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区域尺度地表水热通量的获取,对气候、水文、农业、生态等多个学科领域的研究和实际应用都具有非常重要的意义和参考价值。地面观测技术(如涡动相关仪、大孔径闪烁仪等)可以获取斑块尺度上精确的、连续的地表水热通量信息。遥感技术则克服了地面观测空间尺度的局限性,是大范围能量平衡和水分平衡动态监测的有效手段,但不同尺度估算结果的精度亟待发展与其时空尺度匹配的、有效的地面观测数据和验证方法,以保证估算结果的可靠性。 论文利用了2002年、2004年北京昌平小汤山国家精准农业试验基地,2008-2009年海河流域密云站、馆陶站和大兴站,2010年河南省济源市黄河小浪底森林生态系统定位研究站,以及2008年黑河流域阿柔站的地面观测数据,在对大孔径闪烁仪观测数据的处理方法进行讨论的基础上,结合足迹模型对地面观测与遥感估算的地表感热通量及其之间的尺度关系进行了研究,本论文得到的主要结论如下: (1)大孔径闪烁仪原始数据首先需要进行降水、饱和、弱信号强度及弱湍流数据的剔除。以密云站和馆陶站2008年不稳定状态下大孔径闪烁仪的观测数据为例进行分析,结果表明:空气折射指数结构参数应结合其输出电压值的标准差进行计算,可采用逐日的日平均波文比系数进行湿度订正,有效高度的计算中需要结合光径路线上的权重函数加权计算,稳定度普适函数可选取Andreas(1988)函数。对于30min感热通量的缺失,稳定状态下以零值进行插补,不稳定状态下根据净辐射与感热通量之间的非线性回归关系进行插补。对于日感热通量的缺失,采用了动态线性回归方法由净辐射和土壤热通量进行插补。利用涡动相关仪和大孔径闪烁仪观测蒸散量建立的相关关系对冬天缺失的蒸散量数据进行了插补。建立了一套完整的大孔径闪烁仪观测数据处理流程,保证了不同下垫面、不同观测条件下获取结果的连续可靠性。 (2)将建立的大孔径闪烁处理流程分别应用在海河流域密云、馆陶和大兴站,通过对2008-2009年数据的分析,表明在典型晴天和阴天条件下,密云站、馆陶站和大兴站涡动相关仪和大孔径闪烁仪观测感热通量与净辐射的日变化趋势相同,不同下垫面上的感热通量都表现出了显著的季节变化趋势,并与下垫面植被类型及作物物候期的变化相吻合。分别计算了密云、馆陶、大兴三个站点2009年5-9月月平均气候学足迹,对其时空变化特征进行了分析,涡动相关仪和大孔径闪烁仪观测源区内不同地物所占比例的季节变化不显著。 (3)分析了不同下垫面上涡动相关仪和大孔径闪烁仪获取感热通量结果的相关性,并从涡动相关仪的能量闭合率、涡动相关仪和大孔径闪烁仪观测通量足迹的重叠程度及非重叠区域下垫面的非均一性等三个方面,讨论了不同尺度上感热通量观测值之间存在差异的原因。分别在草地和林地下垫面上,利用大孔径闪烁仪的观测数据,对两台涡动相关仪的聚合结果进行了验证,在草地下垫面上一致性较好,相关系可以达到1.0226和0.8895。而在林地下垫面上聚合效果不明显。 (4)在不同下垫面上分析了上午和下午两个时闻段内,由风速、辐射加热作用等变化造成的大孔径闪烁仪观测通量足迹的尺度与累积权重的改变。通过假定地表感热通量在不同时刻间不变,讨论了自天不稳定状态下及不同大气状况对涡动相关仪和大孔径闪烁仪95％观测通量源区范围和加权感热通量随时间的变化趋势。模拟了不同土地利用类型及不同分辨率的遥感数据,对遥感数据与观测通量足迹加权感热通量时的影响,表明:基于足迹对遥感数据与观测数据进行的空间匹配,是遥感数据验证中的关键步骤。特别是针对非均一性较大的下垫面和中低分辨率的遥感数据时,有必要结合观测通量的足迹进行加权。利用涡动相关仪和大孔径闪烁仪分别对landsat TM和AATSR数据估算的地表感热通量进行了验证,认为大孔径闪烁仪结合足迹可更好的对中高分辨率遥感数据进行验证。 (5)对于中低分辨率遥感数据,大孔径闪烁仪也很难覆盖一个完整像元,因此尝试了由聚合的Landsat TM数据对AATSR数据进行验证。根据参数聚合和通量聚合方法得到的结果,通过对参数聚合中的尺度效应和通量估算中的非线性关系进行了初步探讨,认为在所选下垫面和空间分辨率上,地表温度、归一化植被指数以及动力学粗糙度等地表参数的差异不明显,但是AATSR数据估算的地表温度系统偏高。还需进一步结合大气边界层模式更好的模拟和理解不同尺度上的地气交换作用。