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OMS双波长闪烁仪应用技术

更新时间:2025-07-11   点击次数:54次

背景介绍

光闪烁现象,若干世纪之前人们就注意到了。一个很常见的例子就是地面看到的星光闪烁。早期的有关研究便是星光闪烁造成的图像模糊对天文观测的影响;近代的研究则更多地关注其对数字通讯,卫星导航,以及激光系统等的干扰。上世纪中后期人们更认识到,对近地层大气的光闪烁分析,还可应用于气象、水文、农业、环境等科学领域。

闪烁是由折射率波动引起的,而折射率波动主要取决于光源在给定波长下的温度和湿度。光学波长范围通常是指太阳的光谱范围,微波波长范围则大致是毫米级别的波长范围。在光学区域,折射率主要受温度影响;而在微波区域,湿度波动则成为主要因素。

OMS原理及方法

双波长法即红外微波闪烁仪交互测量系统(OMS)

该系统的核心特点在于:其测量所得的通量是整个光程路径上所有湍流涡旋在空间与时间维度的综合平均。

OMS系统由大孔径闪烁仪(LAS)和微波闪烁仪(MWS)两个分系统构成,每个分系统均包含发射端与接收端。发射端发射特定波长的光波,光波在传播过程中受大气湍流影响,会引发光信号强度波动;接收端则通过捕捉光强变化,精准测算出空气折射指数结构参数(Cn²)。

感热通量H和潜热通量LE

根据空气折射指数结构参数,并结合莫宁-奥布霍夫相似理论(MOST)与相关气象数据,计算得到大尺度区域上的平均地表热通量,即通过大孔径闪烁仪-微波闪烁仪系统,直接计算得出感热通量H(由于湍流运动从地面向大气传输的热量通量)和潜热通量LE(由于水汽相变向大气传输的热量通量)。

LAS 大孔径闪烁仪参数

LAS 大孔径闪烁仪发射波长为近红外波段,通过红外光束在最长达 4.5 公里的路径上传输,捕捉湍流大气中折射率的波动信号。其核心原理是利用光束传输过程中的强度闪烁特性,反演大气边界层的湍流参数,进而计算与能量平衡相关的关键通量数据。

具体参数

通量和蒸散的连续测量

测量大气折射率和Cn2,可直接测量感热通量(H)

气象传感器套件、净辐射传感器、土壤热通量传感器等,可组成LAS MkⅡET(Evapo-Transpiration)蒸散系统:同时测量风速、温度和大气压力,从而计算感热通量和蒸腾量,可用于水文监测、卫星监测数据地面验证、湍流特性、边界层能量平衡研究;

 

测量潜热通量(LvE)

气象站设备:同时测量风速、温度和大气压力值等;

 

可直接测量感热通量(H)以及蒸散(潜热通量,LvE);

WXT530自动气象站:测量蒸散和感热通量(气象数据采用测量值,直接测量感热和潜热通量),测量参数可应用于农业、气象、水文、天气预报、能量平衡等领域。

应用与研究方向

应用方向:较均匀下垫面的应用

                  复杂下垫面的应用

                  城市地区的应用

                  遥感模式的地面“真值"及在大气模式中的应用

研究方向:空气折射率结构常数

                  均匀/非均匀下垫面上测量感热和潜热湍流通量的应用

                  与EC系统的对比

                  LAS研究区域的代表性问题

                  大孔径闪烁仪在模型计算结果验证中的应用

                  验证卫星遥感模型计算区域蒸散量

                  验证遥感能量平衡算法等

总结

当前可用的面积平均通量观测方法,包括以涡动相关方法为主的多点微气象观测、飞机观测、卫星和地面遥感等5种。相对于以上四种方法,“光闪烁方法"应当是当前最为可行的、可以大到 10 km尺度的面积平均通量观测方法。特别是,它可以应用于复杂下垫面包括山谷地区和城市等,在评估具有大空间覆盖的遥感通量方面具有主要优势。

参考文献

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