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文檔簡介

1、2015 年年 10月月中國科學院地理科學與資源研究所陸表蒸散發(fā)陸表蒸散發(fā)觀測方法觀測方法1/17唐榮林唐榮林資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室l 蒸滲儀法蒸滲儀法l 渦動相關法渦動相關法l 波文比法波文比法2/17l 大孔徑閃爍儀法大孔徑閃爍儀法陸表蒸散發(fā)觀測方法陸表蒸散發(fā)觀測方法Lysimeter Method3/17陸表蒸散發(fā)觀測方法陸表蒸散發(fā)觀測方法l 蒸滲儀是是一個裝滿土壤,表面裸露或生長有植一個裝滿土壤,表面裸露或生長有植物的容器,用來測量植物蒸散量以及土壤中含物的容器,用來測量植物蒸散量以及土壤中含水量的變化。水量的變化。蒸滲儀是蒸滲儀是沒有任何假設

2、的情況下測量蒸散發(fā)的沒有任何假設的情況下測量蒸散發(fā)的標準工具,是研究水文循環(huán)中的下滲、地表徑標準工具,是研究水文循環(huán)中的下滲、地表徑流和地下徑流、蒸散發(fā)等過程而設置的裝置。流和地下徑流、蒸散發(fā)等過程而設置的裝置。4/17蒸滲儀法蒸滲儀法傳統(tǒng)的蒸滲儀傳統(tǒng)的蒸滲儀一般由底面積為一般由底面積為1-5m2,深,深1-4m圓形或者方形的貯水池構成(大型蒸滲儀面積圓形或者方形的貯水池構成(大型蒸滲儀面積可以達到可以達到92-322m2)。這種設備一般均設在室)。這種設備一般均設在室外空曠的觀測場內或有控制裝置的室內,可單外空曠的觀測場內或有控制裝置的室內,可單個或成組、成套設置。個或成組、成套設置。5/1

3、7蒸滲儀法蒸滲儀法蒸滲儀分為蒸滲儀分為大型大型蒸散儀、蒸散儀、中型中型蒸滲儀、蒸滲儀、小型小型蒸蒸滲儀和滲儀和微型微型蒸滲儀;蒸滲儀;蒸滲儀分為蒸滲儀分為稱重式稱重式蒸滲儀和蒸滲儀和非稱重式非稱重式蒸滲儀。蒸滲儀。根據(jù)稱重原理的不同,稱重式蒸滲儀可以分為根據(jù)稱重原理的不同,稱重式蒸滲儀可以分為機械稱重式、壓力傳感器式、液壓式、漂浮式機械稱重式、壓力傳感器式、液壓式、漂浮式和彈簧式。其中,機械稱重式蒸滲儀可以分為和彈簧式。其中,機械稱重式蒸滲儀可以分為杠桿式、懸掛稱重式和吊秤式。我國使用的多杠桿式、懸掛稱重式和吊秤式。我國使用的多為機械稱重式,且為杠桿式。為機械稱重式,且為杠桿式。6/17蒸滲儀

4、法蒸滲儀法7/17蒸滲儀法蒸滲儀法非稱重式蒸滲儀簡單測量排水率或者從蒸滲儀非稱重式蒸滲儀簡單測量排水率或者從蒸滲儀基地滲透的水量,貯水量的變化可以通過用蒸基地滲透的水量,貯水量的變化可以通過用蒸滲儀中子探測器或者其他設備檢測水含量來估滲儀中子探測器或者其他設備檢測水含量來估算。降雨可以通過雨量計測量。算。降雨可以通過雨量計測量。稱重式蒸滲儀直接測量降雨、貯水量變化和排稱重式蒸滲儀直接測量降雨、貯水量變化和排水,通過這種方式計算時間跨度最短水,通過這種方式計算時間跨度最短15min內內的蒸散。的蒸散。8/17蒸滲儀法蒸滲儀法直接觀測蒸散直接觀測蒸散(1)構建和維護費用較高;)構建和維護費用較高;

