陆域蒸散的测算理论方法:回顾与展望

蒸散是地球水分循环与能量转换的关键环节.陆域蒸散的精准测算是地球物理、生物乃至环境过程研究的共同科学难题.以英国Dalton和Penman等人为代表的开创性工作,以及大气边界层湍流交换理论与实验的不断发展,奠基了现代主流的蒸散测算方法.20世纪90年代以来技术趋于成熟的涡动相关系统和卫星遥感等观测手段,跨越寒带到热带、干旱区到湿润地区,涵盖水体、湿地、森林、农田、草地、裸地、城市等不同下垫面类型,极大地拓展了对蒸散过程认知的深度和广度;捕捉了诸如地表夜间蒸散、蒸散迟滞现象、非均匀下垫面的湍流间歇、平流关联的岛屿效应、下垫面转捩效应等新的现象和事实,对经典相似性理论和蒸散测算理论等提出了新的挑战;最大熵增蒸散模型和非参数化蒸散模型等新方法和新理论的萌芽已经出现.与此同时,点位高频观测和航空航天遥感技术构筑了从植物气孔到叶片、植株、冠层、景观、流域等跨尺度测算手段,在地表蒸散过程观测及机理解析上,形成纵向深化及横向综合的新进展.陆域蒸散新理念、新模型、新技术的综合性发展,成为突破蒸散精准测算难题的基础条件,这将为揭示地球系统的水-热-碳循环机理等全球性重大基础理论问题,为满足农业灌溉与粮食安全、水资源精细化管理与生态环境保护、城市热环境调控与全球升温适应对策等国家重大需求,提供更为严谨坚实的科学理论依据和实验支撑.     

内陆河流域山区水文与生态研究

以河西走廊黑河干流山区流域为例,从山区水文循环、水文与生态系统以及径流形成和预测等方面讨论山区流域水文和生态相互作用研究的有关问题。山区降水的空间和时间分布规律和固态、液态降水组成变化主要受制于海拔和地形的影响,而不同海拔和地形条件下的下垫面不同土地覆被和复杂的空间异质性则主要影响蒸散发量。对内陆河山区流域的水文小循环的研究,有助于进一步研究和认识内陆河流域上、中、下游水文和生态系统的相互联系问题。至今,对山区水文过程与生态系统的相互作用问题的研究还非常薄弱,需要研究山区森林草地生态系统在山区水文循环中的作用以及在维持和保护山区生态和环境中的作用和意义。内陆河流域山区水文过程复杂而综合性强,须加强对山区径流形成机理的多学科交叉研究,不断改善出山径流对气候变化和人类活动响应过程的模拟和预测水平。     

黑河中游灌区地下水位短期季节性变化趋势预测

利用黑河中游平川、板桥、鸭暖和蓼泉灌区8眼观测井的1985-2002年逐月实测平均地下水位埋深资料(共1728个月),基于帕森斯季节性指数理论,分别建立了黑河中游灌区具有代表性的平川、板桥、鸭暖、蓼泉四灌区共8眼观测井季节地下水位埋深动态变化预测模型,并用2003年各观测井的资料进行了趋势预测进行检验.结果表明:观测井地下水位变化过程呈线性递减的相关系数越显著,其拟合误差和预测误差越小.各观测井地下水位帕森斯季节性指数模型拟合差≤0.05 m的月数占总检验月数的比例平均为38.33%,拟合差≤0.10 m的月数占总检验月数的比例平均为72.50%,>0.25 m的月数占总检验月数的比例平均为2.00%;各观测井预测误差≤0.05 m的月数占总预报月数的比例平均为36.46%,预测误差≤0.10 m的月数占总预报月数的比例平均为64.38%,>0.25 m的平均比例仅为2.00%,说明帕森斯季节性指数模型可以对短期黑河中游典型灌区地下水位动态趋势进行预测.     

