无人机涡动系统在区域蒸散率观测研究中的应用

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

非均一下垫面区域蒸发率（Evaporative Fraction, EF）的准确观测对于复杂区域的地表能量平衡建模和卫星蒸散量的地面验证等至关重要。然而，由于地面观测站点的稀疏分布以及空间代表性的不足，导致区域蒸发率（EF）的观测往往缺乏可靠的数据。

本文由中国环境科学研究院孙义博等利用无人机搭载通量观测设备（EC150, Campbell Scientific）于2020年12月在江苏省盐城市沿海湿地上空（距离地面约90 -100 m）进行观测，其中包括7次与地面通量观测（IRGASON, Campbell Scientific）的对比飞行和4次区域EF过程研究飞行。

图1 通量观测设备在无人机上的分布情况

研究结果表明无人机通量观测系统能够提供可靠的区域EF观测数据。如下：

第一，无人机观测的感热通量（H）和潜热通量（LE）与地面通量观测值较一致：其中，感热通量的R²为0.84，RMSE为15.7W/m²，偏差为50.7W/m²；潜热通量的R²为0.77，RMSE为13.1W/m²，偏差为-3.67W/m².

图4  7次对比飞行中（COM1-COM7）机载通量数据的协谱分析

图6. 机载通量和地面通量的感热（a）、潜热（b）和摩擦风速（c）的比较

第二，从4次区域飞行中获得了53个通量观测数据，结合源区模型和高分辨率地面覆盖类型，确定通量贡献的源区范围以及源区范围内不同地表覆盖类型的累计权重。

图9. 研究区域内主要土壤覆盖类别感热和潜热通量的分解情况

第三，使用多元线性回归模型将机载通量分解为特定地表覆盖类型的组分通量，并解析每个地表覆盖类型的EF值。结果显示农田的EF最高（0.69±0.11），其次是互花米草（0.3±0.11）和芦苇（0.27±0.09）。

最后，无人机观测的芦苇地的EF值与地面通量观测值进行了比较，相对误差仅为2.9%。