溫帶草地蒸散發(fā)及波文比觀測與比較：渦動相關(guān)及波文比系統(tǒng)

王 佩， 馬琪順， 王家琪， 黃潔鈺， 李 煒， 張賜成

(1. 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875;2. 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部資源學(xué)院, 北京 100875)

蒸散發(fā)是水文循環(huán)中重要的環(huán)節(jié)，是陸地生態(tài)系統(tǒng)水熱平衡中的主要組分[1]，其精確觀測對水文模型改進(jìn)[2-4]，大尺度水文遙感校驗(yàn)[5-7]，及水資源管理[8-10]具有顯著的影響。一般而言，常用的蒸散發(fā)觀測方法有蒸滲儀法、水量平衡法、波文比-能量平衡法(BREB)法和渦動相關(guān)(EC)法[11-12]。蒸滲儀法由于儀器設(shè)備操作復(fù)雜、維護(hù)昂貴，大大限制了其廣泛的應(yīng)用；水量平衡法由于難以精確測量其他水平衡分量，其廣泛應(yīng)用受到一定限制。因此，微氣象方法得到廣泛的開展與應(yīng)用,如渦動相關(guān)法，波文比法。渦動相關(guān)法是目前國際公認(rèn)最為準(zhǔn)確的觀測方法，可以對蒸散發(fā)進(jìn)行長期的，高時(shí)間分辨率觀測[13]。 但是也有其缺點(diǎn)，如對于夜晚的較弱的湍流運(yùn)動難以精確測量[14]，并且容易受到露水及降水事件的影響，進(jìn)而導(dǎo)致測量紊亂，數(shù)據(jù)可靠性差等問題[15]。并且觀測的通量所代表的區(qū)域大小及范圍(通量足跡)會隨時(shí)間發(fā)生變動[16-18]。同樣問題也存在于波文比系統(tǒng)觀測中，相對而言，波文比法受天氣條件的影響較小，但是其估算也有先前假設(shè)，如大氣中水熱湍流交換系數(shù)是相等的;并且當(dāng)波文比接近于-1時(shí)，這種情況發(fā)生在潛熱與顯熱相當(dāng)，但是其傳輸方向相反，該方法會失效[19]。先前較多關(guān)注于蒸散發(fā)時(shí)空變動，模型模擬等方面[2,17-18]，但對這兩種方法進(jìn)行同時(shí)對比觀測研究相對較少；由于二者對潛熱觀測原理不同，均具有較高的獨(dú)立性，因此可作為蒸散發(fā)觀測互相校驗(yàn)，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的手段。Shi[20]等人在森林生態(tài)系統(tǒng)開展了對比研究，結(jié)果表明較波文比觀測較渦動法觀測的潛熱偏高。波文比(β)，即某一界面上感熱通量與潛熱通量的比值，是表征陸地生態(tài)系統(tǒng)能量分配的主要指標(biāo)，受到很多因素的影響，諸如影響到潛熱、顯熱的因素都會影響到波文比的變動。先前研究關(guān)注年際間的變動[21]，但對于其日變化及季節(jié)變化及其控制因素的研究較少。本研究目的主要為：第一：對比兩種方法對于蒸散發(fā)的觀測結(jié)果；第二：波文比的變動(日變化及季節(jié)變化)規(guī)律及其影響因素探討，以期為蒸散發(fā)的準(zhǔn)確觀測及波文比的變動機(jī)理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

