陆表蒸散发观测方法课件.ppt

1、2015 年年 10月月中国科学院地理科学与资源研究所陆表蒸散发陆表蒸散发观测方法观测方法1/17唐荣林唐荣林资源与环境信息系统国家重点实验室资源与环境信息系统国家重点实验室l 蒸渗仪法蒸渗仪法l 涡动相关法涡动相关法l 波文比法波文比法2/17l 大孔径闪烁仪法大孔径闪烁仪法陆表蒸散发观测方法陆表蒸散发观测方法Lysimeter Method3/17陆表蒸散发观测方法陆表蒸散发观测方法l 蒸渗仪是是一个装满土壤，表面裸露或生长有植一个装满土壤，表面裸露或生长有植物的容器，用来测量植物蒸散量以及土壤中含物的容器，用来测量植物蒸散量以及土壤中含水量的变化。水量的变化。蒸渗仪是蒸渗仪是没有任何假设

2、的情况下测量蒸散发的没有任何假设的情况下测量蒸散发的标准工具标准工具，是研究是研究水文循环中的下渗、地表径水文循环中的下渗、地表径流和地下径流、蒸散发等过程而设置的装置流和地下径流、蒸散发等过程而设置的装置。4/17蒸渗仪法蒸渗仪法传统的蒸渗仪传统的蒸渗仪一般由底面积为一般由底面积为1-5m2，深，深1-4m圆形或者方形的贮水池构成圆形或者方形的贮水池构成（大型蒸渗仪面积大型蒸渗仪面积可以达到可以达到92-322m2）。这种）。这种设备一般均设在室设备一般均设在室外空旷的观测场内或有控制装置的室内，可单外空旷的观测场内或有控制装置的室内，可单个或成组、成套设置个或成组、成套设置。5/17蒸渗仪

3、法蒸渗仪法蒸渗仪分为蒸渗仪分为大型大型蒸散仪、蒸散仪、中型中型蒸渗仪、蒸渗仪、小型小型蒸蒸渗仪和渗仪和微型微型蒸渗仪蒸渗仪；蒸渗仪蒸渗仪分为分为称重式称重式蒸渗仪和蒸渗仪和非称重式非称重式蒸渗仪蒸渗仪。根据称重原理的不同，称根据称重原理的不同，称重重式蒸渗仪可以分为式蒸渗仪可以分为机械称重式、压力传感器式、液压式、漂浮式机械称重式、压力传感器式、液压式、漂浮式和弹簧式。其中，机械称重式蒸渗仪可以分为和弹簧式。其中，机械称重式蒸渗仪可以分为杠杆式、悬挂称重式和吊秤式。我国使用的多杠杆式、悬挂称重式和吊秤式。我国使用的多为机械称重式，且为杠杆式。为机械称重式，且为杠杆式。6/17蒸渗仪法蒸渗仪法7

4、/17蒸渗仪法蒸渗仪法非称重式蒸渗非称重式蒸渗仪简单测量排水率或者从蒸渗仪仪简单测量排水率或者从蒸渗仪基地渗透的水量，贮水量的变化可以通过用蒸基地渗透的水量，贮水量的变化可以通过用蒸渗仪中子探测器或者其他设备检测水含量来估渗仪中子探测器或者其他设备检测水含量来估算。降雨可以通过雨量计测量。算。降雨可以通过雨量计测量。称重称重式蒸渗仪直接测量降雨、式蒸渗仪直接测量降雨、贮水量贮水量变化和排变化和排水，通过这种方式计算时间跨度最短水，通过这种方式计算时间跨度最短15min内内的蒸散。的蒸散。8/17蒸渗仪法蒸渗仪法直接观测直接观测蒸散蒸散（1）构建和维护费用较高；）构建和维护费用较高；（2）有限的

5、区域范围；）有限的区域范围；（3）边界效应；）边界效应；（4）自然）自然环境环境的干扰；的干扰；蒸渗仪法观测蒸散范围小于涡动相关方法和波蒸渗仪法观测蒸散范围小于涡动相关方法和波文比的方法。文比的方法。9/17蒸渗仪法蒸渗仪法Eddy Covariance(EC)Method10/17陆表蒸散发观测方法陆表蒸散发观测方法涡动涡动相关仪的观测是建立在水平相关仪的观测是建立在水平均匀（忽略均匀（忽略平流的平流的影影响）、响）、测量到的通量能代表仪器所在下垫面等一系列测量到的通量能代表仪器所在下垫面等一系列假设基础上假设基础上的，在的，在理想条件理想条件下（例如下（例如地表是水平、均地表是水平、均一一

6、的，气象的，气象条件适宜条件适宜等），等），EC观测的湍流通量数据可观测的湍流通量数据可以值得信赖以值得信赖。涡动相关方法广泛应用于全球涡动相关方法广泛应用于全球FLUXNET通量观测站点通量观测站点。11/17涡动相关法涡动相关法涡动涡动相关相关仪包含一个快速响应的三维风速传感器（声仪包含一个快速响应的三维风速传感器（声波风速计），用于获取正交方向的风组分及声速（用波风速计），用于获取正交方向的风组分及声速（用于反演于反演Ta），以及一个红外气体分析仪以获取水汽密），以及一个红外气体分析仪以获取水汽密度和度和CO2浓度。潜热的典型误差大约是浓度。潜热的典型误差大约是5-20%或者是或者是20

