無人機渦動係統在區域蒸散率觀測研究中的應用

原文<Observation of the winter regional evaporative fraction using a UAV-based eddy covariance system over wetland area> 發表於(yu) 2021年8月 Agricultural and Forest Meteorology

非均一下墊麵區域蒸發率（Evaporative Fraction, EF）的準確觀測對於(yu) 複雜區域的地表能量平衡建模和衛星蒸散量的地麵驗證等至關(guan) 重要。然而，由於(yu) 地麵觀測站點的稀疏分布以及空間代表性的不足，導致區域蒸發率（EF）的觀測往往缺乏可靠的數據。

本文由中國環境科學研究院孫義(yi) 博等利用無人機搭載通量觀測設備（EC150, Campbell Scientific）於(yu) 2020年12月在江蘇省鹽城市沿海濕地上空（距離地麵約90 -100 m）進行觀測，其中包括7次與(yu) 地麵通量觀測（IRGASON, Campbell Scientific）的對比飛行和4次區域EF過程研究飛行。

圖1 通量觀測設備在無人機上的分布情況

研究結果表明無人機通量觀測係統能夠提供可靠的區域EF觀測數據。如下：

第一，無人機觀測的感熱通量（H）和潛熱通量（LE）與(yu) 地麵通量觀測值較一致：其中，感熱通量的R²為(wei) 0.84，RMSE為(wei) 15.7W/m²，偏差為(wei) 50.7W/m²；潛熱通量的R²為(wei) 0.77，RMSE為(wei) 13.1W/m²，偏差為(wei) -3.67W/m².

圖4  7次對比飛行中（COM1-COM7）機載通量數據的協譜分析

圖6. 機載通量和地麵通量的感熱（a）、潛熱（b）和摩擦風速（c）的比較

第二，從(cong) 4次區域飛行中獲得了53個(ge) 通量觀測數據，結合源區模型和高分辨率地麵覆蓋類型，確定通量貢獻的源區範圍以及源區範圍內(nei) 不同地表覆蓋類型的累計權重。

圖9. 研究區域內(nei) 主要土壤覆蓋類別感熱和潛熱通量的分解情況

第三，使用多元線性回歸模型將機載通量分解為(wei) 特定地表覆蓋類型的組分通量，並解析每個(ge) 地表覆蓋類型的EF值。結果顯示農(nong) 田的EF最高（0.69±0.11），其次是互花米草（0.3±0.11）和蘆葦（0.27±0.09）。

最後，無人機觀測的蘆葦地的EF值與(yu) 地麵通量觀測值進行了比較，相對誤差僅(jin) 為(wei) 2.9%。