如圖1所示，本研究在日本筑波大學(xué)陸地環(huán)境研究中心(TERC)實(shí)驗(yàn)草地(36.1°N, 140.1°E)進(jìn)行。該地年平均降雨量為1 159 mm，年均溫為14.1℃， 草場為直徑為160 m的圓形區(qū)域，周邊被森林包圍，主要分布有北美一枝黃(Solidagoaltissima),芒或芭芒(Miscanthussinensis)以及白茅(Imperatacylindrica)3種植物。每年進(jìn)行1～2次刈割以防止其發(fā)生演替。在此站點(diǎn)架設(shè)有渦動及常規(guī)氣象觀測場，詳細(xì)見試驗(yàn)觀測說明部分。在試驗(yàn)觀測期間，8月1-2日進(jìn)行了草場刈割。地面覆蓋有較厚的枯枝落葉層，土壤表層主要為肥沃的火山灰土，其下為厚度約2 m的粘土層，地下水位一般存在于粘土層下，試驗(yàn)觀測期間在1.5～2 m間波動。

圖圖1 觀測站點(diǎn)圖
Fig.1 Experiment site
注：箭頭指示植被生長季的主風(fēng)向
Note: Block arrows indicate the dominant wind direction in study site during the growing season

1.2 試驗(yàn)觀測

本試驗(yàn)采用日本筑波大學(xué)陸地環(huán)境研究中心1.5～1.6 m處架設(shè)的日常觀測渦動協(xié)方差系統(tǒng)，以及在附近草地架設(shè)的波文比觀測系統(tǒng)。其觀測儀器詳細(xì)情況如表1所示。渦動系統(tǒng)對輻射/能量通量，超聲風(fēng)速儀高頻響應(yīng)三維風(fēng)速及微氣象要素進(jìn)行了長期觀測。如有凈輻射(Rn)，土壤熱通量(G)，空氣溫度(Ta)，相對濕度(ha)，及水平風(fēng)速(u)，以及垂向風(fēng)速及溫度波動間協(xié)方差(W'T')。波文比觀測系統(tǒng)對凈輻射(Rn)，土壤熱通量(G)，以及雙層空氣溫度(Ta)，相對濕度(ha)進(jìn)行了觀測。本研究使用渦動通量數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，沒有經(jīng)過通量篩選處理等方法。依據(jù)渦動相關(guān)法原理，對顯熱(H)進(jìn)行了估算(如，H=Cpρa(bǔ)W′T′,注：cp為空氣熱容量(=1 005 J·kg-1·K-1)，ρa(bǔ)為空氣密度(kg·m-3)。根據(jù) Hiyama等[22]以及 Li 等[23]在本實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的能量平衡法估算,lET與蒸滲儀觀測結(jié)果具有高度一致性，因此，根據(jù)能量平衡原理(如,lET=Rn-H-G)，對潛熱(lET，l為汽化潛熱(J·kg-1))進(jìn)行了估算。基于渦動相關(guān)法的觀測，可計(jì)算得出波文比β=H/lET。除此之外，我們架設(shè)了波文比系統(tǒng)，進(jìn)行了連續(xù)3天日觀測(DOY203，DOY243，DOY296)，及生長季內(nèi)(DOY120-DOY300)每2周一次的季節(jié)觀測，與渦動法對比，評價(jià)波文比法對潛熱測量的準(zhǔn)確性。不同于渦動系統(tǒng)觀測原理，波文比系統(tǒng)(表1)利用溫度及濕度梯度來估算波文比：β=H/lET=Cp/l(T2-T1)/(Q1-Q2)，在此能量分配估算的基礎(chǔ)上，對潛熱lET=(Rn-G)/(1+β)及顯熱H=β(Rn-G)/(1+β)進(jìn)行估算。除了以上觀測要素，葉面積指數(shù)(LAI)，植被層高度(ZV土壤含水量(0～30 cm)都觀測其季節(jié)變動(每隔2周一次觀測頻度)。對于葉面積指數(shù)，在草場做3～5個(gè)重復(fù)，用葉面積儀測量其葉面積，記錄其平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。植被冠層高度隨機(jī)觀測不同植被總180次記錄其平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，土壤含水量用ADR (頻域反射計(jì)) 進(jìn)行測定，空間至少5次重復(fù)。

