光闪烁方法：理论与应用

定　　价：208 元

• 作者：王介民等
• 出版时间：2025/10/1
• ISBN：9787030835918
• 出 版 社：科学出版社

• 中图法分类：P427.1 
• 页码：254
• 版次：1
• 开本：16

内容简介

本书首先对理解和应用光闪烁方法必需的“大气湍流”、“电磁波在湍流大气中的传播”，以及“微气象学”等领域的基础理论和研究方法，做简明扼要的阐述；进而分别对近30年来各种光闪烁仪的发展，特别是近年新发展的可在几百米到10km尺度上观测感热、潜热通量的双波段闪烁仪（OMS），以及其资料处理和质量控制方法，结合台站的应用做详细介绍。

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作者介绍

1957 – 1963年，北京大学地球物理系，高层大气物理专业，获学士学位 1982– 1984年，英国气象局研究院大气边界层研究室1963 – 1999年，中国科学院兰州地球物理研究所，高原大气物理研究所，研究员； 1999 – 2001年，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，即现在的西北生态环境资源研究院，研究员；曾任研究室主任、所长顾问等职。 2001年1月退休后被本研究所返聘；并曾在兰州大学、南京大学、北京师范大学、中国科学院大气物理研究所、中国气象局兰州干旱气象研究所等单位任兼职教授（研究员）。 1997 – 1998年，曾任日本千叶大学环境遥感中心客座教授。 2003 – 2004年，曾任日本冈山大学生物资源研究代表性论文（本人第一作者1990年以后部分）： 1. J. Wang and Y. Mitsuta. Peculiar downward water vapor flux over Gobi desert in the daytime. Journal Meteor. Soc. Japan, 1990. 68(3): 399-401 (IF：3.1，Q3) 2. J. Wang and Y. Mitsuta. Turbulence structure and transfer characteristics in the surface layer of the HEIFE Gobi area. Journal Meteor. Soc. Japan, 1991. 69 (5): 587-593 (IF：3.1，Q3) 3. J. Wang. Turbulence characteristics in an urban atmosphere of complex terrain. Atmospheric Environment, 1992. 26a (15): 2717-2724