黑河流域山前绿洲灌溉农田蒸散发模拟研究

基于Penman-Monteith蒸散公式, 应用土壤-植被-大气系统水分和能量传输理论对Shuttleworth-Wallace蒸散模型的参数进行改进, 得出解析计算农田作物蒸腾和土壤蒸发的双源模型. 对黑河流域山前绿洲农田春小麦生长期土壤蒸发、作物蒸腾以及总蒸散过程进行了模拟研究. 对模型的计算结果以田间观测和水量平衡方法进行验证, 误差目标NSE=0.98, 说明该模型用于农田蒸发和蒸腾的计算是合理的. 对影响蒸发和蒸腾的主导因子净辐射、叶面积指数、土壤含水量进行了相关性分析, 得出三者的变化对土壤蒸发、作物蒸腾的影响. 通过不同时期日蒸散发量变化特征的分析, 表明土壤、冠层两个界面对能量和水汽传输的交互影响效应显著.     

仪器表面加热效应对临泽站开路涡动相关系统CO2通量的影响

LI-7500分析仪仪器表面加热效应对开路式涡动相关系统CO2通量观测结果影响显著,利用Burba校正方法对提高观测站CO2通量观测精度、年净生态系统碳交换量(NEE)估算、全球CO2交换量估算和气候变化模拟等具有重要意义.基于临泽站绿洲玉米农田的开路式涡动相关系统和小气候观测系统所获得的一年数据,利用Burba校正方法分别对LI-7500分析仪光路中的感热通量、大气潜热通量、CO2通量以及NEE的季节变化过程进行了修正.结果表明,LI-7500分析仪底部窗口和支杆部分热量交换是光路中感热通量校正量的主要贡献者,平均分别为6.81 W·m-2和2.68 W·m-2,其加热效应主要来源于太阳辐射和电子元件运行产生的热量;加热效应对潜热通量影响最小,平均校正量仅为0.24 W·m-2;Burba校正对CO2通量和NEE的季节变化影响显著,其平均校正量分别为19.14μg· CO2·m-2·s-1和313.21 mg·C·m-2·d-1,而且气温越低加热效应对通量的影响越显著;除生长季空气中水汽浓度显著高于非生长季而导致潜热校正量较大外,生长季其他各通量的校正量明显小于非生长季,生长季光路中感热、周围大气潜热、CO2通量和NEE日校正量分别为6.94 W·m-2、0.33 W·m-2、12.86 μg·CO2·m-2·s-1和161.58mg·C· r-2·d-1,分别是非生长季的60.4％,220.0％,50.6％和37.4％.若未进行仪器表面加热效应的Burba校正,在生长季和非生长季累计高估的绿洲玉米农田生态系统碳吸收量分别为25.85 g·C·m-2和88.47 g·C·m-2.     

内陆河高寒山区流域分布式水热耦合模型（Ⅱ）：地面资料驱动结果

以黑河出山日平均流量作为对比，利用26个降水站点、11个气温站点和14个潜在蒸发站点2000年日资料，模型设计了6套气象因子空间分布方案，进行数值模拟试验，结果表明，在黑河流域现有观测站点的情况下，利用各种空间插值方法所得结果基本相当，考虑地面高程的三维插值与不考虑地面高程的二维插值结果相差不大，补充距离研究区较远的站点观测资料，模型结果反而变差。最终模型采用基于二维算法的最近距离法（nearest），利用2000年资料校正模型，计算与实测黑河日出山平均流量序列的效率系数为0.6101，平衡误差为0.0808％。以1999年资料验证模型，效率系数和平衡误差分别为0.6270和-2.9824％。模型基于水热连续方程模拟了黑河山区流域水热交换和耦合过程，探讨了流域的水量平衡，分析了水量平衡因子的时空分布，其模拟结果表明，内陆河高寒山区流域主要为浅表产流，高山草甸具有拦蓄降水和水源涵养作用，并反映了高山地区浅表土壤地下厚层冰的聚集过程。各种模型结果与本区野外实际调查结果基本一致，也符合当前对寒区流域水文循环过程的定性认识。     

