渦動相關法在蒸散發實測中的運用

陳 晗，張翔宇

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

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渦動相關法在蒸散發實測中的運用

陳 晗1，張翔宇2

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

在區域水循環各個環節中，蒸散發是占比最大最難估算的分量，如何對其進行長時間、高精度、高頻率的測定成為難題。近年來隨著微氣象學理論和量子激光技術的逐漸成熟，利用渦動相關法測定蒸散發成為可能。湖南省作為典型的中國南方地區，農業主要以蔬菜等經濟作物以及水稻為主，在總的用水量中，農業用水占到了總用水量的70%，并且在農業總失水量中蒸散發是很大的一部分，所以對蒸散發準確的測定是十分必要的。本文簡要介紹了渦動相關法的相關原理，利用EC-QCL分析儀和三維超聲風速儀，以及其他一些輔助儀器對岳陽市廣興洲鎮的一個大面積包菜地進行了實地蒸散發的測定，并利用EddyPro軟件計算了2015年的蒸散量，分析了研究區域蒸散量在不同時間尺度的變化趨勢。本文采用的研究方法可為以后蒸散發的實測工作提供參考與借鑒。

蒸散發；渦動相關；實測；Eddypro軟件

蒸散發包括地表和植物表面的水分蒸發以及植物表面和植物體內的水分蒸騰兩部分。蒸散發不僅是生態圈水循環重要的組成部分，同時也是陸地以及大氣之間能量循環的重要組成部分。到達地球表面的降水有70%通過蒸發或蒸騰作用回到大氣中，在干旱區這個數字可能達到90%。在當前普遍面臨水資源短缺的大背景之下，準確測定蒸散量，對優化區域水資源配置、水資源規劃與管理，以及更深入了解陸面過程，正確評估氣候和人類活動對生態系統的影響具有重要的現實與經濟意義[1-3]。

1 渦動相關法簡介

渦動相關(eddy covariance technique，EC)是指某種物質的垂直通量，即這種物質的濃度與其垂直速度的協方差。渦動相關法提供了一種直接測量植被與大氣間CO2、水和熱通量的方法。渦動相關法的優點在于能通過測量各種屬性的湍流脈動值來直接測量它們的通量與其他方法相比，它并不是建立在經驗關系基礎之上，或從其他氣象參量推論而來，而是建立在所依據的物理原理之上，是一種直接測量亂流通量的方法，是各種實測方法中較精密和可靠的方法，并且該方法有利于蒸散發觀測工作的長期開展。

渦動相關法是根據高頻(一般10 Hz)測定的垂直風速和氣體濃度來計算通量[4]。通量計算為：

(1)

式(1)中:Fc代表氣體的通量,g/(h·m2)；ρa代表空氣密度,g/m3；w′和c′分別代表垂直風速(m/s)和氣體濃度的脈動，即w′為瞬時垂直風速測量值偏離給定時間段內風速算數(或滑動)平均值的量，c′類推。上劃線代表計算平均通量的時間長度(一般為30 min，也有用1 h)。

2 材料與方法

2.1 實驗地點概況

本研究的實驗地點位于湖南省岳陽市君山區廣興洲鎮五一村，為中國科學院洞庭湖濕地生態系統觀測研究站(以下簡稱洞庭湖站)周邊的一塊典型施肥蔬菜農田。洞庭湖站位于湖南省岳陽市郊區采桑湖南岸(北緯29°30′，東經112°48′)，屬典型的亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫16.5～17.0 ℃，1月平均氣溫3.8～4.7 ℃；7月平均氣溫29 ℃左右，年平均降水量1250～1450 mm[5]。試驗點秋冬季盛行風向為東北風(圖1)。

圖1 試驗站2014年9月—2015年2月風向頻率分布

實心圓表示渦動相關觀測系統(EC)和自動氣象站的位置，正方形為臨時搭建小屋的位置。 圖2 試驗點的樣地設置和觀測儀器位置示意

圖2為試驗點的樣地設置和觀測儀器位置示意圖。試驗點東西長102 m,南北寬56.3 m。渦動相關觀測系統(EC)位于試驗點的中央，小屋距離EC塔的距離為10 m，自動氣象站距離EC的距離為5 m。該地區最主要的農作物是包菜、辣椒、南瓜、甜瓜和西瓜。通常一片地上每年8月到次年1月種植一茬作物，這一茬的作物大多為包菜；次年2月到7月種一茬作物，通常為辣椒、南瓜或包菜。

