陸表蒸散發(fā)觀測方法

2015年10月

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸表蒸散發(fā)觀測方法1/17唐榮林資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室蒸滲儀法渦動相關(guān)法波文比法2/17

大孔徑閃爍儀法陸表蒸散發(fā)觀測方法蒸滲儀法LysimeterMethod3/17陸表蒸散發(fā)觀測方法

什么是蒸滲儀？蒸滲儀是一個裝滿土壤，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水量的變化。蒸滲儀是沒有任何假設(shè)的情況下測量蒸散發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置的裝置。4/17蒸滲儀法蒸滲儀的構(gòu)成傳統(tǒng)的蒸滲儀一般由底面積為1-5m2，深1-4m圓形或者方形的貯水池構(gòu)成（大型蒸滲儀面積可以達(dá)到92-322m2）。這種設(shè)備一般均設(shè)在室外空曠的觀測場內(nèi)或有控制裝置的室內(nèi)，可單個或成組、成套設(shè)置。5/17蒸滲儀法蒸滲儀的種類蒸滲儀分為大型蒸散儀、中型蒸滲儀、小型蒸滲儀和微型蒸滲儀；蒸滲儀分為稱重式蒸滲儀和非稱重式蒸滲儀。根據(jù)稱重原理的不同，稱重式蒸滲儀可以分為機(jī)械稱重式、壓力傳感器式、液壓式、漂浮式和彈簧式。其中，機(jī)械稱重式蒸滲儀可以分為杠桿式、懸掛稱重式和吊秤式。我國使用的多為機(jī)械稱重式，且為杠桿式。6/17蒸滲儀法7/17蒸滲儀法蒸滲儀的原理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滲儀中子探測器或者其他設(shè)備檢測水含量來估算。降雨可以通過雨量計測量。稱重式蒸滲儀直接測量降雨、貯水量變化和排水，通過這種方式計算時間跨度最短15min內(nèi)的蒸散。8/17蒸滲儀法

蒸滲儀法的優(yōu)點：

直接觀測蒸散

蒸滲儀法的缺點：（1）構(gòu)建和維護(hù)費用較高；（2）有限的區(qū)域范圍；（3）邊界效應(yīng)；（4）自然環(huán)境的干擾；蒸滲儀法觀測蒸散范圍小于渦動相關(guān)方法和波文比的方法。9/17蒸滲儀法渦動相關(guān)法EddyCovariance(EC)Method10/17陸表蒸散發(fā)觀測方法

渦動相關(guān)儀：

渦動相關(guān)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假設(shè)基礎(chǔ)上的，在理想條件下（例如地表是水平、均一的，氣象條件適宜等），EC觀測的湍流通量數(shù)據(jù)可以值得信賴。渦動相關(guān)方法廣泛應(yīng)用于全球FLUXNET通量觀測站點。11/17渦動相關(guān)法

渦動相關(guān)儀：

渦動相關(guān)儀包含一個快速響應(yīng)的三維風(fēng)速傳感器（聲波風(fēng)速計），用于獲取正交方向的風(fēng)組分及聲速（用于反演Ta），以及一個紅外氣體分析儀以獲取水汽密度和CO2濃度。潛熱的典型誤差大約是5-20%或者是20-50W/m2。渦動相關(guān)技術(shù)數(shù)學(xué)原理復(fù)雜，在設(shè)置和處理數(shù)據(jù)時需要特別的維護(hù)。至今還沒有關(guān)于EC測量的統(tǒng)一的專業(yè)術(shù)語和一套單獨方法論。12/17渦動相關(guān)法

13/17渦動相關(guān)法19/17渦動相關(guān)法

渦動相關(guān)法的優(yōu)點：

（1）直接測量湍流通量（潛熱和感熱）；（2）獨立觀測。

渦動相關(guān)法的缺點：（1）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。20/17渦動相關(guān)法能量平衡波文比法EnergyBalanceBowenRatioMethod21/17陸表蒸散發(fā)觀測方法

22/17能量平衡波文比法

24/17能量平衡波文比法25/17能量平衡波文比法優(yōu)點：此方法不用求湍流交換系數(shù)K，便可得到湍流通量。用空氣動力學(xué)方法需求K值但是較難得到且往往誤差很大。能量平衡法避開了這一難點。只需兩個高度的要素梯度觀測值。能量平衡波文比法存在的問題：RN和G的誤差，在計算LE的過程中是累積的。因Δθ和Δe的符號可以相反，所以LE的誤差范圍可以是零到無窮大。波文比法在實際應(yīng)用中，還存在著更為嚴(yán)重的不足，用波文比法計算出的LE，可能與實際方向相反。在應(yīng)用波文比法時，有時會出現(xiàn)計算結(jié)果與實際情況在數(shù)量級上相差很大。

