光闪烁方法：理论与应用

第1章绪论 1
1.1 光闪烁方法通量观测发展简史 2
1.2 闪烁仪特征尺度参数及主要类型 4
1.3 光闪烁方法与涡动相关方法的比较 5
第2章大气边界层与大气湍流 8
2.1 大气边界层 8
2.1.1 基本结构及日变化特征 8
2.1.2 运动与能量–物质收支基本方程 9
2.2 大气湍流特征与湍流动能收支 12
2.2.1 大气湍流特征与柯尔莫果洛夫湍流基础理论 12
2.2.2 大气湍流动能的生成 14
2.2.3 湍流动能收支方程 15
2.2.4 温度方差收支方程 16
2.3 大气湍流的统计分析 17
2.3.1 时间序列与空间序列 17
2.3.2 统计矩 17
2.3.3 相关函数 19
2.3.4 结构函数与结构参数 20
2.3.5 傅里叶分析 22
2.3.6 湍流谱 24
第3章近地层大气的通量输送与相似理论 35
3.1 地表能量平衡 35
3.2 通量输送的K理论与波文比方法 37
3.2.1 K理论·湍流扩散系数 38
3.2.2 波文比方法 39
3.3 涡动相关方法 40
3.3.1 原理与观测系统 41
3.3.2 数据处理中的几个关键问题 46
3.3.3 质量控制和质量评价 49
3.3.4 通量的误差和不确定性 50
3.4 莫宁–奥布霍夫相似理论（MOST）及其应用 52
3.4.1 大气稳定度 52
3.4.2 量纲分析与相似理论 54
3.4.3 莫宁–奥布霍夫相似理论 55
3.4.4 几个常用近地层统计量的相似关系 56
3.4.5 标量（温度、湿度等）相似性问题 62
3.4.6 基于通量梯度相似关系的一些推论及几个模式重要参数的导出 64
3.4.7 自由对流下的通量相似关系 68
3.5 掺混高度概念 70
第4章湍流大气中的波传播与光闪烁方法的基础理论 72
4.1 湍流大气中光的散射 72
4.2 折射指数的结构参数与功率谱 74
4.2.1 空气的折射指数 74
4.2.2 折射指数的空间结构参数 75
4.2.3 折射指数的功率谱 76
4.3 波传播方程与光闪烁基本公式的推导 78
4.3.1 折射指数的电磁学意义 78
4.3.2 麦克斯韦方程组及简化的电磁场波动方程 79
4.3.3 波动方程求解的平缓扰动（Rytov）方法 79
4.3.4 扰动场强方程的解——光闪烁基本公式 81
4.4 光闪烁基本公式的扩展分析 83
4.4.1 接收端对数光强方差 83
4.4.2 湍流内尺度的影响 84
4.4.3 空间权重函数 85
4.4.4 强湍流条件下对数光幅方差的饱和问题 87
4.4.5 孔径平均效应与大孔径闪烁仪 91
4.4.6 水汽吸收问题和对数光强时序谱 94
4.4.7 空气折射指数的结构参数及其与温度、湿度的结构参数的关系 102
4.4.8 温度、湿度结构参数的相似关系——不同相似函数对通量计算的影响 104
4.4.9 横风风速的确定 106
第5章几种主要光闪烁仪的系统配置及外场应用 110
5.1 概述 110
5.2 小孔径激光闪烁仪 111
5.2.1 系统配置与技术规格 111
5.2.2 相关理论与通量计算 112
5.2.3 硬件与软件 118
5.2.4 站点选择与安装 119
5.2.5 质量控制要点 119
5.3 大孔径闪烁仪 121
5.3.1 大孔径闪烁仪的研发简史及几种主要类型 121
5.3.2 基本理论与通量计算 126
5.3.3 硬件与软件 134
5.3.4 站点选择与安装 135
5.3.5 质量控制要点 135
5.4 微波闪烁仪及双波段光闪烁仪（OMS）系统 136
5.4.1 微波闪烁仪及光学–微波双波段闪烁仪系统的早期研发 136
5.4.2 微波闪烁仪研制的主要难点及波段的选择 137
5.4.3 RPG-MWSC微波闪烁仪及双波段闪烁仪（OMS）系统 138
5.4.4 RPG-MWSC-160的硬件配置 139
5.4.5 RPG MWSC软件 140
5.4.6 RPG MWSC的数据输出 142
第6章双波段闪烁仪的数据处理 144
6.1 概述 144
6.2 原始数据预处理 145
6.2.1 RPG-OMS的原始数据时间序列 145
6.2.2 数据缺失判别 146
6.2.3 数据离群值如“野点”及“掉包”的剔除 147
6.2.4 原始光强数据的高通（或带通）滤波 150
6.3 双波段闪烁仪通量计算原理与基本步骤 153
6.3.1 加高通滤波的对数光强方差计算 153
6.3.2 由对数光强方差与协方差计算折射指数结构参数 153
6.3.3 温度结构参数C_TT和湿度结构参数C_qq的推算 155
6.3.4 温、湿度结构参数的相似关系 160
6.3.5 感热通量和潜热通量的计算 162
6.3.6 自由对流条件下的湍流通量估算 163
6.3.7 光程有效高度 164
6.4 由观测到通量计算的质量控制 169
第7章闪烁仪通量观测的足迹分析 172
7.1 概念与定义 172
7.1.1 通量足迹的基本概念 172
7.1.2 影响通量足迹（footprint）的主要因子 174
7.1.3 通量的气候学足迹 176
7.1.4 光闪烁仪的通量足迹 177
7.2 通量足迹模式 178
7.2.1 概述 178
7.2.2 解析模式 180
7.2.3 拉格朗日随机模式及其参数化的解析模式 185
7.2.4 基于纳维–斯托克斯方程的复杂模式 191
7.2.5 足迹模式的比较与验证 193
7.3 足迹模式在通量观测中的应用 195
7.3.1 通量站点位置与观测高度等的选择 195
7.3.2 通量观测的数据分析和质量控制 195
7.3.3 基于通量足迹的闪烁仪与涡动相关通量观测的对比分析 196
7.3.4 利用通量足迹做观测的尺度扩展 198
第8章光闪烁方法近30 年来的发展、应用与展望 204
8.1 观测系统的主要发展 204
8.1.1 光学小孔径闪烁仪 204
8.1.2 大孔径闪烁仪和超大孔径闪烁仪 205
8.1.3 微波闪烁仪 205
8.2 基础理论研究与数据处理方法的主要进展 206
8.2.1 闪烁仪基本方程的更深入理解与成熟应用 206
8.2.2 对莫宁–奥布霍夫相似理论的进一步理解及新的温湿度结构参数相似函数的拟合 208
8.2.3 由双波段闪烁仪观测计算温、湿度结构参数的“双波长相关方法” 209
8.2.4 光闪烁方法观测与分析中足迹函数的应用 210
8.2.5 理论分析与数据处理的其它进展 210
8.3 30 年来光闪烁方法在不同下垫面上的应用 211
8.3.1 在较均匀下垫面上的应用及与涡动相关方法的比较 211
8.3.2 非均匀陆面的应用 213
8.3.3 城市复杂下垫面光闪烁仪的应用 216
8.3.4 水面及水陆交界区光闪烁仪的应用 217
8.3.5 遥感模式的地表“真值” 219
8.4 结论与展望 221
附录1 点光源对数光幅方差及折射指数结构参数等计算式的推导 225
附录2 1990年以来光闪烁方法的主要发展与应用研究 230
致谢 234
推荐阅读专著 235
缩写与符号 236
参考文献 240