目 录

目录
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CTT和湿度结构参数Cqq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
Contents
Chapter 1 Introduction 1
1.1 A Brief History of Scintillometry in Flux Observations 2
1.2 Characteristic Scale Parameters and Main Types of Scintillometers 4
1.3 A Comparison of Scintillometry and Eddy-Covariance Method 5
Chapter 2 Atmospheric Boundary Layer and Atmospheric Turbulence 8
2.1 Atmospheric Boundary layer 8
2.1.1 Basic Structure and Diurnal Variation Characteristics 8
2.1.2 Basic Equations of Motion and Energy-Mass Budget 9
2.2 Atmospheric Turbulence Characteristics and Turbulence Kinetic Energy Budget 12
2.2.1 Atmospheric Turbulence and Kolmogorov Turbulence Theory 12
2.2.2 Productions of Atmospheric Turbulence Kinetic Energy 14
2.2.3 Turbulence Kinetic Energy Budget Equation 15
2.2.4 Temperature Variance Budget Equation 16
2.3 Statistics of Atmospheric Turbulence 17
2.3.1 Time Series and Spatial Series 17
2.3.2 Statistical Moment 17
2.3.3 Correlation Function 19
2.3.4 Structure Function and Structure Parameter 20
2.3.5 Fourier Analysis 22
2.3.6 Turbulence Spectra 24
Chapter 3 Flux Transport and Similarity Theory in Atmospheric Surface Layer 35
3.1 Surface Energy Balance 35
3.2 K-Theory and Bowen Ratio Method in Flux Transport 37
3.2.1 K-Theory-Turbulent Diffusion Coefficient 38
3.2.2 Bowen Ratio Method 39
3.3 Eddy-Covariance Method 40
3.3.1 Theory and Observation System 41
3.3.2 Several Key Issues in Data Processing 46
3.3.3 Quality Control and Quality Evaluation 49
3.3.4 Errors and Uncertainties in Flux Estimates 50
3.4 Monin-Obukhov Similarity Theory (MOST) and Application 52
3.4.1 Atmospheric Stability 52
3.4.2 Dimension Analysis and Similarity Theory 54
3.4.3 Monin-Obukhov Similarity Theory 55
3.4.4 Similarity Formulae of Commonly Used Surface Layer Statistics 56
3.4.5 Scalar (Temperature, Humidity, etc.) Similarity Issues 62
3.4.6 Discussions on Flux-Gradient Similarities and the Derivation of Several Important Model Parameters 64
3.4.7 Flux Similarity Relationships under Free Convection 68
3.5 The Concept of Blending Height 70
Chapter 4 Basic Theory of Wave Propagation in Turbulent Atmosphere and Scintillometry 72
4.1 Light Scattering in Turbulent Atmosphere 72
4.2 Structural Parameter and Power Spectrum of Refractive Index of Air 74
4.2.1 Refractive Index of Air 74
4.2.2 Spatial Structure Parameters of Refractive Index 75
4.2.3 Power Spectrum of Air Refractive Index 76
4.3 Wave Propagation Equation and Derivation of Scintillometry Basic Formula 78
4.3.1 Electromagnetic Significance of Refractive Index 78
4.3.2 Maxwell Equations and The Simplified Wave Equations of Electromagnetic Field 79
4.3.3 Rytov Method for the Solution of Wave Propogation Equation 79
4.3.4 Solution of Disturbed Field Intensity Equation—The Basic Formula of Scintillometry 81
4.4 Extensions of the Basic Formula of Scintillometry 83
4.4.1 Variances of the Natural logarithm of light intensity at Receiver End 83
4.4.2 Influences of the Turbulence Inner Scale 84
4.4.3 Spatial Weight Functions 85
4.4.4 Saturation of the Variance of Logarithmic Light Amplitude in Strong Turbulence conditions 87
4.4.5 Aperture Averaging Effect and the Large Aperture Scintillometer 91
4.4.6 Water Vapor Absorption and the Temporal Spectra of Logarithmic Intensities 94
4.4.7 Structural Parameter of Air Refractive Index and Its Relation with Structural Parameters of Temperature and Humidity 102
4.4.8 Similarity Relationships of Temperature/Humidity Structural Parameters–Influences of Different Similarity Function on Flux Calculation 104
4.4.9 The Determination of Cross Wind Velocity 106
Chapter 5 Scintillometor: Major Types, System Configuration, and field Applications 110
5.1 Overview 110
5.2 Small Aperture Laser Scintillometer 111
5.2.1 System Configuration and Technical Specifications 111
5.2.2 Related Theory and Flux Calculation 112
5.2.3 Hardware and Software 118
5.2.4 Site Selection and Installation 119
5.2.5 Quality Control 119
5.3 Large Aperture Scintillometer (LAS & XLAS) 121
5.3.1 A Brief History of Developments and Major Types 121
5.3.2 Basic Theory and Flux Calculations 126
