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1、第：章水循环机理与过程6 9 区域蒸散发研究综述赵长森。2 夏军1占车生1( 1 中国科学院地理科学与资源研究所北京1 0 0 1 0 1 ；2 中国科学院研究生院北京1 0 0 0 3 9 )捕要区域蒸傲发的研究是区域木循环模型构建中的蕈要一环，其模拟手段的连取是否合理直接映定着永循环横型曲计算效率其模拟精度的高低直接决定着木循环模型输出结果的精度。丰文从观测仅器到模拟方法，舟颦了区域燕散发研究的进晨情况：观测仪器中只有阿烁通量仪可以直接测定面元的薷散发计算方法中遥感反演区域燕敢发是现在研究的热点，其中垒暹摩法( 全部依章遥感信息) 是未来学柬界研究的趋势所在但日前由于大气不确定性等原目的存
2、在，研究受到阻碍，只有积板转变研究思路，引进新的技术方法。才能突破研究瓶颈，开创新的研究局面。关键词区域薰敢发仪器模型1 引言国际上对蒸散发的研究已有2 0 0 多年历史，至今已取得了一系列成果。但自道尔顿( D a l t o n ) 1 8 0 2 年提出综合考虑风、空气温度、湿度对蒸发影响的道尔顿蒸发定律后，蒸发的理论计算才具有明确的物理意义，道尔顿蒸发定律对近代蒸发理论的创立有着决定性的作用。2 0 世纪5 0 年代，苏联学者提出大区域平均蒸发量的气候学估算公式及根据地球水鼍平衡原理的流域蒸发计算的水量平衡法。其精度主要取决于水量平衡方程式中各分量测量的精度，取决于所确定的封闭地域系统
3、中内外水分交换值测量的精度。7 0 年代初以来，国外开始利用遥感信息计算区域蒸发：多时相、高分辨率、多频潜及多倾斜角度的卫星遥感资料能够客观地反映出F 垫面的几何结构和热湿状况，特别是表面热红外温度能够较客观地反映出近地层湍流热通量大小和下垫面的干湿差异。即土壤含水量的水平非均匀状况。国内在利用卫星遥感资料估算非均匀陆面区域蒸发( 敢) 量方面起步较晚。起初的研究是用卫星遥感资料来推算各种地表特征参数，例如地表反射率、N D v I 、地表温度等。进入2 1 世纪以来，全部依靠遥感数据( 或结台少量地面资料) 来进行区域蒸散发反演的模型成为学术界研究的热点。2 区域蒸散发测量计算常用仪器蒸散发
4、测量仪器比较多，水文气象部门常用的水面蒸发器有6 2 0 型、6 S 0 套盆式、E 6 0 1 型蒸发器、大型水面蒸发池；目前广泛应用于地表通量研究的仪器有蒸渗仪、波文比仪、涡度相关仪和闪烁通量仪。在所有仪器中，只有闪烁通量仪的测量结果可以直接代表区域蒸散发，其他仪器的测量尺度都是点，需要建立区域内测量站尉借助于数理方法进行综合计算才能得到区域蒸散发。下面主要介绍后三种。 2 1 波文比仪1 9 2 6 年I B o w e n 提出了波文比的概念。渡文比( B ) 就是地表能量平衡方程中显热通量( H ) 与潜热通量( L E ) 之比。波文比方法是基于无平流条件下显热交换系数h 和潜热交
5、换系数t 相等的假设( 即屯= k 。) 。大量研究结果表明，在有平流和非均匀下垫面情况下，k 乒k ，此时渡文比方法测量的精度差或者失效。波文比方法简单，精度比较高，因而可作为常规观测，但波文比观测要求下垫面均匀并且无平流影响，否则数据误差很大甚至不可用，这也就局限了波文比法的使用范围。波文比有较好的物理基础，使用简单，于是许多学者希望能找到一些方法来对渡文比方法进行修正，以便在有平流的情况下也能使用波文比方法但至今未得到令人满意的结果。波文比方法测量尺度：点。基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 0 2 7 9 0 4 9 ) ；国际科技合作重点资助项目( 2 0 0 l D F D