2.2 H2O通量的EC-QCL法觀測

在試驗樣地中主風向的下游安裝EC-QCL觀測設備，包括：三維超聲風速儀和數據采集器安裝在不銹鋼制作的觀測塔上，其中超聲風速儀垂直安裝在2 m的高度；QCL氣體分析儀，為雙光路量子級聯可調諧紅外激光差分吸收光譜儀,該儀器及與之配套的真空抽氣泵均裝在距離觀測塔10 m且位于風向頻率最小方位的臨時小屋內，小屋內配有空調用于恒溫除濕，同時配有大功率的不間斷電源，以免隨機性事故斷電對設備的影響；QCL氣體分析儀的樣氣采樣口安裝在位于三維超聲風速儀的下方10 cm處，樣氣經長15 m(內徑3/4英寸)的特氟龍采樣管進入儀器，再由連接在儀器上的真空泵抽出。真空泵驅動使采樣口的樣氣以15 L/ min的流量經QCL氣體分析儀，并使儀器樣品池(sample cell)中的氣體置換頻率高到能滿足以10 Hz的頻率測定有效H2O濃度要求。為除去樣氣中的顆粒物，采樣口下游20 cm處氣路上安裝粗過濾膜(直徑50 mm，孔徑5)，在QCL儀上游20 cm處安裝細過濾膜(直徑50 mm，孔徑0.45)，濾膜每4～5 d更換1次。為避免水汽在采樣管內壁凝結和減小管壁對氣體的黏滯效應，采樣管用不透光的保溫材料包裹，內部用加熱帶進行加熱，通過自動控溫裝置讓管路的溫度保持30 ℃左右。

各個儀器的組成以及連接可參考下圖3。

圖3 渦動相關系統連接圖

2.3 H2O通量計算

通量用EddyPro軟件進行計算。

(1)去野點。在計算通量之前，根據Vickers和Mahrt(1997)[6]的方法對風速和H2O濃度進行去野點處理。首先進行連續性檢驗，去除明顯不合物理意義的異常值。然后對每個變量的原始數據序列以n=10為窗口大小計算標準偏差σ，在每個窗口內，若某個記錄值與窗口平均值的偏差大于5.5σ，則視為野點并刪除。若連續出現此類數據個數≥4，則視為有效數據予以保留。視為野點的數據被刪去，不再用于通量的計算。若半小時內野點數據大于10%，則該半小時內的通量被視為無效，當缺測處理。

(2)坐標旋轉。EC法通量觀測有一個前提條件，即垂直風速(w)的半小時平均值為零。但實際觀測中，由于地形、儀器安裝等因素而無法滿足這一要求。本研究采用二次坐標旋轉的方法對風速進行修正，使其垂直風速滿足平均值為零。

(3)信號延遲校正。因QCL氣體分析儀采用的是閉路測量原理，樣氣從采樣口經過管路到達檢測器需要一定的時間。因此，測得的H2O濃度和垂直風速的信號之間存在時間延遲，計算通量前，需要確定與垂直風速同步的H2O濃度，這就需要按延遲時間對H2O濃度數據進行測量時間的修正。可通過計算H2O濃度和垂直風速的協方差，用最大協方差出現的時刻來確定延遲時間[7]。

(4)信號去趨勢。通過信號去趨勢，建立垂直風速和濃度的脈動時間序列。對于垂直風速，采用了線性去趨勢(LDT)的方法。而對于H2O濃度信號，對它進行自相關滑動平均濾波處理，再用原始濃度減去滑動平均后的濃度，得到H2O的脈動時間序列。

(5)通量計算。根據式(1)計算半小時平均的H2O通量。

(6)高頻衰減修正。由于閉路氣體測量系統的管路衰減、儀器響應能力不足、風速和濃度傳感器的空間分離等原因，會造成氣體濃度湍流協譜(co-spectra)高頻部分的衰減，從而導致實測通量被系統性低估[8]，需要對這部分系統性低估進行修正。

(7)WPL修正。用EC技術觀測微量氣體成分的湍流通量，需要考慮因熱量或水汽通量的輸送而引起的微量氣體密度變化，因而要對氣體通量進行密度效應修正[9]。

2.4 H2O通量數據的質量控制處理

半小時通量數據質量控制處理一般包括以下步驟。

(1)剔除有降水記錄或對觀測塔有操作的半小時通量數據。

(2)根據Foken和Wichura[10]的方法進行總體湍流特性檢驗，它用來判斷由于湍流混合不充分而被低估的通量，通過比較觀測到的和模擬(莫寧—奧布霍夫相似理論)到的總體湍流特性(歸一化的標準差)進行估計，如果差異超過100%，則半小時通量被剔除。

3 數據與結果

QCL儀器在運行的過程中，一般每隔15 d左右下載數采的數據，將下載的原始數據先用LoggerNet轉化成TOA5格式后，分割成半小時的小文件，然后用EddyPro軟件進行通量的計算，最后將每次計算的結果存到一個文件中。實驗起始于2014年8月，終止于2016年10月。其中2015年的數據較為完整，數據質量較高，我們選取2015年內的數據進行蒸散量在不同時間尺度的變化趨勢分析。

圖4 水汽通量日變化趨勢(2015年8月15日)

