前判斷閃爍儀飽和現象的普遍方法，其更多是從理論層面對湍流尺度進行分析得出的結果，忽略了實際測量時多因子的綜合效應，如水汽吸收效應[9-10]、信號強度減弱[13]等。

注：縱坐標是ZZLAS測得與ZZLAS1測得的比值；橫坐標為系數A，是ZZLAS1測量的與D5/3λ1/3L-8/3比值運算后的結果。曲線與y=1線的交點即為“飽和”的位置，高于1的部分表示已經出現“飽和”現象。本研究需要確定位于“飽和”位置時的系數A

Note:y-axis is the ratio ofmeasured by ZZLAS and ZZLAS1 while the ratio ofmeasured by ZZLAS1 and D5/3λ1/3L-8/3which expressed as coefficients A were used for the x-axis. Intersection of the curve and y=1 means the position of “saturation” and over 1 indicates saturated. This study needs to determine the coefficient A which located at the “saturation” position

（2）擬合法

比值運算得到的飽和界限屬弱飽和界限，無法確定強飽和界限，而擬合法可以彌補這一缺點，且擬合法得出的弱飽和界限也可與比值法的結果相互驗證。

圖6是根據沽源實驗中ZZLAS、ZZLAS1以及BLS900三套閃爍儀的測量結果，在實驗設定的前提條件下，對數據進行線性擬合和多項式擬合得出的結果。從圖可知，ZZLAS測量的與BLS900測量的擬合度R2為0.891，斜率為1.462。而ZZLAS1測量的與BLS900的結果在線性擬合時，斜率為1.605，擬合度R2僅為0.785；進行三次多項式擬合時，ZZLAS1測量結果與BLS900的測量結果擬合度R2為0.903。因此，三次多項式擬合更能反映出ZZLAS1測量結果與BLS900測量結果的關系。根據圖中ZZLAS和ZZLAS1測量的與BLS900測量的測量結果擬合的多項式關系，計算得出其交點處的分別為3.93×10-13和1.67×10-12，分別對應飽和界限點為0.097和0.395。其中，0.097為弱飽和界限，而0.395為強飽和界限。

注：表示ZZLAS測量值，表示ZZLAS1測量值，表示ZZLAS1與BLS900的線性擬合關系，表示ZZLAS1與BLS900的多項式擬合關系，表示ZZLAS與BLS900的線性擬合關系

Note:stands for the values of ZZLAS andstands for ZZLAS1,shows consistency between ZZLAS1 and BLS900,shows polynomial fitting between ZZLAS1 and BLS900,refers to consistency between ZZLAS and BLS900

2.3 ZZLAS型閃爍儀信號飽和界限的分析確定

Clifford等研究認為[21]，強湍流下任意折射指數的譜函數都會無限趨近于定值π2/24。據此，計算ZZLAS1測量結果與BLS900測量結果擬合的多項式關系，得出為1.460×10-12，對應的飽和界限為0.359，比擬合法得出的強飽和界限0.395在數值上更精確，且具有理論依據。閃爍儀測量出現飽和現象時，達到強飽和的數據應予以剔除，考慮到閃爍儀測量的正常范圍在10-14～10-13，因此，本研究更傾向于將ZZLAS型閃爍儀的強飽和界限定義為0.359。通過比值方法和擬合方法得出的弱飽和界限分別為0.099（標記為GY1）和0.097（標記為GY2）。根據強飽和界限（OS）、Ochs飽和界限（OH82）以及沽源實驗得出的界限（GY1，GY2），分別計算沽源實驗中各套閃爍儀的飽和數據情況，如表2所示。

BLS900是雙光路閃爍儀，信號強度大，本身具有抗飽和性能，且該系統自帶的數據處理單元可以對飽和數據進行修正，因此，本實驗將BLS900當作理想的參考標準，實驗中不會出現飽和現象。在沽源實驗條件下，依據實驗得出的飽和界限條件，若BLS900出現飽和現象，表明該飽和界限可能偏小，容易引起測量誤差。由表2可知，弱飽和界限為0.097時，沽源實驗測量數據出現的飽和率最大，ZZLAS1飽和率為15.84%；以0.099為弱飽和界限時，ZZLAS1的飽和率為12.36%。但0.097作為弱飽和界限時，BLS900發生了飽和現象，因而將0.099作為本研究得出ZZLAS型閃爍儀的弱飽和界限。