6、F 0 0 0 4 ) ；中国科学 院知识创新工程资助项目( K Z C X 2 一S W 一3 1 7 K Z C X l 0 9 0 2 ) 。第一作者简介：赵长森( 1 9 7 7 一) 男，山东淄博人，博士研究生，主要从事陆地东循环模型研究。E n 1 日i 1 ：z h a -o c a 0 5 b i 护“na c _ 棚7 0 第一篇基础理论2 2 涡度相关仪 涡度相关方法首次由瓤C S w i a h a n k l 9 5 1 年提出来，1 9 6 1 年A 工D y e r 做了第一台涡动通量仪。后来经过了一系列的改进，形成了今天的涡度相关仪。涡度相关方法能通过测量各种属性
7、的湍流脉动值来直接测量它们通量和其他方法相比，它并不是建立在经验关系基础之上，或从其他气象参量推论而来，而是建立在所依据的物理原理之上，因而是一种直接测量乱流通量的方法，不受平流条件限制，是各种方法中较精密而可靠的方法。其缺点是需要比较灵敏的仪器系数和较大量的数字处理，而且它只是一种技术，并不涉及到通量输送过程的主要物理和生理因素。再者涡度相盖仪测量的是局地值，要获得面元上的观测值需要建立观测网。由于脉动观测仪器比较昂贵及其他条件的限制，不可能进行大范围、长时间的观测。多数研究中，都是将涡度相关技术作为一种标准值，将其他的方法与它进行比较。涡度相关仪测量尺度：点。2 3 闪烁通量仪闪烁通量仪由
8、华人王庭义1 9 7 8 年提出设想，后有美国N O A h ( 国家海洋大气署) 波传播实验室制成仪器。它是唯一一种能直接测量面元太小的显热通量仪器，其测量结果可直接代表区域蒸散发。与涡度相关仪不同的是：涡度相关仪是直接测量，而闪烁通量仪是建立在莫宁奥布赫夫的半经验相似理论基础上。因而它受到两方面的制约：一个是“饱和”效应，另一个是“内尺度”效应。w M LM e i j n i n g e r 等利用大孔径闪烁仪测定土耳其西部灌溉地的显热通量，结果表明，大孔径闪烁仪用于测量面积区域的显热通量是相当可靠的。众多的研究文献表明：闪烁通量仪在遥感影像像元尺度通量信息提取的验证，在有平流或非均匀下
9、垫面情况下，及大面积的区域通量的研究中都是可靠和成功的。闪烁通量仪测量尺度：线。3 区域蒸散发主要计算方法区域蒸散发计算方法主要有水量平衡法、植物生理测定法、涡度相关法、波文比法、空气动力学法、能量平衡一空气动力学阻抗法( 即遥感法) 、P e n m a n M o t e i t h 模型、互补相关模型、表面更新( S R ) 模型等。下面对目前研究较多的模型作一简单介绍。3 1 能量平衡一空气动力学阻抗法( 遥感法) 地表能量交换足影响气候变化的重要用子，利用遥感技术可获取能量平衡方程中物理项的信息，从而为利用能量平衡方程来推算蒸散发量奠定了基础。目前。由遥感图像反演地表反照率( A l
10、 b e d o ) 、表面温度和植被指数N D V I 的技术已经相当成熟。利用该方法可以计算区域面上的蒸散发，但遥感无法提供一些重要的大气变量( 如风速、气温、水汽压等) 。这些数据必须通过地面观测或者用大气边界层模型来模拟获得。 3 2 互补相关模型在地气系统中，显热和潜热是能量交换中两个重要参量，B o u c h e t 认为在一个局地的人为刨造的小环境中，观察其蒸发情况，从中得到的结果可以作为一个指标，根据它的变化情况来计算本地区大面积陆面或水域的实际蒸散发量。据此，B o u e h e t 首次提出了互补相关理论( C R ) ，并在较小尺度的农田中对C R 法进行丁检验。但M
11、 o r t o n 认识到，c R 理沦对于区域尺度更加准确。M o r t o n 等人用大量的实验数据证明了局地蒸发潜力与实际蒸散发之间的互补关系确实存在，且两者成负指数关系，澄清了多年来人们总认为实际蒸发与局地蒸发潜力成正比的错误概念。C R 理论有一定的理论基础，目前得到了广泛的应用。3 3 传统方法与遥感方法结合模型 G u t m a n 用卫星数据得到的归一化植被指数( N D V I ) 和地表温度( T s ) ，并利用气象站资料，用T h o m t h w a i t e 经验公式计算潜在蒸发，认为实际蒸发与潜在蒸发之间存在一个系数，该系数口可以通过卫星数据得到的N D