表1 觀測儀器信息及估算主要公式Table 1 Summary of instrument and main equations used for ET

2 結(jié)果與分析

2.1 潛熱觀測結(jié)果比較

如圖2所示，渦動相關(guān)法與波文比法所觀測潛熱較為一致，其決定系數(shù)為0.75。觀測季節(jié)內(nèi)，蒸散發(fā)平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為298.73 ± 128.58及 272.37 ± 116.87 W·m-2，相比較渦動相關(guān)法而言，整體上，波文比法傾向于低估潛熱。二者觀測到的潛熱具有相似的日變動及季節(jié)變化。蒸散發(fā)具有明顯的日變化，隨著太陽輻射增強(qiáng)，其值逐漸增大，直至中午時(shí)(11:30在第203，243天，11:00在第296天)達(dá)到最高值，而后逐漸下降，到夜晚非常近似于零。生長季內(nèi)，隨著植被的生長，日平均(24小時(shí)平均)蒸散發(fā)逐漸增加，期間由于降水、多云等因素造成短暫微弱的下降，直至刈割后，蒸散發(fā)突降，而后隨著植被生長逐漸增加。

圖2 基于渦動相關(guān)及波文比法觀測潛熱比較
Fig.2 Latent heat flux collected by the energy balanced eddy correlation and the bowen ratio (EBBR) system
注(Note)：決定系數(shù)R2=0.75

2.2 潛熱差異變動分析

圖3a為集中觀測期間波文比系統(tǒng)與渦動系統(tǒng)所觀測的潛熱差日變動。在DOY203二者差異較小，其潛熱差在-46.6～33.3間變動，在DOY243二者潛熱差在-30.8～59.74間變動，而在DOY296二者差異較大，極值達(dá)到-97.32和77.35。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在第3次觀測中，大氣的絕對濕度梯度不明顯，是可能造成二者觀測差異較大的原因。如圖3b所示為長期觀測波文比系統(tǒng)與渦動系統(tǒng)所觀測的潛熱差的季節(jié)變動。在整個(gè)生長季內(nèi)，生長初期(DOY117-124)至刈割期(DOY211-238)，波文比法所測得蒸散明顯高估；而在其他植被生長旺盛期，波文比法低估潛熱。總體來說，整個(gè)生長季波文比法較為低估。結(jié)果顯示這兩種方法在植被生長旺盛期，觀測結(jié)果一致性較好。以上結(jié)果分析表明：波文比系統(tǒng)在蒸散發(fā)總量較大的時(shí)候，其溫濕度梯度顯著，估算結(jié)果與渦動法一致性較高。

圖3 基于波文比法及渦動法觀測潛熱差別及變動
Fig.3 Differences of energy balance based bowen ratio and eddy correlation method for lET flux.

2.3 波文比日變化及季節(jié)變動

集中觀測期間波文比系統(tǒng)與渦動系統(tǒng)所估算的波文比日變化如圖4所示。在DOY203,243較為一致，而在DOY296天，二者估算的波文比出現(xiàn)較大差異，而這一天所觀測的濕度梯度較小，可能因此出現(xiàn)較大誤差。如圖5所示，為長期觀測的波文比系統(tǒng)與渦動系統(tǒng)所估算的波文比季節(jié)變動。二者所計(jì)算到的波文比季節(jié)變化趨勢較為一致。在植被生長旺季，波文比普遍偏小，表明在此期間，潛熱占據(jù)主導(dǎo)地位。而在生長初期(DOY117-124)至刈割期(DOY211-238)，波文比普遍較大，表明顯熱占據(jù)主導(dǎo)地位。基于溫濕度梯度與渦動系統(tǒng)所估算的波文比對比發(fā)現(xiàn)，在生長初期及刈割期間二者差異較為顯著，進(jìn)一步分析可以看出，當(dāng)潛熱較小的時(shí)候，波文比變動較大，不確定性隨之增大，這一現(xiàn)象在晚上(潛熱約為零)尤為明顯。以上結(jié)果表明，波文比系統(tǒng)在植被生長旺期，對于能量分配更為靠近渦動相關(guān)法。

