涡度相关观测的能量闭合状况及其对农田蒸散测定的影响.docx

涡度相关观测的能量闭合状况及其对农田蒸散测定的影响 刘渡;李俊;于强;同小娟;欧阳竹 【摘要】涡度相关法被认为是测定农田蒸散量的标准方法.然而，能量不闭合现象在 涡度相关测量中普遍存在.分析能量不闭合对涡度相关观测的影响，对于提高涡度相 关观测精度具有重要意义.以蒸渗仪法为参照，探讨涡度相关观测的能量闭合状况对 农田蒸散测定的影响，在导致涡度相关观测能量不闭合的诸多因素中，寻找对蒸散测 定有影响的因素.结果表明:涡度相关观测的白天能量平衡比率(EBR )呈秋冬高、春夏 低的变化特征，麦季日均EBR范围在0.26-2.84之间，平均1.15 ；玉米季日均EBR 范围在0.19-2.59之间，平均0.78.无论麦季或玉米季，涡度相关法测定的平均蒸散量 (ETec)均明显低于蒸渗仪法观测值(ETL),但两者显著相关(P < 0.01),并有相似的季节 变化.平均蒸散比(ETec/ETL)麦季约为0.61,玉米季约为0.50.在冬小麦田和夏玉米 田,ETec/ETL均与EBR显著相关(P < 0.01).麦田种植密度大，下垫面较均匀,蒸散比 与EBR成正比(P<0.01),且不受叶面积指数(LAI)大小影响；反之,玉米田种植密度 小只有当LAI >1,下垫面变得较均匀后，蒸散比与EBR的关系才变得显著(P < 0.01). 风速小时ETec/ETL与EBR显著相关，风速增加时二者相关性减弱.尤其在玉米田，当 摩擦风速(u*)大于0.3 m/s时,ETec/ETL与EBR的相关性不再显著.风速小时,大气 湍流微弱湍流的涡旋较大.在有限的观测时段(0.5h)内，涡度相关仪的传感器难以捕 捉足够的湍涡能量，所测湍流能量偏低，导致能量不闭合.以上结果为应用能量平衡比 率校正农田蒸散提供了可能途径. 【期刊名称】《生态学报》 【年(卷)，期】2012(032)017 【总页数】9页(P5309-5317) 【关键词】能量平衡比率;蒸散量;涡度相关法;蒸渗仪法;农田 【作者】刘渡;李俊;于强;同小娟;欧阳竹 【作者单位】中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101;中国科学院陆地水 循环及地表过程重点实验室，北京100101;中国科学院研究生院，北京100049;中国 科学院地理科学与资源研究所，北京100101;中国科学院陆地水循环及地表过程重 点实验室，北京100101;中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101;中国科学 院陆地水循环及地表过程重点实验室，北京100101;北京林业大学林学院，北京 100083;中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101 【正文语种】中文 蒸散作为植被水热平衡中的重要组成部分，是反映植被水分状况的重要指标，是影 响区域和全球气候的重要因素。准确测算地表蒸散，对作物产量模拟、农业节水研 究、全球气候变化研究等方面具有重要意义。目前测定蒸散的方法主要有:水量平 衡法、蒸渗仪法、波文比法、梯度法、涡度相关法和闪烁通量仪法等。其中，蒸渗 仪法是直接测定生态系统蒸散量最经典的方法，曾被广泛用作校准其他方法的标准 ［1-2 ］;涡度相关法作为直接测定地表与大气间水汽通量的标准方法在全球水循环 研究中得到了广泛应用［3］。但涡度相关技术本身还有许多理论和技术性问题未 得到很好解决，如根据热力学第一定律和涡度相关技术的基本假设，观测的能量闭 合状况可作为评价数据可靠性的方法之一，可是现在大多数观测站点的能量都不闭 合。对FLUXNET和ChinaFLUX的分析结果表明，站点的平均能量不闭合度分别 为20%［4 ］和27%［5］。还有部分学者的研究结果超出普遍报道的10%—30% 的不闭合范围［6］。关于能量闭合程度的季节变化特征，Li等［5］发现，从冬 季到夏季各站点的能量闭合程度不断提高。但南方通量站情况与北方相反，如鼎湖 山针阔混交林的冬季能量平衡状况好于夏季［6］。 针对涡度相关观测能量不闭合这一难题，学者们进行了大量研究，主要集中在两方 面:一是分析导致能量不闭合的因素有哪些;二是寻找使能量达到闭合的方法。对于 第一个问题的回答可归结为:通量源面积的不匹配［7］、高频和低频湍流通量的损 失［8］、平流的影响［9］、地形的影响［6, 10 ］、测量仪器可能产生的系统偏 差［11］、其他能量吸收项的忽略和湍流交换弱［5］等。对于第二个问题，研究 的重点从早期的提高仪器测量的精度和订正其他能量吸收项［12-13 ］逐渐转移到 对地气间的交换过程和低频大尺度涡旋等问题的探讨。近年来，针对单点涡度相关 系统难以观测到的低频大尺度涡旋的通量贡献问题。学者们从延长通量计算的平均 时间［14］、应用大涡模拟技术［15］、采用地面观测网的〃面积平均”方法 ［15-16 ］、应用大口径闪烁仪［17 ］等方面来寻找能量不