5.3.3 Hardware and Software 134
5.3.4 Site Selection and Installation 135
5.3.5 Quality Control 135
5.4 Microwave Scintillometer (MWS) and Optical-Microwave Scintillomete System (OMS) 136
5.4.1 The Early Developments of MWS and OMS 136
5.4.2 Main Difficulties in the Development of Microwave Scintillometor and the Selections of Waveband 137
5.4.3 RPG-MWSC Microwave Scintillometor and the Dual-band Scintillometer System (OMS) 138
5.4.4 RPG-MWSC-160: Hardware Configuration 139
5.4.5 RPG-MWSC: Software 140
5.4.6 RPG-MWSC: Data Outputs 142
Chapter 6 Data Processing for the Optical-Microwave Scintillometer 144
6.1 Overview 144
6.2 Raw Data Preprocessing 145
6.2.1 Raw Data Time Series of the RPG-OMS 145
6.2.2 Missing Data Discrimination 146
6.2.3 Removal of Data Outliers as "Spikes” and "Dropouts" 147
6.2.4 High-pass (or Band-pass) Filtering of Raw Light Intensities 150
6.3 Flux Calculation Principle and Basic Steps of the OMS System 153
6.3.1 Calculation of Logarithmic Intensity Variance with High-pass Filtering 153
6.3.2 Calculation of Refractive Index Structural Parameters from Variances and
Covariance of Logarithmic Light Intensities 153
6.3.3 Calculation of Temperature Structure Parameter CTT and Humidity Structure Parameter Cqq 155
6.3.4 Similarity Relationships of Temperature and Humidity Structural Parameters 160
6.3.5 Calculatio of Sensible and Latent Heat Fluxes 162
6.3.6 Evaluation of turbulent fluxes under free convection 163
6.3.7 Effective Height of the Optical Path 164
6.4 Quality Control from Observation to Flux Calculations 169
Chapter 7 Footprint Analysis in Scintillometer Flux Observations 172
7.1 Concepts and Definitions 172
7.1.1 Basic Concept of Flux Footprints 172
7.1.2 Main Factors Affecting the Flux Footprint 174
7.1.3 Climatological Flux Footprints 176
7.1.4 Flux Footprint of Scintillometers 177
7.2 Flux Footprint Models 178
7.2.1 Overview 178
7.2.2 Analytical Models 180
7.2.3 Lagrangian Stochastic Models and their Parametrized Analytical Models 185
7.2.4 Complex Models Based on Navier-Stokes Equations 191
7.2.5 Comparison and Verification of Footprint Models 193
7.3 Applications of Flux Footprint in Flux Observations 195
7.3.1 Selection of Flux Station Location and Observation Height 195
7.3.2 Data Analysis and Quality Control in Flux Observation 195
7.3.3 Comparative Analysis for Scintillometer and Eddy Covariance Flux Observations Based on Flux Footprints 196
7.3.4 Scale Expansion of Observations Based on Flux Footprints 198
Chapter 8 Development, Application and Prospect of Scintillometry in Past 30 Years 204
8.1 Major Developments in Observation Systems 204
8.1.1 Optical Small Aperture Scintillometers 204
8.1.2 Large and Extra-large Aperture Scintillometesr 205
8.1.3 Microwave Scintillometers 205
8.2 Major Progresses in Basic Theoretical Research and Data Processing Method 206
8.2.1 Deeper Understanding and Mature Applications for the Basic Equations of Scintillometry 206
8.2.2 Further Understanding of Monin-Obukhov Similarity Theory and the New Fitting of Similarity Functions for Temperature and Humidity Structure Parameters 208
8.2.3 New “Bichromatic correlation method” for Calculating Temperature and Humidity Structure Parameters in the Observations with OMS System 209
8.2.4 Application of Footprint Functions in the Observation and Analysis by Using Scintillometers 210
8.2.5 Other Progresses in Theoretical Analysis and Data Processing 210
8.3 Applications of Scintillometry on Different Underlying Surfaces over the Past 30 Years 211
8.3.1 Applications over Relatively Homogeneous Surface and Comparison with Eddy-covariance Method 211
8.3.2 Applications over Heterogeneous Surfaces 213
8.3.3 Applications over Urban and Suburban Areas 216
8.3.4 Applications over Water Surface and Water-Land Interface Area 217
8.3.5 “Ground-truth” for Remote Sensing Models 219
8.4 Conclusion and Outlook 221
Appendix 1 Derivation of Formulas for Variance of Log-Amplitude and Refractive Index Structure Parameter 225
Appendix 2 The Major Development and Application Research of Scintillometry Since 1990 230
Acknowledgements 234
Further Monographs 235
Abbreviations and Symbols 236
References 240