ZZLAS型闪烁仪信号饱和界限的确定*

张 功，张劲松**，施生锦，孟 平，黄彬香，郑 宁，李彦磊，才其骧



ZZLAS型闪烁仪信号饱和界限的确定*

张 功1,2，张劲松1,2**，施生锦3**，孟 平1,2，黄彬香3，郑 宁1,2，李彦磊3，才其骧3

（1.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；2.南京林业大学南方现代林业协同创新中心，南京 210037；3.中国农业大学资源与环境学院，北京 100093）

闪烁仪能够快速准确地测量区域尺度水热通量，中国产ZZLAS型闪烁仪因测量准确、操作方便、价格低廉等优势在国内具有广阔的应用前景。为进一步提高ZZLAS型闪烁仪的测量精度，推广其在水热通量等研究领域的应用，本文于2014年8-9月，以BLS900为参考标准，分别选择孔径为0.15m和0.075m的ZZLAS型闪烁仪，在平坦均匀的草原下垫面进行信号饱和测定，确定ZZLAS型闪烁仪的饱和界限；并于2014年9-10月，用孔径为0.15m和0.075m的ZZLAS型闪烁仪在复杂的农田下垫面对饱和界限进行验证。结果表明，ZZLAS型闪烁仪的强饱和界限为0.359，弱饱和界限为0.099。验证结果显示，在上述饱和界限条件下，孔径为0.075m的ZZLAS型闪烁仪饱和率最大，为24.58%。实验所得的饱和界限可成为ZZLAS型闪烁仪饱和判断的参考，且在此饱和界限条件下，ZZLAS型闪烁仪发生的饱和现象多属弱饱和现象，可以通过数学方法进行修正。

显热通量；蒸散；区域尺度；湍流强度

地表水热通量，特别是蒸散潜热[1-2]的观测一直是农林、生态、水文、气象等领域的重点内容。虽然波文比-能量平衡法（Bowen Ratio Energy Balance，BREB）、涡动相关法（Eddy Covariance，EC）以及气象参数估算[3-4]等方法已在实际研究中广泛应用，但此类观测方法的空间代表性仅几十至几百米，根据单独站点的观测结果来推算区域尺度上的通量存在较大误差[5]，而基于光传输理论发展起来的闪烁仪方法为这些问题的解决带来了希望。

闪烁仪在实际应用中，除了受天气条件如结露、降水、低能见度等的影响[9-10]，也受到方法的限制，如信号饱和[12-13]。信号饱和是指强湍流时，闪烁仪接收的信号强度自然对数方差（）与的线性关系达到阈值并偏离正常值范围，甚至减小的现象。有学者[14-15]认为，闪烁仪孔径越小，光路径越长，安装高度越低，越容易出现饱和现象。研究表明[16]，闪烁仪的观测误差随信号强度的降低而增大，并根据Ochs提出的饱和界限0.193L-8/3λ1/3D5/3进行判断并剔除数据[7-8,13-15]，其中，D为闪烁仪孔径（m）；L为闪烁仪接收端与发射端的距离（m）；λ为闪烁仪的波长（m）。国内学者也将Ochs提出的饱和界限作为ZZLAS型闪烁仪饱和判断的依据[9-11]。也有研究表明[12]，闪烁仪的饱和界限为0.074L-8/3λ1/3D5/3，且部分饱和数据（其中的弱饱和数据）可以进行修正[13]。在应用ZZLAS型闪烁仪时，如果仅按0.193L-8/3λ1/3D5/3进行饱和数据筛选并剔除，可能会减弱ZZLAS型闪烁仪的数据质量，引起测量误差。因此，本文通过实验方法确定ZZLAS型闪烁仪的强饱和界限和弱饱和界限，旨在从最大程度上提高ZZLAS型闪烁仪的数据质量，使其测算的水热通量更准确，以期为深入研究能量平衡、水分平衡在气候变化研究中提供基础数据，同时为科学解决水资源短缺[5,17]、改善各种尺度气象预报[6]、污染扩散等实际应用问题提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验概况

以北京师范大学和中国农业大学小气候与仪器实验室联合研制的ZZLAS型闪烁仪为研究对象，选择同时期生产、孔径为0.075m（记为ZZLAS1）和0.15m（记为ZZLAS）两套闪烁仪进行实验。实验分三部分：（1）为减小系统误差，2014年8月在沽源国家野外实验站，以BLS900（德国）为参考标准，对两套闪烁仪（ZZLAS1和ZZLAS）进行标定。（2）2014年8-9月，在沽源实验站布设BLS900、ZZLAS1和ZZLAS三套仪器，对ZZLAS1和ZZLAS进行不同饱和程度观测，通过比值法和拟合方法确定ZZLAS型闪烁仪的饱和界限值。（3）2014年9-10月，在中国农业大学上庄实验站的农田布设ZZLAS1和ZZLAS，利用沽源实验得出的饱和界限与常用的0.193L-8/3λ1/3D5/3界限对实测数据进行饱和率分析，以此判断得到的饱和界限能否准确反映出ZZLAS的饱和现象。

