PDF-应用涡度相关技术监测地表蒸发蒸腾量的研究进展

中国农业科学2008,41(9):2720-2726ScientiaAgriculturaSinicadoi:10.3864/j.issn.0578-1752.2008.09.020收稿日期：2007-12-11；接受日期：2008-06-30基金项目：国家自然科学基金项目（50679081、40771034）作者简介：李思恩（1982-），男，湖北荆州人，博士研究生，研究方向为生态与水文过程。E-mail：[e-mail]。通讯作者康绍忠（1962-），男，湖南桃源人，教授，研究方向为农业节水与水资源研究。Tel：[phone]；E-mail：[e-mail]应用涡度相关技术监测地表蒸发蒸腾量的研究进展李思恩1，康绍忠1，朱治林2，杜太生1，佟玲1，李伏生3（1中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京100083；2中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；3广西大学农学院，南宁530005）摘要：准确测定地表蒸发蒸腾量对于研究土壤-作物-大气系统内水循环及水资源优化管理等意义重大。测量蒸发蒸腾量的方法较多，但涡度相关法被公认为标准方法。本文简要回顾了涡度相关技术的发展历程与基本原理，概述了其优缺点，着重总结了耗水监测方面的重要成果，并从观测系统升级﹑方法改进及数据的空间拓展等方面探讨了今后的研究重点。关键词：涡度相关技术；蒸发蒸腾量；通量；环境响应机理；尺度ResearchProgressofMeasurementofLandSurfaceEvapotranspirationBasedonEddyCovarianceTechnologyLISi-en1,KANGShao-zhong1,ZHUZhi-lin2,DUTai-sheng1,TONGLing1,LIFu-sheng3(1CenterforAgriculturalWaterResearchinChina,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083;2InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourceResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101;3AgriculturalCollege,GuangxiUniversity,Nanning530005)Abstract:Precisemeasurementoflandsurfaceevapotranspiration(ET)isofgreatimportanceinunderstandingwatercycleinsoil-vegetation-atmospheresystemandoptimalmanagementofwaterresources.TherearevariousmethodstoestimateET,buttheeddycovarianceisconsideredasthestandardmethodtomeasuretheET.Thispaperbrieflyreviewedthedevelopmentprocessandbasicprinciples,advantagesanddisadvantagesofthetechnology,summeduptheimportantETresultsestimatedbyeddycovariance.Finally,thefuturekeyprojectsabouttheobservationofsystemupgrade,methodimprovementandtheexpansionofrepresentativespacescaleswerediscussed.Keywords:Eddycovariancetechnology;Evapotranspiration;Latentheatflux;Environmentalresponsemechanism;Spacescale地表-大气间水汽传输的机理与模式，一直是水文学、生态学及气象学等关注的热点[1]。99%的农业用水均以水汽通量的形式从土壤-植物系统运动到大气中[2]。蒸发蒸腾贯穿于土壤-植物-大气（SPAC）系统，将土壤要素、植物生理特性和气象因素等串联起来，直接影响地表能量分配，在一定程度上还制约着小尺度内的微气象状况和大范围的气候变化[3]。因而，准确测定与估算地表蒸发蒸腾量（ET），对于研究SPAC系统内水分循环及水资源优化管理等意义重大。通常测量水汽通量的方法有水量平衡法、热脉冲法、波文比-能量平衡法和涡度相关法等。水量平衡法估算ET，原理简单，可操作性强，还能充分考虑水分运动的形态，且不受地理与气象条件制约，但水量平衡方程式中各分量的准确测定较难，土壤水分的空间变异也会降低观测精度。此外，该法计算时间偏长，不适合短期内的研究[2]。热脉冲法将观测到的单点液流速率换算成整株的液流量，能将植株蒸腾与棵间蒸发分开，定点连续监测液流变化。但将单点速率整合成截面平均流速会带来较大误差，将单棵蒸腾提升至群体水平亦受诸多因素限制[4]。波文比-能量平衡法考9期李思恩等：应用涡度相关技术监测地表蒸发蒸腾量的研究进展2721虑了环境因子对ET的影响，观测值能代表一定范围内的水热平均交换速率，但必须满足水热交换系数相等等假设条件[5]。相比之下，涡度相关技术经过长期的理论发展与技术进步，已成为直接测定地表与大气间水汽交换的标准方法[6]。回顾历史，该技术从诞生至今已有100多年。1895年雷诺建立了雷诺分解法，即涡度相关的理论框架。20世纪50年代，随着数字计算机﹑快速响应的风速仪和温度计的研制成功，涡度相关理论开始转化为实践。但当时的涡度相关仪只能用于大气边界层结构﹑动量和热量传输方面的研究[1]。