圖4為水汽通量在2015年8月15日的變化趨勢圖，可以看到水汽通量具有明顯的日變化趨勢，在夜晚水汽通量接近于0，在正午以及下午時達到最高，日最大值出現在下午16:30，達到了5.6 mmol/(s·m2)，這是由于白天太陽輻射和氣溫較高，蒸散量較大，而在夜晚太陽輻射為零，蒸散量也接近于零。

圖5表示了不同天氣下的潛熱和水汽通量日變化趨勢，從圖中可以清楚地看到，潛熱通量和水汽通量具有完全相同的變化趨勢，這是由于他們只是表征蒸散量的不同單位。在不同的天氣，潛熱通量和水汽通量差異明顯，其中，8月6日—9日下雨，8月10日—14日為多云，8月15日—17日為晴天，相對應的，潛熱通量和水汽通量排放峰值在雨天較低，在晴天較高。8月10日正午時的通量分別只有40.41 w/m2和0.93 mmol/(s·m2)，而8月15日正午時通量分別達到了453.54 w/m2和10.37 mmol/(s·m2)，這是由于不同天氣下氣溫和太陽短波輻射差異導致，在晴天太陽短波輻射和氣溫較高，相應的蒸散量也較高，而在陰天短波輻射和氣溫較低，對應的蒸散量也處于一個較低的水平。

2015年，實際蒸騰的年內變化趨勢見圖6。在冬季1月維持較低水平，只有0.38 mm/d；從2月

圖5 潛熱通量和水汽通量在不同天氣變化趨勢(2015.8.6—2015.8.17)

圖6 實際蒸散量在2015年內變化趨勢

份種植季的開始，由于植物蒸騰的參與，實際蒸散量開始逐漸增大，3、4、5月持續上升，直到6月蒸散量明顯降低，6月平均蒸散量只有1.3 mm/d。這是因為6月份實驗地開始收菜，缺少了植物蒸騰導致(這也從側面印證了植物蒸騰在總蒸散量中的主導地位)。下半年從7月開始逐漸增高，8月份由于種植季的開始持續升高，直到10月份達到全年最高值，為2.6 mm/d，而到了11月和12月又呈現下降趨勢。 經計算，實驗地2015年總蒸散量521 mm，日平均蒸散量1.4 mm/d。

4 結 論

在眾多蒸散發的實測方法中，渦動相關法是可以直接測量亂流通量的方法，它的優點是采樣頻率高，可以獲得長時間高分辨率的蒸散量；缺點是對下墊面的要求較高，需要均一的下墊面條件；其次就是在夜晚由于湍流發展不充分，在夜晚的數據有很大誤差。但總體來說，渦動相關法是蒸散發各種實測方法中較精密和可靠的方法，因此常常將渦動相關技術作為一種標準值。本文通過對岳陽市廣興洲鎮的一大塊包菜地進行蒸散發的實地測量，證明了這種方法的適用性。結果表明，實測蒸散量在不同的時間尺度具有明顯的變化趨勢。以年為尺度，實際蒸散量在1月份較小，從2月份種植季開始逐漸增大，到5月份達到最高，6月份開始減小，下半年種植季從8月份開始蒸散量逐漸增高，10月份達到最大，11月份開始逐漸減小；以月為尺度，蒸散量在晴天較高，在陰天和雨天較低；以天為尺度，蒸散量在正午以及下午時處于每天的高峰期，而在其他時間較低。

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Application of eddy covariance method inevapotranspiration measurement

CHEN Han1,ZHANG Xiangyu2

(1.ChongqingJiaotongUniversityHehaiInstitute,Chongqing400074，China;2.NorthChinaUniversityofwaterresourcesandhydropower,Zhengzhou450045,China)

The evapotranspiration is the most important and the most difficult to estimate the component in the regional water cycle, how to measure and estimate accurately is the focus of research on evapotranspiration. With the micro-meteorological theory and quantum laser technology gradually mature in recent years, the use of eddy covariance method for the determination of evapotranspiration become possible. Hunan Province as a typical southern region of China, agriculture mainly vegetables and other economic crops and rice-based, agricultural water accounted for over 70% of the total water consumption, and evapotranspiration accounts for over half of the total water loss, so it is very necessary to measure and estimate accurately. This paper introduce the relevant theory of eddy covariance method, we use EC-QCL analyzer, three-dimensional ultrasonic anemometer and other auxiliary instruments measure the actual evapotranspiration in a large vegetable farmland over two years observation in the Guangxingzhou, Yueyang. Then we use EddyPro to calculate the actual evapotranspiration, and analysis the change trend of actual evapotranspiration in different time scales. The research method used in this paper can provide reference for the future measurement of evapotranspiration.

evapotranspiration; eddy covariance; actual measurement; EddyPro software

陳 晗(1992-)， 男， 碩士研究生， 研究方向為水文與水資源。

P339；S161.4

A

2096-0506(2016)11-0018-05