ZZLAS型闪烁仪的正常工作电压为1.5 V，结合其信号输出情况[18]，剔除信号值Demod小于-5mV的信号，并剔除信号缺失时刻数据。根据自动气象站的记录，剔除降雨时刻以及相对湿度大于90%的数据[19]。经数据质量控制后，沽源实验有效数据样本量N=4359，上庄实验有效数据样本量N=3127。

1.2 沽源站实验设置

沽源县草地生态系统国家野外实验站位于河北省张家口市沽源县，海拔1460m，处于典型草原、隐域性低湿草甸草原向半农半牧生态系统过渡的区段，属温带大陆性草原气候，年降水量426mm，蒸发量大。该地区以干旱为主，风沙大。研究区域植被以牧草为主。

实验于2014年8月28日-9月16日进行，选择沽源站东边的草场，南北长724 m，东西长150m。实验期间气温较低，蒸发量大，降雨频繁，并有结露霜冻天气；草茬平均高度10cm，地面平坦，仪器架设高度即可当作有效高度。为减少太阳光直射影响，闪烁仪安装呈东南-西北方向。为避免信号交叉影响，相邻两套闪烁仪采取发射端与接收端相邻的交叉安装方式，即ZZLAS1的接收端与ZZLAS的发射端相邻，仪器布置方案如图1所示，详细信息如表1所示。其中，BLS900采样频率为1Hz，存储频率为每分钟1次；ZZLAS型闪烁仪采样频率为1Hz，存储频率为每分钟1次；自动气象站主要用于观测实验期间的降雨量以及湿度数据，采样频率为1Hz，存储频率为每10min 一次。

注：T代表发射端，R代表接收端。ZZLAS表示孔径为0.15m，ZZLAS1表示孔径为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 沽源站实验仪器安装信息

Note：AWS is short for automatic weather station.

1.3 上庄站实验设置

中国农业大学上庄实验站位于北京市海淀区上庄镇辛力屯村东，实验期间主要种植玉米、棉花等作物。下垫面植物长势茂盛，植株高度不一，降水少，蒸发量小，人为活动影响大。

实验于2014年9月21日-10月6日进行，实验布置如图2所示。仪器均安装在4m高的铁塔上，用GPS沿光路径测量距离发射端不同距离处的植被高度，根据路径权重函数计算得出闪烁仪光径的有效高度为1.72m，光路长846m。闪烁仪安装方式与沽源实验相同，两套闪烁仪的中心间距为1.15m。路径中间偏东北的位置设有自动气象站，实验期间主要参考其降水量数据以及湿度数据。

2 结果与分析

2.1 信号饱和界限的理论分析与算法确定

2.1.1 理论分析

闪烁仪包括发射端和接收端两部分。接收端接收发射端发出固定波长（通常为880nm）的光束信号，根据其信号强度（I）的波动计算其自然对数方差（），在弱湍流条件下，与存在固定的线性关系,即[20-22]

式中，D为闪烁仪的孔径（m）；L为发射端与接收端距离（m）。

当发展到“强弱”湍流阶段时，此线性关系出现轻微变化，通过修正处理后仍满足式（1），此称为弱饱和界限；在强湍流状态时，一阶散射理论不成立，二者的线性关系消失，所测数据均不可用，称为强饱和界限。

1978年Wang等[20]推导出了闪烁仪发生饱和现象的条件，即

（3）

（4）

式中，A为饱和发生的经验系数。本研究主要通过确定A值来判断ZZLAS型闪烁仪的饱和发生条件。

2.1.2 处理方法

闪烁仪的饱和现象主要受到孔径尺寸D和距离L的影响。L越大，D越小，其观测到的湍流数量越多，饱和现象越容易发生[13,20,23]。因此，本实验所选ZZLAS型闪烁仪具有固定的孔径尺寸，调节安装距离与高度确保ZZLAS1具有明显的饱和现象。

（1）比值法

在本实验中仪器布置条件下，ZZLAS1比ZZLAS具有更加明显的饱和趋势。ZZLAS1未发生饱和现象时，ZZLAS测量的与ZZLAS1测量的比值小于1；而当ZZLAS1发生饱和现象时，比值则会大于1，由此确定是否发生饱和现象。

