溫帶草地蒸散發(fā)及波文比觀測(cè)與比較：渦動(dòng)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(guó)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(cè)對(duì)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(cè)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(dòng)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(cè)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(dòng)相關(guān)法，波文比法。渦動(dòng)相關(guān)法是目前國(guó)際公認(rèn)最為準(zhǔn)確的觀測(cè)方法，可以對(duì)蒸散發(fā)進(jìn)行長(zhǎng)期的，高時(shí)間分辨率觀測(cè)[13]。 但是也有其缺點(diǎn)，如對(duì)于夜晚的較弱的湍流運(yùn)動(dòng)難以精確測(cè)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(cè)量紊亂，數(shù)據(jù)可靠性差等問題[15]。并且觀測(cè)的通量所代表的區(qū)域大小及范圍(通量足跡)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變動(dòng)[16-18]。同樣問題也存在于波文比系統(tǒng)觀測(cè)中，相對(duì)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(huì)失效[19]。先前較多關(guān)注于蒸散發(fā)時(shí)空變動(dòng)，模型模擬等方面[2,17-18]，但對(duì)這兩種方法進(jìn)行同時(shí)對(duì)比觀測(cè)研究相對(duì)較少；由于二者對(duì)潛熱觀測(cè)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(cè)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(duì)比研究，結(jié)果表明較波文比觀測(cè)較渦動(dòng)法觀測(cè)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(huì)影響到波文比的變動(dòng)。先前研究關(guān)注年際間的變動(dòng)[21]，但對(duì)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(duì)比兩種方法對(duì)于蒸散發(fā)的觀測(cè)結(jié)果；第二：波文比的變動(dòng)(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(cè)及波文比的變動(dòng)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(chǎng)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(dòng)及常規(guī)氣象觀測(cè)場(chǎng)，詳細(xì)見試驗(yàn)觀測(cè)說明部分。在試驗(yàn)觀測(cè)期間，8月1-2日進(jìn)行了草場(chǎng)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(cè)期間在1.5～2 m間波動(dòng)。

圖圖1 觀測(cè)站點(diǎn)圖
Fig.1 Experiment site
注：箭頭指示植被生長(zhǎng)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(cè)

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(cè)渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)，以及在附近草地架設(shè)的波文比觀測(cè)系統(tǒng)。其觀測(cè)儀器詳細(xì)情況如表1所示。渦動(dòng)系統(tǒng)對(duì)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(zhǎng)期觀測(cè)。如有凈輻射(Rn)，土壤熱通量(G)，空氣溫度(Ta)，相對(duì)濕度(ha)，及水平風(fēng)速(u)，以及垂向風(fēng)速及溫度波動(dòng)間協(xié)方差(W'T')。波文比觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)凈輻射(Rn)，土壤熱通量(G)，以及雙層空氣溫度(Ta)，相對(duì)濕度(ha)進(jìn)行了觀測(cè)。本研究使用渦動(dòng)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(dòng)相關(guān)法原理，對(duì)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(cè)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(duì)潛熱(lET，l為汽化潛熱(J·kg-1))進(jìn)行了估算。基于渦動(dòng)相關(guān)法的觀測(cè)，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(cè)(DOY203，DOY243，DOY296)，及生長(zhǎng)季內(nèi)(DOY120-DOY300)每2周一次的季節(jié)觀測(cè)，與渦動(dòng)法對(duì)比，評(píng)價(jià)波文比法對(duì)潛熱測(cè)量的準(zhǔn)確性。不同于渦動(dòng)系統(tǒng)觀測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)其季節(jié)變動(dòng)(每隔2周一次觀測(cè)頻度)。對(duì)于葉面積指數(shù)，在草場(chǎng)做3～5個(gè)重復(fù)，用葉面積儀測(cè)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(cè)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(cè)定，空間至少5次重復(fù)。

表1 觀測(cè)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(cè)結(jié)果比較

如圖2所示，渦動(dòng)相關(guān)法與波文比法所觀測(cè)潛熱較為一致，其決定系數(shù)為0.75。觀測(cè)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(dòng)相關(guān)法而言，整體上，波文比法傾向于低估潛熱。二者觀測(cè)到的潛熱具有相似的日變動(dòng)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(zhǎng)季內(nèi)，隨著植被的生長(zhǎng)，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(zhǎng)逐漸增加。

圖2 基于渦動(dòng)相關(guān)及波文比法觀測(cè)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(dòng)分析

