利用能原位矫正探针间距的TDR-热脉冲多功能探头测量土壤热特性，液态水和冰含量

TDR probe and dual heat pulse probe (DPHP) methods are widely used in measuring soil thermal properties and soil water content. To reduce the errors caused by probe deflection in the measurements, the traditional probe length of the DPHP is usually less than 5 cm, which will result in the decrease accuracy of measured water content. Therefore, the multi-purpose probe which combines the TDR and DPHP methods cannot match the needs of real application. In this study, we intend to solve the following problems:.(1) Based on the infinite linear heat source, to improve the self-spacing-correcting DPHP method theoretically with taking the limited diameter and heat capacity of the probe body in to account..(2)To make the multi-purpose probe which can be used as the TDR probe and self-spacing-correcting DPHP probe simultaneously and use it in the measurement of thermal properties and ice content of frozen soil in laboratory..(3)To apply the new multi-purpose probe in field to measure the heat capacity, water content and ice content values of soil,by taking the soil-atmosphere-interface boundary condition and initial condition into accounts. The results will be compared with those measured by cosmic ray soil moisture monitoring system (COSMOS).

TDR探针和双针热脉冲探针方法被广泛用来测量土壤热特性以及土壤水分含量。作为传统的双针热脉冲探针方法，为了减小由于探针变形而引起的测量误差，在实际应用中探针长度通常小于5厘米。而传统的TDR探针在长度小于5厘米后导致水分测量精度降低。这就造成目前能同时作为TDR探针和双针热脉冲探针使用的多功能探针无法满足实际测量需要。本研究拟解决以下问题：.（1）从理论上将基于无限线性热源近似的，双针热脉冲探针原位间距矫正方法进一步改进和完善，使之能将针体有限直径，针体热容量有限考虑在内。.（2）制作能同时作为TDR探针使用的，能原位矫正间距的多功能双针热脉冲探针，并用于室内冻土实验，得到土壤热特性以及土壤水分含量，冰含量。.（3）将能原位矫正间距的多功能探针用于野外实验，在考虑了土壤大气界面的边界条件，初始条件后用于测量得到土壤比热，液态水含量，冰含量。并和宇宙射线中子水分测量装置结果比较 。

土壤的热特性参数以及土壤水分含量θ，水分入渗速率是影响能量和水分在土壤-大气-作物系统至关重要的参数。准确测量土壤水分含量有助于提高水分利用效率，节约有限的水资源。而对土壤的热导率和比热等热特性参数的准确测量，有助于精确计算地表的净热通量。这对动态监测和模拟地表土壤的水分运动，能量转化、碳循环以及气候演化不可或缺。..我们的研究结果显示：为了减少探头变形导致的测量误差，通过引入更长的能自我间距校正的探头（CT-TDR），传统的热时域反射仪thermal-TDR的热特性和土壤水分测量误差可以显著降低。 针对风速对双针热脉冲探头在野外应用中的影响不可忽略。我们的室内实验、COMSOL模拟和野外实验的结果表明，DPHP传感器安装在土壤-大气界面附近时，无限线性热源（ILS）模型的基本假设不满足,此时，需要使用我们的改进的绝热边界条件的无限线热源模型（ILS-ABC）。此外，野外实验中背景温度波动较大，常用的线性去除趋势方法效果较差。我们还基于有限加热时间的改进单探针sap流量测量方法。提出了一种低成本和制造简单的有限加热时间单探针法（F-SPHP）。与瞬时热源单探头热脉冲（I-SPHP）方法相比，这是一种改进，而且，我们使用的单探针法加热时间有限，对树木组织损伤小。有关热脉冲方法授权一项国内发明专利：基于热脉冲探针原理，以及我们提出的原位间距矫正方法，我们给出了一种新的传感器设计。可用于测量固体材料内部位移,以及土壤水分流速和流向。..本研究对于准确测量得到地表土壤热特性，土壤水分含量，以及水流入渗速率至关重要。相应结果和方法，有助于促进地表水分和能量平衡研究。