12、 V I 值得到( 卢= d + bx N D V I ) ，从而可以计算实际蒸发量：E = 3X 却，其中。a ，b 是与研究区域有关的系数。该方法简单，实际运用中有阈值限制。 J e n H w t m C h e n 等提出了植被指数一日表面温度差( N D V I D S T V ) 模型。主要是通过卫星数据得到N D V I 值和D S T V ，将这些数据投影在N D V I D S T V 图上，这些数据会成一个三角图，三角的3 个顶分别代表3 个端员成分：全植被覆盖区域、湿裸土和干裸土。遥感图像上的每一个像元上的N D V I 和D S T V 都是植被、湿土和干裸土的三者的综
13、合贡献，因此可求得每一像元上这三者的杈重。然后计算植被水分系数( v e g e t a t i o na n d m o i s t u r ec o e f f i c i e n t ) ：V M C ( D S T V i N D V I i ) = E V M C ( 植被) + 耽V M C ( 湿裸土) + V M C ( 干裸土) 。式中：形是权重，下标1 ，2 ，3 分别代表植被、湿裸土和干裸土的权重。然后用潜在蒸发乘以植被水分系数就可得到实际蒸发量的分布。第= 章水循环机理与过程7 1 3 4 表面更新模型( S R 模型) 其工作过程是用精制的热电偶来测量高频温度，根据测
14、量的温度推箅出显热通量H ，再根据地表能量平 衡方程求出潜热通量皿。研究表明，s R 模型是一种经济实用而且精度比较好的研究地表通量的方法。该法求显热通量H 只需温度值，经济实用。4 遥感反演区域蒸散发遥感反演区域蒸散发基本上都是基于地表能量平衡方程进行的，如式( 1 ) 所示a R n = L E + H + G( 1 )式中：航为到达地表的净辐射通量；L E 为潜热通量；日为显热通量；G 为土壤热通量。卫星遥感结合地面观测估算地表能量平衡各分量区域分布的过程可分为两步。第一，求取地表特征参数( 地表反射率、N D V I 和地表温度) ；第二，推算能量平衡各分量：从遥感图像提取胁信息；获取
15、土壤热流量G 的信息；从遥感图像提取H 信息；根据地表能量平衡方程求出L E ；由瞬时蒸散发根据一定换算关系得到日蒸散发。目前主要的模型有：4 1 简化模型 J a c k s o n 等在对小麦的研究中认为在地表完全覆盖的情况下，一天2 4 h 内土壤热通量可以忽略不计，经过对地表能量方程进行简化，得到： E r = R n + B ( 一T s )( 2 )式中：E r 为日蒸散量；B 为半经验系数；T a 和n 分别为空气和表面温度。该模型假定是在地表完全覆盖的情况下，一天2 4 h 内土壤热通量可以忽略不计。其优点是参数少，便于应用。但当地表不完全覆盖时，效果不一定很好，并且该模型是基
16、于晴天的结果，由于日蒸散值是由瞬时的表面温度与气温的差值确定的，而在多云天由于瞬时蒸散变化比较大，所以用该模型进行估计也会造成误差。4 2 附加阻抗模型 由于用辐射温度与空气动力学阻抗直接计算显热会带来误差，K u s t a s 等通过增加一个附加阻抗L 来减小误差，经整理后得到附加阻抗模型： H = p c , ( t t ) ( k + ) r I = k B 。l I n 等上一心 H( 3 )其中，k , B ；I n ( 札缸) ，K u s t a s 等发现栖- 1 也可用下面的经验表达式表示： k B = “( t L )( 4 )是一个介于0 0 5 - 0 2 5 问的常数。4 3 作物缺水指数模型可以直接由植被指数和热红外遥感资料求得作物缺水指数，使得这种方法也可适用于部分植被覆盖地区。经M o r a n 等改进后的作物缺水指数模型植被指数温度梯形法( V I T t r a p e w i d ) 为