5、(2)有限的區(qū)域范圍;)有限的區(qū)域范圍;(3)邊界效應;)邊界效應;(4)自然環(huán)境的干擾;)自然環(huán)境的干擾;蒸滲儀法觀測蒸散范圍小于渦動相關方法和波蒸滲儀法觀測蒸散范圍小于渦動相關方法和波文比的方法。文比的方法。9/17蒸滲儀法蒸滲儀法Eddy Covariance (EC) Method10/17陸表蒸散發(fā)觀測方法陸表蒸散發(fā)觀測方法渦動相關儀的觀測是建立在水平均勻(忽略平流的影渦動相關儀的觀測是建立在水平均勻(忽略平流的影響)、測量到的通量能代表儀器所在下墊面等一系列響)、測量到的通量能代表儀器所在下墊面等一系列假設基礎上的,在理想條件下(例如地表是水平、均假設基礎上的,在理想條件下(例如地

6、表是水平、均一的,氣象條件適宜等),一的,氣象條件適宜等),EC觀測的湍流通量數(shù)據(jù)可觀測的湍流通量數(shù)據(jù)可以值得信賴。以值得信賴。渦動相關方法廣泛應用于全球渦動相關方法廣泛應用于全球FLUXNET通量觀測站點。通量觀測站點。11/17渦動相關法渦動相關法渦動相關儀包含一個快速響應的三維風速傳感器(聲渦動相關儀包含一個快速響應的三維風速傳感器(聲波風速計),用于獲取正交方向的風組分及聲速(用波風速計),用于獲取正交方向的風組分及聲速(用于反演于反演Ta),以及一個紅外氣體分析儀以獲取水汽密),以及一個紅外氣體分析儀以獲取水汽密度和度和CO2濃度。潛熱的典型誤差大約是濃度。潛熱的典型誤差大約是5-2

7、0%或者是或者是20-50W/m2。渦動相關技術數(shù)學原理復雜,在設置和處理數(shù)據(jù)時需渦動相關技術數(shù)學原理復雜,在設置和處理數(shù)據(jù)時需要特別的維護。至今還沒有關于要特別的維護。至今還沒有關于EC測量的統(tǒng)一的專業(yè)測量的統(tǒng)一的專業(yè)術語和一套單獨方法論。術語和一套單獨方法論。12/17渦動相關法渦動相關法 13/17渦動相關法渦動相關法19/17渦動相關法渦動相關法(1)直接測量湍流通量(潛熱和感熱);)直接測量湍流通量(潛熱和感熱);(2)獨立觀測)獨立觀測 。(1)能量閉合問題;源區(qū)有限;)能量閉合問題;源區(qū)有限;(2)惡劣天氣和其他情況下觀測數(shù)據(jù)缺失。)惡劣天氣和其他情況下觀測數(shù)據(jù)缺失。20/17渦

8、動相關法渦動相關法Energy Balance Bowen Ratio Method21/17陸表蒸散發(fā)觀測方法陸表蒸散發(fā)觀測方法 22/17能量平衡波文比法能量平衡波文比法 24/17能量平衡波文比法能量平衡波文比法25/17能量平衡波文比法能量平衡波文比法優(yōu)點:優(yōu)點:8此方法此方法不用求湍流交換系數(shù)不用求湍流交換系數(shù)K K,便可得到湍流,便可得到湍流通量通量。用空氣動力學方法需求。用空氣動力學方法需求K K值但是較難得值但是較難得到且往往誤差很大。能量平衡法避開了這一到且往往誤差很大。能量平衡法避開了這一難點。難點。8只需兩個高度的要素梯度觀測值只需兩個高度的要素梯度觀測值。能量平衡波文比