内陆绿洲灌溉农田SPAC系统土壤水分动态模拟研究

基于土壤水动力学原理,建立了内陆河流域山前农田绿洲SPAC系统土壤水分运移的子模型。应用该模型对土壤剖面含水率、农田棵间蒸发和叶面蒸腾量进行了模拟研究,并以实测值进行了验证。对相同种植与田间管理条件下的春小麦生长季田间土壤水分、土壤蒸发和叶面蒸腾量进行了预报,得到了较满意的结果。对模型主要参数土壤饱和导水率Ks、土表排水系数Wmax、净辐射Rn、风速Uz、饱和差D、作物叶面指数LAI进行了敏感性分析,得出这些参数对土壤水分运移的影响显著。应用该模型对西北干旱区内陆河流域山前绿洲灌溉农田的土壤水分均衡和作物根系吸水规律以及SPAC系统中土壤水分运移规律进行了模拟研究。     

黑河高山草甸冻土带水热传输过程

以黑河源区高山草甸冻土带的基本气象参数、植被参数和土壤水热性质参数为输入条件,利用CoupModel模型计算了试验点两个完整年度日尺度上的各种基本水热状况,计算结果较符合实测值(7层地温和土壤液态含水量平均R2分别为0.95和0.83).利用模型输出的土壤热通量和土壤水迁移分析了试验点季节性冻土区的水热传输过程:在土壤层开始冻结期,下层土壤液态水向冻结锋面集结,集结期向上的地热通量急剧增加;在冻结期,土壤热传导主要与上下层的土壤温度有关,土壤水迁移基本处于零通量状态;在融化期,在融化锋面未出现液态水分集结现象,融化层土壤水热传输过程迅速改变并与非冻结土壤一致,向下的地热通量急剧增加.     

干旱区稀疏树木冠层降雨截留蒸发的研究进展与展望

冠层截留蒸发作为冠层降水再分配和地表蒸散发的重要组分,对以稀疏植被为典型覆盖特征的干旱区生态系统的局地水文循环和水量平衡产生不可忽略的影响,并对该区域生态植被保护、植被与降水关系、生态水文过程等研究具有重要科学意义.较为系统地总结了干旱区稀疏树木冠层截留蒸发的主要观测试验方法和关键模型,具体分析了稀疏树木冠层结构(空间分布、叶片倾角和叶面积指数等)、降雨特征(降雨量、降雨强度和降雨历时)以及大气环境条件(风速、气温和饱和差等)等对冠层截留蒸发的影响机理,并对改进和完善目前稀疏树木冠层截留蒸发的观测试验和估算模型方面提出了建议.     

干旱气候条件下多种潜在蒸发量估算方法对比研究

潜在蒸发量表征局地大气蒸发能力,是研究陆面过程和水文循环的关键参量。基于中国科学院临泽内陆河流域研究站2015 2016年实测气象数据,对比分析了综合法、辐射法和温度法共10种潜在蒸发量计算公式在河西走廊中段干旱气候条件下的差异,并将计算结果与台站内E601型和Φ20型蒸发皿记录的蒸发量数据进行了统计分析。结果表明:(1)影响E601型和Φ20型蒸发量的气象因素主要为饱和水气压差、净辐射和温度;(2)两种蒸发皿折算系数(ETp-E601/ETp-Φ20)的算术平均法和一元线性回归法计算值分别为0.65和0.62;(3)总体上综合法最适用,其次是辐射法,基于温度的各方法适用性最差;(4)综合法中FAO-56法最优,与E601型蒸发皿值拟合值为1.02(R2=0.70);其次是基于辐射的Doorenbos-Pruitt法,与Φ20型蒸发皿值拟合值为0.78(R2=0.85)。以上研究结果为估算我国西北干旱区及类似环境下潜在蒸发量提供了方法上的借鉴。