陸表蒸散發(fā)觀測(cè)方法

2015年10月

中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸表蒸散發(fā)觀測(cè)方法1/17唐榮林資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蒸滲儀法渦動(dòng)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(cè)方法蒸滲儀法LysimeterMethod3/17陸表蒸散發(fā)觀測(cè)方法

什么是蒸滲儀？蒸滲儀是一個(gè)裝滿土壤，表面裸露或生長(zhǎng)有植物的容器，用來(lái)測(cè)量植物蒸散量以及土壤中含水量的變化。蒸滲儀是沒(méi)有任何假設(shè)的情況下測(cè)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(guò)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(cè)場(chǎng)內(nèi)或有控制裝置的室內(nèi)，可單個(gè)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(guó)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(jiǎn)單測(cè)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(guò)用蒸滲儀中子探測(cè)器或者其他設(shè)備檢測(cè)水含量來(lái)估算。降雨可以通過(guò)雨量計(jì)測(cè)量。稱重式蒸滲儀直接測(cè)量降雨、貯水量變化和排水，通過(guò)這種方式計(jì)算時(shí)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(diǎn)：

直接觀測(cè)蒸散

蒸滲儀法的缺點(diǎn)：（1）構(gòu)建和維護(hù)費(fèi)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(cè)蒸散范圍小于渦動(dòng)相關(guān)方法和波文比的方法。9/17蒸滲儀法渦動(dòng)相關(guān)法EddyCovariance(EC)Method10/17陸表蒸散發(fā)觀測(cè)方法

渦動(dòng)相關(guān)儀：

渦動(dòng)相關(guān)儀的觀測(cè)是建立在水平均勻（忽略平流的影響）、測(cè)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(cè)的湍流通量數(shù)據(jù)可以值得信賴。渦動(dòng)相關(guān)方法廣泛應(yīng)用于全球FLUXNET通量觀測(cè)站點(diǎn)。11/17渦動(dòng)相關(guān)法

渦動(dòng)相關(guān)儀：

渦動(dòng)相關(guān)儀包含一個(gè)快速響應(yīng)的三維風(fēng)速傳感器（聲波風(fēng)速計(jì)），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(gè)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(dòng)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(shí)需要特別的維護(hù)。至今還沒(méi)有關(guān)于EC測(cè)量的統(tǒng)一的專業(yè)術(shù)語(yǔ)和一套單獨(dú)方法論。12/17渦動(dòng)相關(guān)法

13/17渦動(dòng)相關(guān)法19/17渦動(dòng)相關(guān)法

渦動(dòng)相關(guān)法的優(yōu)點(diǎn)：

（1）直接測(cè)量湍流通量（潛熱和感熱）；（2）獨(dú)立觀測(cè)。

渦動(dòng)相關(guān)法的缺點(diǎn)：（1）能量閉合問(wèn)題；源區(qū)有限；（2）惡劣天氣和其他情況下觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失。20/17渦動(dòng)相關(guān)法能量平衡波文比法EnergyBalanceBowenRatioMethod21/17陸表蒸散發(fā)觀測(cè)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(diǎn)：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(dòng)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(diǎn)。只需兩個(gè)高度的要素梯度觀測(cè)值。能量平衡波文比法存在的問(wèn)題：RN和G的誤差，在計(jì)算LE的過(guò)程中是累積的。因Δθ和Δe的符號(hào)可以相反，所以LE的誤差范圍可以是零到無(wú)窮大。波文比法在實(shí)際應(yīng)用中，還存在著更為嚴(yán)重的不足，用波文比法計(jì)算出的LE，可能與實(shí)際方向相反。在應(yīng)用波文比法時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況在數(shù)量級(jí)上相差很大。

能量平衡波文比法觀測(cè)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題要求觀測(cè)儀器誤差?。籏H≈Kq假定與實(shí)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(bǔ)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(shí)能量平衡法優(yōu)于空氣動(dòng)力學(xué)方法；測(cè)點(diǎn)應(yīng)位于田塊中央，風(fēng)浪區(qū)長(zhǎng)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(cè)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?zèng)]有過(guò)于劇烈的變化；應(yīng)避開早晚(RN-QS)很小或?yàn)樨?fù)值的短暫時(shí)段。能量平衡波文比法

能量平衡波文比法的優(yōu)點(diǎn)：

（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(diǎn)：（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(diǎn)觀測(cè)，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(cè)方法

大孔徑閃爍儀：

一束光在大氣中傳播時(shí)，能量會(huì)受到各種形式的衰減，導(dǎo)致信號(hào)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(dòng)引起的空氣密度的波動(dòng)，進(jìn)而引起空氣折射系數(shù)的波動(dòng)。這個(gè)波動(dòng)在進(jìn)一步引起光強(qiáng)度的波動(dòng)，即閃爍。大孔徑閃爍儀就是測(cè)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(cè)原理：

發(fā)射儀發(fā)射一定波長(zhǎng)(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(dòng)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(cè)量接收到的光強(qiáng)的自然對(duì)數(shù)方差，再結(jié)合閃爍儀的孔徑、光徑長(zhǎng)度等計(jì)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(jì)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(cè)站和LAS觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

大孔徑閃爍儀配置的注意事項(xiàng)：

（1）在實(shí)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(zhǎng)度和架設(shè)高度。通常在感熱通量一定時(shí)，光徑長(zhǎng)度較長(zhǎng)，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(dòng)，而無(wú)需考慮安裝平臺(tái)大小對(duì)LAS觀測(cè)的影響。LAS的安裝平臺(tái)可根據(jù)實(shí)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(duì)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(shí)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(duì)準(zhǔn)以減少不必要的信號(hào)衰減和數(shù)據(jù)丟失，同時(shí)檢查所有的電纜和連接頭的狀態(tài)；如果接收儀無(wú)信號(hào)，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(diǎn)：

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

大孔徑閃爍儀法的缺點(diǎn)：間接測(cè)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(cè)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(diǎn)：

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