（2）拟合法

未发生饱和现象时，实验中各闪烁仪所测数据相互之间均符合固定的线性关系；发生饱和现象时闪烁仪的测量值与未发生饱和现象测量值更符合多项式关系。因此，研究中保证ZZLAS1发生明显饱和现象，同时保证ZZLAS和BLS900无明显饱和现象，便可通过对测量数据拟合函数的交点来确定饱和发生界限。线性拟合函数与多项式拟合函数交点以下可看作未饱和数据，交点以上为饱和数据。

2.2 ZZLAS型闪烁仪信号饱和界限的确定

2.2.1仪器的标定

为减小系统误差，以BLS900为标准，在沽源实验站对两套ZZLAS型闪烁仪进行标定。仪器布设与图1相同，光路长度平均为200m，安装高度平均为1.5m。实验前期用两套ZZLAS与BLS900同步观测，分别与BLS900数据进行线性拟合，方程的斜率即为标定系数，如图3所示，其中ZZLAS的标定系数为0.573，ZZLAS1的标定系数为0.757。

图4为ZZLAS1和ZZLAS两套闪烁仪标定前后的对比。从图可以看出，标定前，两套闪烁仪线性拟合的斜率为0.864，标定后线性拟合的斜率变为0.962，数据拟合的R2稍有提高，两套闪烁仪的系统误差减至3.8%。根据Kleissl等研究结果[13,24]，荷兰Kipp&Zonen公司同型号闪烁仪观测感热通量之间的斜率差异为6%，德国Scintec公司同型号闪烁仪观测感热通量之间的斜率差异为3%左右。因而认为，本实验误差在可接受范围内，符合观测要求。由于实验中选择的两套闪烁仪具有孔径差异（孔径分别为0.075m和0.15m），标定前的一致性为13.6%左右（图4a），将沽源实验站观测的ZZLAS和ZZLAS1数据均乘以图3中的标定系数后，一致性提高显著（图4b）。

2.2.2 不同方法计算饱和界限

（1）比值法

图5是根据ZZLAS和ZZLAS1在沽源站实测数据进行比值法处理的结果。由图可见，图中所示沽源实验的饱和界限为0.099，比Ochs提出的0.193饱和界限更小。后者是目前判断闪烁仪饱和现象的普遍方法，其更多是从理论层面对湍流尺度进行分析得出的结果，忽略了实际测量时多因子的综合效应，如水汽吸收效应[9-10]、信号强度减弱[13]等。

注：纵坐标是ZZLAS测得与ZZLAS1测得的比值；横坐标为系数A，是ZZLAS1测量的与D5/3λ1/3L-8/3比值运算后的结果。曲线与y=1线的交点即为“饱和”的位置，高于1的部分表示已经出现“饱和”现象。本研究需要确定位于“饱和”位置时的系数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）拟合法

比值运算得到的饱和界限属弱饱和界限，无法确定强饱和界限，而拟合法可以弥补这一缺点，且拟合法得出的弱饱和界限也可与比值法的结果相互验证。

图6是根据沽源实验中ZZLAS、ZZLAS1以及BLS900三套闪烁仪的测量结果，在实验设定的前提条件下，对数据进行线性拟合和多项式拟合得出的结果。从图可知，ZZLAS测量的与BLS900测量的拟合度R2为0.891，斜率为1.462。而ZZLAS1测量的与BLS900的结果在线性拟合时，斜率为1.605，拟合度R2仅为0.785；进行三次多项式拟合时，ZZLAS1测量结果与BLS900的测量结果拟合度R2为0.903。因此，三次多项式拟合更能反映出ZZLAS1测量结果与BLS900测量结果的关系。根据图中ZZLAS和ZZLAS1测量的与BLS900测量的测量结果拟合的多项式关系，计算得出其交点处的分别为3.93×10-13和1.67×10-12，分别对应饱和界限点为0.097和0.395。其中，0.097为弱饱和界限，而0.395为强饱和界限。

注：表示ZZLAS测量值，表示ZZLAS1测量值，表示ZZLAS1与BLS900的线性拟合关系，表示ZZLAS1与BLS900的多项式拟合关系，表示ZZLAS与BLS900的线性拟合关系

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型闪烁仪信号饱和界限的分析确定

Clifford等研究认为[21]，强湍流下任意折射指数的谱函数都会无限趋近于定值π2/24。据此，计算ZZLAS1测量结果与BLS900测量结果拟合的多项式关系，得出为1.460×10-12，对应的饱和界限为0.359，比拟合法得出的强饱和界限0.395在数值上更精确，且具有理论依据。闪烁仪测量出现饱和现象时，达到强饱和的数据应予以剔除，考虑到闪烁仪测量的正常范围在10-14～10-13，因此，本研究更倾向于将ZZLAS型闪烁仪的强饱和界限定义为0.359。通过比值方法和拟合方法得出的弱饱和界限分别为0.099（标记为GY1）和0.097（标记为GY2）。根据强饱和界限（OS）、Ochs饱和界限（OH82）以及沽源实验得出的界限（GY1，GY2），分别计算沽源实验中各套闪烁仪的饱和数据情况，如表2所示。