圖4 基于溫濕度梯度及渦動法計(jì)算波文比日變化比較
Fig.4 Diurnal variations of bowen ratio by bowen ratio system and eddy correlation approach in the intensive period

圖5 基于溫濕度梯度及渦動法計(jì)算波文比季節(jié)變化比較
Fig.5 Seasonal variations of bowen ratio by bowen ratio system and eddy correlation approach in the growing seasonal period

2.4 波文比變動控制因素

如圖7示，在日變化過程中，影響波文比日變動的因素較多，在分析過程中，我們選取了白天(9:00-17:00)日照時(shí)間段進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:在生長季的不同階段，波文比的大小和太陽輻射間呈現(xiàn)較為顯著地對數(shù)關(guān)系(R2在0.40～0.52之間波動)，換句話說，太陽輻射的大小很大程度上決定了波文比的高低。在生長旺盛期，波文比普遍較低。生長初期及末期具有較為相似的趨勢。觀測波文比(以渦動相關(guān)法所測得24小時(shí)日平均顯熱及潛熱計(jì)算所得，降雨天去除)季節(jié)變動及其控制因素如圖6所示；在諸多因素中，我們發(fā)現(xiàn)與葉面積指數(shù)(LAI)的相關(guān)性最為密切，二者呈現(xiàn)非線性關(guān)系，其擬合關(guān)系為：β= -2.87×LAI3+1.59×LAI2-0.27×LAI+1.71,其R2達(dá)到0.65。表明在季節(jié)尺度上，植被生長狀態(tài)很大程度上決定著濕潤草地生態(tài)系統(tǒng)能量的分配。其中，當(dāng)葉面積指數(shù)LAI約為1左右時(shí)，其變動對波文比的變化影響最為明顯，當(dāng)達(dá)到1.5左右時(shí)，其對波文比的變動影響減緩。

圖6 波文比日平均季節(jié)變動與葉面積指數(shù)關(guān)系
Fig.6 Relationship between daily average of bowen ratio and LAI

3 討論

3.1 蒸散發(fā)測定的方法比較

渦動相關(guān)法及波文比法二者都是常用的潛熱觀測方法，二者對潛熱的觀測在生長季節(jié)內(nèi)較為一致，表明二者均為較好的蒸散發(fā)觀測方法。然而也出現(xiàn)了諸多的差異之處。二者間的差異原因分析如下：第一、二者前提假設(shè)是不同的。相對而言，渦動相關(guān)法最為準(zhǔn)確，因其直接依據(jù)通量的渦流屬性對其通量密度進(jìn)行觀測[24]。波文比系統(tǒng)依據(jù)溫濕度梯度差異計(jì)算波文比，并假設(shè)水熱擴(kuò)散系數(shù)相等，但在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中這種假設(shè)不一定能遇到，因此也對估算造成一定的誤差。再次，二者下墊面貢獻(xiàn)源不一致造成二者差異。本文中渦動相關(guān)法固定在1.6 m處，經(jīng)估算來自草地植被蒸散的水汽隨植物生長而異，在生長初期及刈割期，草地對水汽的貢獻(xiàn)度為42%，而到生長旺季達(dá)到 99%[25]。而對波文比系統(tǒng)，其雙層溫濕度觀測，傳感器架設(shè)上下高度不一，其水汽的貢獻(xiàn)源頭有差異，上層水汽約42%和99%來自于草地，分別出現(xiàn)在生長初期及生長旺季，與渦動法觀測較為相似；而其中層，草地貢獻(xiàn)度約為72%及99%，因此，特別是生長初期及割草后一段時(shí)期，二者的水汽貢獻(xiàn)源頭有顯著差異，造成了這2種方法在同時(shí)期觀測到的差異較大。再次，二者對人為擾動割草的響應(yīng)不同。在割草以后，渦動相關(guān)法所觀測的潛熱及波文比均出現(xiàn)顯著地變動，而波文比法在此階段，所探測的波文比變動并不顯著，原因可能是植被變少，空氣變得干燥時(shí)，波文比法誤差增大。與渦動相比較，波文比系統(tǒng)雖然存在以上問題，但其成本較為低廉，數(shù)據(jù)處理簡單。雖然波文比法在佛曉或傍晚時(shí)，潛熱和顯熱二者大致相等，且方向相反時(shí)其測量誤差偏大，然而這樣的數(shù)據(jù)畢竟只有少數(shù)，并且可以通過數(shù)據(jù)篩選或內(nèi)插提高數(shù)據(jù)質(zhì)量， 因此，該方法仍然得到廣泛的應(yīng)用[26]。