9、法能量平衡波文比法存在的問題:存在的問題:8R RN N和和G G的誤差,在計算的誤差,在計算LELE的過程中是累積的的過程中是累積的。因因和和ee的符號可以相反,所以的符號可以相反,所以LELE的誤差的誤差范圍可以是零到無窮大范圍可以是零到無窮大。8波文比法在實際應用中,還存在著更為嚴重波文比法在實際應用中,還存在著更為嚴重的不足,的不足,用波文比法計算出的用波文比法計算出的LELE,可能與實,可能與實際方向相反際方向相反。 8在應用波文比法時,有時會出現(xiàn)在應用波文比法時,有時會出現(xiàn)計算結果與計算結果與實際情況在數(shù)量級上相差很大實際情況在數(shù)量級上相差很大。 能量平衡波文比法能量平衡波文比法觀

10、測時應注意的問題觀測時應注意的問題8要求觀測儀器誤差小;要求觀測儀器誤差小;8K KH HKKq q假定與實際情況不符所引起的誤差不能忽略,尤其強假定與實際情況不符所引起的誤差不能忽略,尤其強烈逆溫下烈逆溫下K KH H不等于不等于K Kq q,必須做,必須做K KH HKKq q假定的補充訂正;假定的補充訂正;8波文比法尤適合于較潮濕的大氣條件;在風速較小時能量平波文比法尤適合于較潮濕的大氣條件;在風速較小時能量平衡法優(yōu)于空氣動力學方法;衡法優(yōu)于空氣動力學方法;8測點應位于田塊中央,風浪區(qū)長度為所布設的溫度傳感器和測點應位于田塊中央,風浪區(qū)長度為所布設的溫度傳感器和風速儀器高度的風速儀器高度

11、的100-200100-200倍;倍;8觀測高度應為株高的觀測高度應為株高的1.51.5倍,這樣才能使倍,這樣才能使K KH HKKq q成立;成立;8要求天氣平穩(wěn)少變要求天氣平穩(wěn)少變, ,輻射和風速沒有過于劇烈的變化;輻射和風速沒有過于劇烈的變化;8應避開早晚應避開早晚(R(RN N-Q-QS S) )很小或為負值的短暫時段。很小或為負值的短暫時段。能量平衡波文比法能量平衡波文比法(1)能量平衡;能量平衡;(2)需要的維護較少,比)需要的維護較少,比EC技術便宜。技術便宜。(1)水和熱的擴散能力假定相同;)水和熱的擴散能力假定相同;(2)假定能量平衡(能量構成和土壤熱通量)假定能量平衡(能量

12、構成和土壤熱通量是點觀測,潛熱和顯熱通量有大的足跡);是點觀測,潛熱和顯熱通量有大的足跡);29/17能量平衡波文比法能量平衡波文比法Scintillometer Method30/17陸表蒸散發(fā)觀測方法陸表蒸散發(fā)觀測方法一束光在大氣中傳播時,能量會受到各種形式的衰減,導致信號減弱,其中一束光在大氣中傳播時,能量會受到各種形式的衰減,導致信號減弱,其中影響最大的是傳播路徑上由于溫度、濕度和氣壓的波動引起的空氣密度的波影響最大的是傳播路徑上由于溫度、濕度和氣壓的波動引起的空氣密度的波動,進而引起空氣折射系數(shù)的波動。這個波動在進一步引起光強度的波動,動,進而引起空氣折射系數(shù)的波動。這個波動在進一步

13、引起光強度的波動,即閃爍。大孔徑閃爍儀就是測量閃爍的即閃爍。大孔徑閃爍儀就是測量閃爍的“量量”的儀器。它由發(fā)射儀的儀器。它由發(fā)射儀( Transmitter) 、接收儀、接收儀( Receiver) 組成,二者相隔一定的距離組成,二者相隔一定的距離( 0. 5 -10. 0 km) 分開放置,距地面有一定的高度分開放置,距地面有一定的高度( 幾米到幾十米幾米到幾十米) 。31/17大孔徑閃爍儀法大孔徑閃爍儀法發(fā)射儀發(fā)射一定波長發(fā)射儀發(fā)射一定波長( 約約935 nm) 和直徑的波束在大氣中和直徑的波束在大氣中傳播。接收儀接收受到光程路徑上溫度、濕度和氣壓波傳播。接收儀接收受到光程路徑上溫度、濕度