能量平衡波文比法觀測時應(yīng)注意的問題要求觀測儀器誤差??；KH≈Kq假定與實際情況不符所引起的誤差不能忽略，尤其強(qiáng)烈逆溫下KH不等于Kq，必須做KH≈Kq假定的補充訂正；波文比法尤適合于較潮濕的大氣條件；在風(fēng)速較小時能量平衡法優(yōu)于空氣動力學(xué)方法；測點應(yīng)位于田塊中央，風(fēng)浪區(qū)長度為所布設(shè)的溫度傳感器和風(fēng)速儀器高度的100-200倍；觀測高度應(yīng)為株高的1.5倍，這樣才能使KH≈Kq成立；要求天氣平穩(wěn)少變,輻射和風(fēng)速沒有過于劇烈的變化；應(yīng)避開早晚(RN-QS)很小或為負(fù)值的短暫時段。能量平衡波文比法

能量平衡波文比法的優(yōu)點：

（1）能量平衡；（2）需要的維護(hù)較少，比EC技術(shù)便宜。

能量平衡波文比法的缺點：（1）水和熱的擴(kuò)散能力假定相同；（2）假定能量平衡（能量構(gòu)成和土壤熱通量是點觀測，潛熱和顯熱通量有大的足跡）；29/17能量平衡波文比法大孔徑閃爍儀法Scintillometer

Method30/17陸表蒸散發(fā)觀測方法

大孔徑閃爍儀：

一束光在大氣中傳播時，能量會受到各種形式的衰減，導(dǎo)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動，進(jìn)而引起空氣折射系數(shù)的波動。這個波動在進(jìn)一步引起光強(qiáng)度的波動，即閃爍。大孔徑閃爍儀就是測量閃爍的“量”的儀器。它由發(fā)射儀(Transmitter)、接收儀(Receiver)組成，二者相隔一定的距離(0.5-10.0km)分開放置，距地面有一定的高度(幾米到幾十米)。31/17大孔徑閃爍儀法

大孔徑閃爍儀的觀測原理：

發(fā)射儀發(fā)射一定波長(約935nm)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、濕度和氣壓波動影響的光，并用空氣折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)表示，表征了大氣的湍流強(qiáng)度，而大氣的湍流強(qiáng)度決定了輸送熱量、水汽等標(biāo)量的能力。接收儀直接測量接收到的光強(qiáng)的自然對數(shù)方差，再結(jié)合閃爍儀的孔徑、光徑長度等計算出空氣折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)相似理論計算出感熱通量。32/17大孔徑閃爍儀法33/17大孔徑閃爍儀法LAS塔北端LAS塔南端34/17大孔徑閃爍儀法圖EC觀測站和LAS觀測系統(tǒng)示意圖

大孔徑閃爍儀配置的注意事項：

（1）在實際架設(shè)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(shè)高度。通常在感熱通量一定時，光徑長度較長，儀器需要架設(shè)較高，反之較短路徑，則架設(shè)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對LAS觀測的影響。LAS的安裝平臺可根據(jù)實際條件進(jìn)行選取，如在建筑物、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(jìn)行進(jìn)一步檢查；在特殊氣候帶（如青藏高原），需采用低溫電池。（4）在使用時應(yīng)注意保持電源連接，電壓穩(wěn)定；定期清潔玻璃外罩，用望遠(yuǎn)鏡檢查是否對準(zhǔn)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(yuǎn)鏡檢查是否調(diào)準(zhǔn)，檢查光束路徑是否有障礙物。35/17大孔徑閃爍儀法

大孔徑閃爍儀法的優(yōu)點：

（1）可以從公里級尺度觀測潛熱和顯熱；（2）在復(fù)雜地表也可以很好的觀測。

大孔徑閃爍儀法的缺點：間接測量潛熱通量36/17大孔徑閃爍儀法謝謝！地表水平衡方法

（SurfaceWaterBalanceMethod）大氣水平衡方法

（AtmosphericWaterBalanceMethod）39/17陸表蒸散發(fā)觀測方法其他方法：40/17地表水平衡方法

地表水平衡方法的優(yōu)點：

（1