圖7 波文比日變化(9:00-17:00)與太陽輻射的關(guān)系
Fig.7 The relationship between daily changes of bowen ratio(9:00-17:00) and solar radiation.

3.2 波文比變動控制因素探討

波文比作為陸地能量分配指標(biāo)，是表征陸地生態(tài)系統(tǒng)能量特征的重要參數(shù)。在日尺度上，由于夜晚潛熱很小，幾乎為零，使得波文比值很大，不確定性較強(qiáng)。因此只篩選日照時(shí)間(9:00-17:00)來分析其日變化控制因素。與諸多因素(氣溫，相對濕度，風(fēng)速，太陽總輻射，凈輻射以及土壤含水量) 相關(guān)分析可以看出，太陽輻射強(qiáng)弱很大程度上調(diào)控著波文比的日變化。即隨著太陽輻射的增強(qiáng)，潛熱及顯熱均呈現(xiàn)增大趨勢，并且顯熱所占比例逐漸增大。在季節(jié)尺度上分析(24小時(shí)平均值季節(jié)變動)發(fā)現(xiàn)，以上列出環(huán)境因素與波文比間的相關(guān)性較小，而葉面積指數(shù)與其相關(guān)性最高，二者呈非線性相關(guān)。不同于先前諸多干旱區(qū)研究，該區(qū)域土壤水分及降水等事件對波文比的平均變動影響較弱，根據(jù)季節(jié)內(nèi)的累計(jì)降水量及累計(jì)蒸散量可以看出，該生態(tài)系統(tǒng)一直處于降水累計(jì)大于其蒸發(fā)累計(jì)的水分盈余狀態(tài)。生長季節(jié)內(nèi)，潛熱與太陽輻射的R2達(dá)0.94，表明潛熱主要受太陽輻射控制，而植被通過其生長狀態(tài)，將越來越多的輻射能量轉(zhuǎn)化為潛熱的形式向大氣傳輸。

4 結(jié)論

波文比系統(tǒng)觀測與渦動相關(guān)法所觀測的溫帶濕潤草地生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)整體上較為一致。整體而言，較渦動相關(guān)法，波文比方法估算潛熱較低。二者觀測的差別在植被生長初期及割草期較為顯著，表明波文比系統(tǒng)在植被生長旺盛期測量潛熱效果更為穩(wěn)定。以上兩種方法估算得到的波文比具有相似的日變化及季節(jié)變動趨勢。生長季節(jié)內(nèi)，其變動均值及標(biāo)準(zhǔn)差為0.21 ± 0.42；波文比日變化與太陽輻射相關(guān)性較強(qiáng)(R2在0.41～0.52波動)，而其季節(jié)變化(24 h平均，日變化已剔除)與葉面積指數(shù)(LAI)具有較高的非線性相關(guān)性(R2=0.65)，而土壤水分對季節(jié)變動影響較小。以上研究表明：在溫帶濕潤草地生態(tài)系統(tǒng)，植被的生長(太陽輻射調(diào)控氣孔導(dǎo)度開張，葉面積指數(shù)增加)很大程度上調(diào)控著該系統(tǒng)能量的分配。以上研究結(jié)果對波文比系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。