表2 不同飽和界限下沽源實驗中各閃爍儀的觀測結果（2014-09-02-15）

2.4 結果驗證

為檢驗實驗所得ZZLAS型閃爍儀的飽和界限能否正確表征ZZLAS型閃爍儀的飽和現象，本研究在異質下墊面的上莊實驗站進行觀測驗證。表3是根據沽源實驗得出的飽和界限與普遍采用的Ochs界限對上莊實驗數據計算得出的飽和值以及飽和率。從表中可知，以0.099為弱飽和界限時，ZZLAS1飽和率最大為24.58%，而Ochs界限飽和率僅為11.32%。綜合表2和表3，依據強飽和界限時，ZZLAS在兩處實驗均未出現強飽和情況，弱飽和現象在上莊實驗中最大，飽和率為2.04%；ZZLAS1則出現了明顯的飽和現象，可能是人為活動造成的機械擾動使光路徑上的湍流強度及數量發生變化的原因[12]。實驗結果表明，Ochs界限條件下ZZLAS1的飽和率約為沽源實驗得出的飽和界限條件下飽和率的50%。

表3 2014年9月21日-10月6日上莊實驗ZZLAS型閃爍儀觀測結果

3 結論與討論

3.1 結論

（1）中國產ZZLAS型閃爍儀的強飽和界限為0.359，弱飽和界限為0.099。實驗中，按此界限，ZZLAS1表現出更明顯的飽和現象，且在上莊實驗中飽和率最大，為24.58%。所得界限能較好地表征ZZLAS型閃爍儀的飽和現象，建議在進行數據質量控制時剔除達到強飽和界限的數據。

（2）中國產ZZLAS型閃爍儀發生飽和現象時，大多數飽和現象屬于弱飽和現象，可通過數學方法進行修正。本文在平坦均勻的下墊面條件下，通過實驗得出中國產ZZLAS型閃爍儀的強弱飽和界限，并在異質的農田下墊面條件下得到驗證，能夠作為其發生飽和現象的判斷參考。

3.2 討論

許多關于閃爍儀飽和界限的研究[20-22]均從理論方面進行，通過假設理想條件，計算出該假設條件下的飽和界限，容易忽略實際測量中的湍流引起的綜合效應。Kohsiek等[12]根據Ochs的界限研究發現，閃爍儀發生飽和現象時可造成結果偏低約20%，此界限在本研究中的飽和率較小，有可能造成對中國產ZZLAS型閃爍儀飽和數據的低估。Kleissl等[13]在新墨西哥的干旱草原上進行關于Kipp&Zonen公司閃爍儀飽和實驗，得出的飽和界限為0.074，與本文研究結果相近。實際測量中，飽和現象與實驗地區的氣象因子[9-10]以及湍流因素[12,21]有關，信號在傳播過程中會受到水汽吸收以及大氣散射等因素的影響[12-13,22]，從而發生信號衰減，可能導致飽和界限產生差異。

本實驗得出的ZZLAS型閃爍儀的弱飽和界限和強飽和界限，可作為該型號閃爍儀飽和判斷的參考，完善了國內關于閃爍儀在飽和方面的研究。如何修正弱飽和數據，使ZZLAS型閃爍儀具有更高的數據質量，這是飽和現象研究的另一重要內容，也是下一階段的研究重點。

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Determination of Saturation Lines of ZZLAS-Type Scintillometer

ZHANG Gong1,2, ZHANG Jin-song1,2, SHI Sheng-jin3, MENG Ping1,2, Huang Bing-xiang3,ZHENG Ning1,2,LI Yan-lei3, CAI Qi-xiang3

（1. Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration, Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091,China;2.Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037;3.College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing, 100093）

Scintillometers were used to precisely measure heat fluxes quickly at a regional scale, and the ZZLAS-type scintillometer made in China possess a wide prospect of application in China due to its accurate measurements, convenient operation and lower price. For the purpose of improving the accuracy of ZZLAS-type scintillometer measurement and promote its application in the field of heat fluxes. This paper set BLS900 as a basement, and chose ZZLAS-type scintillometer with 0.15m and 0.075m apertures for the saturation lines observations under grassland with flat and uniform surface from August to September 2014. From September to October 2014, the ZZLAS-type scintillometers with aperture of 0.15m and 0.075m were used to test the obtained saturation lines with a complex farmland surface. The results revealed that the strong saturation line was 0.359 and the weak saturation line was 0.099. With these lines, the ZZLAS-type scintillometer with 0.075m aperture showed the highest saturation rate of 24.58%. Results showed that the obtained saturation lines could be used as a reference for the saturation judgment of the ZZLAS-type scintillometer; with the lines most saturation phenomenon of the ZZLAS-type scintillometer is slightly saturated and can be corrected through mathematical methods.

Sensible heat flux; Evapotranspiration; Regional area; Turbulence intensity

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.07.004

張功,張勁松,施生錦,等.ZZLAS型閃爍儀信號飽和界限的確定[J].中國農業氣象,2017,38(7):426-434

2016-11-24

。E-mail：zhangjs@caf.ac.cn；shj@cau.edu.cn

國家自然基金“閃爍儀法測算森林生態系統顯熱通量不確定性的研究”（31500363）；中央級公益性科研院所基本科研業務費“閃爍儀法測算區域水熱通量不確定性的研究”（CAFYBB2016QB001）

張功（1989-），博士生,主要從事林業氣象、林業生態等研究。E-mail：12720484zg@sina.cn