14、和氣壓波動影響的光,并用空氣折射率結構參數(shù)表示,表征了大動影響的光,并用空氣折射率結構參數(shù)表示,表征了大氣的湍流強度,而大氣的湍流強度決定了輸送熱量、水氣的湍流強度,而大氣的湍流強度決定了輸送熱量、水汽等標量的能力。接收儀直接測量接收到的光強的自然汽等標量的能力。接收儀直接測量接收到的光強的自然對數(shù)方差,再結合閃爍儀的孔徑、光徑長度等計算出空對數(shù)方差,再結合閃爍儀的孔徑、光徑長度等計算出空氣折射率結構參數(shù),進而根據(jù)相似理論計算出感熱通量。氣折射率結構參數(shù),進而根據(jù)相似理論計算出感熱通量。32/17大孔徑閃爍儀法大孔徑閃爍儀法33/17大孔徑閃爍儀法大孔徑閃爍儀法LAS塔北端塔北端LAS塔南端塔

15、南端34/17大孔徑閃爍儀法大孔徑閃爍儀法圖圖 EC觀測站和觀測站和LAS觀測系統(tǒng)示意圖觀測系統(tǒng)示意圖(1)在實際架設中需要根據(jù)下墊面感熱通量的大小,綜合考慮光徑長度和架)在實際架設中需要根據(jù)下墊面感熱通量的大小,綜合考慮光徑長度和架設高度。通常在感熱通量一定時,光徑長度較長,儀器需要架設較高,反之設高度。通常在感熱通量一定時,光徑長度較長,儀器需要架設較高,反之較短路徑,則架設高度較低。較短路徑,則架設高度較低。(2)LAS的安裝只要考慮盡可能牢固,避免晃動,而無需考慮安裝平臺大小的安裝只要考慮盡可能牢固,避免晃動,而無需考慮安裝平臺大小對對LAS觀測的影響。觀測的影響。LAS的安裝平臺可根

16、據(jù)實際條件進行選取,如在建筑物、的安裝平臺可根據(jù)實際條件進行選取,如在建筑物、鐵塔、山頂或三腳架上。鐵塔、山頂或三腳架上。(3)大孔徑閃爍儀的接線,在正式供電前,需對接線進行進一步檢查;在特)大孔徑閃爍儀的接線,在正式供電前,需對接線進行進一步檢查;在特殊氣候帶(如青藏高原),需采用低溫電池。殊氣候帶(如青藏高原),需采用低溫電池。(4)在使用時應注意保持電源連接,電壓穩(wěn)定;定期清潔玻璃外罩,用望遠)在使用時應注意保持電源連接,電壓穩(wěn)定;定期清潔玻璃外罩,用望遠鏡檢查是否對準以減少不必要的信號衰減和數(shù)據(jù)丟失,同時檢查所有的電纜鏡檢查是否對準以減少不必要的信號衰減和數(shù)據(jù)丟失,同時檢查所有的電纜和

17、連接頭的狀態(tài);如果接收儀無信號,則檢查發(fā)射儀、接收儀的電源,檢查和連接頭的狀態(tài);如果接收儀無信號,則檢查發(fā)射儀、接收儀的電源,檢查玻璃外罩是否干凈,用望遠鏡檢查是否調準,檢查光束路徑是否有障礙物。玻璃外罩是否干凈,用望遠鏡檢查是否調準,檢查光束路徑是否有障礙物。35/17大孔徑閃爍儀法大孔徑閃爍儀法(1)可以從公里級尺度觀測潛熱和顯熱;)可以從公里級尺度觀測潛熱和顯熱;(2)在復雜地表也可以很好的觀測)在復雜地表也可以很好的觀測 。間接測量潛熱通量間接測量潛熱通量36/17大孔徑閃爍儀法大孔徑閃爍儀法l 地表水平衡方法地表水平衡方法 (Surface Water Balance Method)l 大氣水平衡方法大氣

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