至20世纪70年代末80年代初，商用超声风速仪和快速响应的湿度计的出现，极大促进了涡度相关水汽观测的实践进程。应用该技术开始了对一些矮秆植被的监测，如高粱[7]和水稻[8]等。90年代中期，Li-COR公司成功研制出高精密度的CO2-H2O红外分析仪（LI-7500），是涡度相关观测技术上的一次重大突破与创新，它可以同步测量水汽和CO2通量，将水文学与生态学关注的两个关键元素紧密地结合到一起，推动了生态水文学的发展。基于涡度相关的通量观测开始在全球范围内普及，以其为骨干技术的通量站点纷纷建立。为发挥各站点的优势，促进各国的交流与合作，在美国航天气象局（NASA）的资助下，全球通量网（FLUXNET）于1998年正式成立，主要由AmeriFlux、CarboEurope、OzFluxFluxnet-Canada、ChinaFLUX、AsiaFlux和KoFlux等7个局域网组成，至2007年为止已有400多个注册站点，观测类型揽括了各种典型的陆地生态系统：森林（阔叶林、针叶林和热带雨林等）、草原、农田（水稻、小麦和玉米等）、湿地（泥炭沼泽等）和荒地等，为研究全球尺度的水循环积累了大量基础数据。然而，下垫面种类繁多，而FLUXNET的观测站点在空间与植被类型上分配极为不均[1]，准确评价全球尺度水循环过程存在很大难度。迄今为止，FLUXNET的研究重点和兴趣更多是关于CO2的通量问题。因此，建设更多的新站点，增加观测数据的代表性，加强水分通量的研究是通量界面临的重要任务之一。1涡度相关法的基本原理1951年澳大利亚科学家Swinbank提出了用涡度相关法计算水热和CO2的垂直通量。单位质量的流体物质S在充分发展湍流中，平均向上的通量F为[9]：swρswρswswswswρsswwρρwsρFaaaaa′′+=′′+′+′+=′+′+′+==)())()((a（1）因为垂直风速的平均值较小，可忽略垂直平流量，只考虑湍流通量，则有：swswswFaaa′′=′′+=ρρρ（2）用涡度相关法表示的水汽通量为[9]：qwETETa′′=⋅=ρλλ（3）式中，F表示物质的通量；ρa为空气密度（kg·m-3）；w为垂直风速的平均值（m·s-1），w′为其脉动量（m·s-1）；s为物理属性（如气温和密度）的平均值，s′为属性的脉动量；λET为潜热通量（W·m-2）；ET为蒸发蒸腾量（kg·m-2·s-1）；λ为水的汽化潜热（J·kg-1）；q′为比湿的脉动值；qw′′表示垂直风速与比湿脉动的协方差。上式表明，只需测量垂直风速与比湿脉动的协方差，便可求出对应的垂直水汽通量或蒸发蒸腾量。2涡度相关法的优缺点评述涡度相关法属于微气象学的经典方法之一，用该法测量ET，主要优点有：（1）该方法通过测定垂直风速与水汽密度的脉动，从气象学角度首次实现了对ET的直接观测，是ET观测技术上的一个重大突破[1]。相比空气动力学法或波文比-能量平衡法等传统观测手段，该方法理论假设少，精度高，目前被认为是测定ET的标准方法[6]。（2）涡度相关法可以对地表ET实施长期的、连续的和非破坏性的定点监测，有利于ET观测的长期开展。（3）相比其它传统的观测方法，如蒸渗仪法等，该方法测量步长较短，可以在短期内获取大量高时间分辨率的ET与环境变化信息[1]。对高杆植被，如森林生态系统，其取样周期一般为30min；对矮秆的农田作物，取样周期可更短，少则10min[10]。短周期有利于研究水分交换对环境变化的快速响应；同时，相比蒸渗仪法，它的测量代表区域更广，典型的风浪区长度可达100～2000m[11]。（4）利用某些气体浓度快速测量仪器（如Li7000，Li7500等），涡度相关技术可以实现对水和CO2的同步监测，把水文学和生态学关注的两个关键元素联系到一起，促进了水碳循环过程的耦合研究。2722中国农业科学41卷然而，任何方法都有利弊，涡度相关亦不例外。主要不足表现为：（1）其应用易受地形和气象条件限制[12]。涡度相关要求下垫面平坦、均一，但实际观测中地形往往非常复杂，平流效应不可低估，因而对不规则地形的测量要考虑平流校正。这种校正往往比较复杂；对于气候条件比较稳定的夜间，其观测结果也存在很大不确定性，不过对植被而言，夜间ET一般较小，相比CO2，测定的水汽误差一般较小。（2）涡度相关测定ET存在能量不闭合及ET低估现象，这点已被诸多研究证实[13]。而ET低估可能是造成能量不闭合的一个重要原因[14]。（3）涡度相关的传感器十分精密，长期在野外观测时，经常需要维护，在恶劣天气下易受损坏。如在中国西北干旱荒漠区，春季沙尘暴频发，传感器易损坏，造成测量误差和缺测。在热带森林地区，降水频繁，可能直接造成传感器不能正常工作。这些传感器都是尖端仪器，成本较高，长期放在野外，受昼夜温差的影响，容易老化，这也增加了持续观测的维护成本。（4）涡度相关数据系列的校正与插补比较复杂，且不同的站点，校正与插补的方法不一样，这要求各站点根据自身情况确定昀优的校正与插补方法。但是，涡度相关法的优点远远胜过其缺点，正因为其不可比拟的优势，全球通量网才以其为主要技术手段，展开对生态系统水分交换的长期监测。3应用涡度相关法研究地表蒸发蒸腾量的成果回顾随着涡度相关通量观测在全球范围内的广泛开展，通量站点的联网观测，涡度相关ET测量在观测技术与方法，生态系统水循环过程及环境响应机理，地表能量分配与演替，及尺度转化技术等方面取得了丰硕成果。本文拟从上述4个方面回顾与总结已有的成果。3.1涡度相关法与其它ET测定方法的对比研究与传统的ET测定方法相比，涡度相关法在昀近20年才开始普及。对于该方法在不同类型的下垫面，不同地区与气候条件下，能否准确测量ET，以及测量精度受何种因素影响，是研究者关心的首要问题。1975年，McNeil等[15]首次进行了涡度相关法（EC）和波文比-能量平衡法（BREB）的对比研究，限于传感器的性能，只用两种方法测量了松树的感热通量，发现EC低于BREB25%。涡度相关仪的风速与温度传感器响应能力不足是EC偏低的主要原因。随着商用超声风速仪及高性能水汽计的研制成功