BLS900是双光路闪烁仪，信号强度大，本身具有抗饱和性能，且该系统自带的数据处理单元可以对饱和数据进行修正，因此，本实验将BLS900当作理想的参考标准，实验中不会出现饱和现象。在沽源实验条件下，依据实验得出的饱和界限条件，若BLS900出现饱和现象，表明该饱和界限可能偏小，容易引起测量误差。由表2可知，弱饱和界限为0.097时，沽源实验测量数据出现的饱和率最大，ZZLAS1饱和率为15.84%；以0.099为弱饱和界限时，ZZLAS1的饱和率为12.36%。但0.097作为弱饱和界限时，BLS900发生了饱和现象，因而将0.099作为本研究得出ZZLAS型闪烁仪的弱饱和界限。

表2 不同饱和界限下沽源实验中各闪烁仪的观测结果（2014-09-02-15）

2.4 结果验证

为检验实验所得ZZLAS型闪烁仪的饱和界限能否正确表征ZZLAS型闪烁仪的饱和现象，本研究在异质下垫面的上庄实验站进行观测验证。表3是根据沽源实验得出的饱和界限与普遍采用的Ochs界限对上庄实验数据计算得出的饱和值以及饱和率。从表中可知，以0.099为弱饱和界限时，ZZLAS1饱和率最大为24.58%，而Ochs界限饱和率仅为11.32%。综合表2和表3，依据强饱和界限时，ZZLAS在两处实验均未出现强饱和情况，弱饱和现象在上庄实验中最大，饱和率为2.04%；ZZLAS1则出现了明显的饱和现象，可能是人为活动造成的机械扰动使光路径上的湍流强度及数量发生变化的原因[12]。实验结果表明，Ochs界限条件下ZZLAS1的饱和率约为沽源实验得出的饱和界限条件下饱和率的50%。

表3 2014年9月21日-10月6日上庄实验ZZLAS型闪烁仪观测结果

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）中国产ZZLAS型闪烁仪的强饱和界限为0.359，弱饱和界限为0.099。实验中，按此界限，ZZLAS1表现出更明显的饱和现象，且在上庄实验中饱和率最大，为24.58%。所得界限能较好地表征ZZLAS型闪烁仪的饱和现象，建议在进行数据质量控制时剔除达到强饱和界限的数据。

（2）中国产ZZLAS型闪烁仪发生饱和现象时，大多数饱和现象属于弱饱和现象，可通过数学方法进行修正。本文在平坦均匀的下垫面条件下，通过实验得出中国产ZZLAS型闪烁仪的强弱饱和界限，并在异质的农田下垫面条件下得到验证，能够作为其发生饱和现象的判断参考。

3.2 讨论

许多关于闪烁仪饱和界限的研究[20-22]均从理论方面进行，通过假设理想条件，计算出该假设条件下的饱和界限，容易忽略实际测量中的湍流引起的综合效应。Kohsiek等[12]根据Ochs的界限研究发现，闪烁仪发生饱和现象时可造成结果偏低约20%，此界限在本研究中的饱和率较小，有可能造成对中国产ZZLAS型闪烁仪饱和数据的低估。Kleissl等[13]在新墨西哥的干旱草原上进行关于Kipp&Zonen公司闪烁仪饱和实验，得出的饱和界限为0.074，与本文研究结果相近。实际测量中，饱和现象与实验地区的气象因子[9-10]以及湍流因素[12,21]有关，信号在传播过程中会受到水汽吸收以及大气散射等因素的影响[12-13,22]，从而发生信号衰减，可能导致饱和界限产生差异。

本实验得出的ZZLAS型闪烁仪的弱饱和界限和强饱和界限，可作为该型号闪烁仪饱和判断的参考，完善了国内关于闪烁仪在饱和方面的研究。如何修正弱饱和数据，使ZZLAS型闪烁仪具有更高的数据质量，这是饱和现象研究的另一重要内容，也是下一阶段的研究重点。

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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

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2016-11-24

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

国家自然基金“闪烁仪法测算森林生态系统显热通量不确定性的研究”（31500363）；中央级公益性科研院所基本科研业务费“闪烁仪法测算区域水热通量不确定性的研究”（CAFYBB2016QB001）

张功（1989-），博士生,主要从事林业气象、林业生态等研究。E-mail：12720484zg@sina.cn