圖3a為集中觀測(cè)期間波文比系統(tǒng)與渦動(dòng)系統(tǒng)所觀測(cè)的潛熱差日變動(dòng)。在DOY203二者差異較小，其潛熱差在-46.6～33.3間變動(dòng)，在DOY243二者潛熱差在-30.8～59.74間變動(dòng)，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(cè)中，大氣的絕對(duì)濕度梯度不明顯，是可能造成二者觀測(cè)差異較大的原因。如圖3b所示為長(zhǎng)期觀測(cè)波文比系統(tǒng)與渦動(dòng)系統(tǒng)所觀測(cè)的潛熱差的季節(jié)變動(dòng)。在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)，生長(zhǎng)初期(DOY117-124)至刈割期(DOY211-238)，波文比法所測(cè)得蒸散明顯高估；而在其他植被生長(zhǎng)旺盛期，波文比法低估潛熱。總體來說，整個(gè)生長(zhǎng)季波文比法較為低估。結(jié)果顯示這兩種方法在植被生長(zhǎng)旺盛期，觀測(cè)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(dòng)法一致性較高。

圖3 基于波文比法及渦動(dòng)法觀測(cè)潛熱差別及變動(dòng)
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(dòng)

集中觀測(cè)期間波文比系統(tǒng)與渦動(dòng)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(cè)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(zhǎng)期觀測(cè)的波文比系統(tǒng)與渦動(dòng)系統(tǒng)所估算的波文比季節(jié)變動(dòng)。二者所計(jì)算到的波文比季節(jié)變化趨勢(shì)較為一致。在植被生長(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)系統(tǒng)所估算的波文比對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在生長(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)旺期，對(duì)于能量分配更為靠近渦動(dòng)相關(guān)法。

圖4 基于溫濕度梯度及渦動(dòng)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(dòng)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(dòng)控制因素

如圖7示，在日變化過程中，影響波文比日變動(dòng)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(zhǎng)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(duì)數(shù)關(guān)系(R2在0.40～0.52之間波動(dòng))，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(zhǎng)旺盛期，波文比普遍較低。生長(zhǎng)初期及末期具有較為相似的趨勢(shì)。觀測(cè)波文比(以渦動(dòng)相關(guān)法所測(cè)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(dòng)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(zhǎng)狀態(tài)很大程度上決定著濕潤(rùn)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(dòng)對(duì)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(duì)波文比的變動(dòng)影響減緩。

圖6 波文比日平均季節(jié)變動(dòng)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(cè)定的方法比較

渦動(dòng)相關(guān)法及波文比法二者都是常用的潛熱觀測(cè)方法，二者對(duì)潛熱的觀測(cè)在生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)較為一致，表明二者均為較好的蒸散發(fā)觀測(cè)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(duì)而言，渦動(dòng)相關(guān)法最為準(zhǔn)確，因其直接依據(jù)通量的渦流屬性對(duì)其通量密度進(jìn)行觀測(cè)[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(duì)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(dòng)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(zhǎng)而異，在生長(zhǎng)初期及刈割期，草地對(duì)水汽的貢獻(xiàn)度為42%，而到生長(zhǎng)旺季達(dá)到 99%[25]。而對(duì)波文比系統(tǒng)，其雙層溫濕度觀測(cè)，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(zhǎng)初期及生長(zhǎng)旺季，與渦動(dòng)法觀測(cè)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(zhǎng)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(cè)到的差異較大。再次，二者對(duì)人為擾動(dòng)割草的響應(yīng)不同。在割草以后，渦動(dòng)相關(guān)法所觀測(cè)的潛熱及波文比均出現(xiàn)顯著地變動(dòng)，而波文比法在此階段，所探測(cè)的波文比變動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(cè)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(dòng)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(duì)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(shì)，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(dòng))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(duì)波文比的平均變動(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)與渦動(dòng)相關(guān)法所觀測(cè)的溫帶濕潤(rùn)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(dòng)相關(guān)法，波文比方法估算潛熱較低。二者觀測(cè)的差別在植被生長(zhǎng)初期及割草期較為顯著，表明波文比系統(tǒng)在植被生長(zhǎng)旺盛期測(cè)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(dòng)趨勢(shì)。生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)，其變動(dòng)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(dòng))，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(duì)季節(jié)變動(dòng)影響較小。以上研究表明：在溫帶濕潤(rùn)草地生態(tài)系統(tǒng)，植被的生長(zhǎng)(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(duì)波文比系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。