7、-50W/m2。涡动相关技术数学原理复杂，在设置和处理数据时需涡动相关技术数学原理复杂，在设置和处理数据时需要特别的维护。至今还没有关于要特别的维护。至今还没有关于EC测量的统一的专业测量的统一的专业术语和一套单独方法论。术语和一套单独方法论。12/17涡动相关法涡动相关法13/17涡动相关法涡动相关法19/17涡动相关法涡动相关法（1）直接测量湍流通量（潜热和感热）；）直接测量湍流通量（潜热和感热）；（2）独立观测）独立观测。（1）能量闭合问题；源区有限；）能量闭合问题；源区有限；（2）恶劣天气和其他情况下观测数据缺失。）恶劣天气和其他情况下观测数据缺失。20/17涡动相关法涡动相关法Ene

8、rgy Balance Bowen Ratio Method21/17陆表蒸散发观测方法陆表蒸散发观测方法22/17能量平衡波文比法能量平衡波文比法24/17能量平衡波文比法能量平衡波文比法25/17能量平衡波文比法能量平衡波文比法优点：优点：8此方法此方法不用求湍流交换系数不用求湍流交换系数K K，便可得到湍流，便可得到湍流通量通量。用空气动力学方法需求。用空气动力学方法需求K K值但是较难得值但是较难得到且往往误差很大。能量平衡法避开了这一到且往往误差很大。能量平衡法避开了这一难点。难点。8只需两个高度的要素梯度观测值只需两个高度的要素梯度观测值。能量平衡波文比法能量平衡波文比法存在的问题

9、：存在的问题：8R RN N和和G G的误差，在计算的误差，在计算LELE的过程中是累积的的过程中是累积的。因因和和ee的符号可以相反，所以的符号可以相反，所以LELE的误差的误差范围可以是零到无穷大范围可以是零到无穷大。8波文比法在实际应用中，还存在着更为严重波文比法在实际应用中，还存在着更为严重的不足，的不足，用波文比法计算出的用波文比法计算出的LELE，可能与实，可能与实际方向相反际方向相反。8在应用波文比法时，有时会出现在应用波文比法时，有时会出现计算结果与计算结果与实际情况在数量级上相差很大实际情况在数量级上相差很大。能量平衡波文比法能量平衡波文比法观测时应注意的问题观测时应注意的问

10、题8要求观测仪器误差小；要求观测仪器误差小；8K KH HKKq q假定与实际情况不符所引起的误差不能忽略，尤其强假定与实际情况不符所引起的误差不能忽略，尤其强烈逆温下烈逆温下K KH H不等于不等于K Kq q，必须做，必须做K KH HKKq q假定的补充订正；假定的补充订正；8波文比法尤适合于较潮湿的大气条件；在风速较小时能量平波文比法尤适合于较潮湿的大气条件；在风速较小时能量平衡法优于空气动力学方法；衡法优于空气动力学方法；8测点应位于田块中央，风浪区长度为所布设的温度传感器和测点应位于田块中央，风浪区长度为所布设的温度传感器和风速仪器高度的风速仪器高度的100-200100-200倍

11、；倍；8观测高度应为株高的观测高度应为株高的1.51.5倍，这样才能使倍，这样才能使K KH HKKq q成立；成立；8要求天气平稳少变要求天气平稳少变,辐射和风速没有过于剧烈的变化；辐射和风速没有过于剧烈的变化；8应避开早晚应避开早晚(R(RN N-Q-QS S)很小或为负值的短暂时段。很小或为负值的短暂时段。能量平衡波文比法能量平衡波文比法（1）能量平衡；能量平衡；（2）需要的维护较少，比）需要的维护较少，比EC技术便宜。技术便宜。（1）水和热的扩散能力假定相同；）水和热的扩散能力假定相同；（2）假定能量平衡（能量构成和土壤热通量）假定能量平衡（能量构成和土壤热通量是点观测，潜热和显热通量

12、有大的足迹）；是点观测，潜热和显热通量有大的足迹）；29/17能量平衡波文比法能量平衡波文比法Scintillometer Method30/17陆表蒸散发观测方法陆表蒸散发观测方法一束光在大气中传播时，能量会受到各种形式的衰减，导致信号减弱，其中一束光在大气中传播时，能量会受到各种形式的衰减，导致信号减弱，其中影响最大的是传播路径上由于温度、湿度和气压的波动引起的空气密度的波影响最大的是传播路径上由于温度、湿度和气压的波动引起的空气密度的波动，进而引起空气折射系数的波动。这个波动在进一步引起光强度的波动，动，进而引起空气折射系数的波动。这个波动在进一步引起光强度的波动，即闪烁。大孔径闪烁仪就

13、是测量闪烁的即闪烁。大孔径闪烁仪就是测量闪烁的“量量”的仪器。它由发射仪的仪器。它由发射仪(Transmitter)、接收仪、接收仪(Receiver)组成，二者相隔一定的距离组成，二者相隔一定的距离(0.5-10.0 km)分开放置，距地面有一定的高度分开放置，距地面有一定的高度(几米到几十米几米到几十米)。31/17大孔径闪烁仪法大孔径闪烁仪法发射发射仪发射一定波长仪发射一定波长(约约935 nm)和和直径的直径的波束在大气中波束在大气中传播。传播。接收仪接收受到光程路径上温度接收仪接收受到光程路径上温度、湿度、湿度和气压波和气压波动影响的光，并用空气折射率结构动影响的光，并用空气折射率结

14、构参数表示，表征参数表示，表征了大了大气的湍流强度，而大气的湍流强度决定气的湍流强度，而大气的湍流强度决定了输送了输送热量、水热量、水汽等标量的能力。接收仪直接测量接收到的汽等标量的能力。接收仪直接测量接收到的光强的光强的自然自然对数对数方差，方差，再结合闪烁仪的孔径、光径再结合闪烁仪的孔径、光径长度长度等计算出空等计算出空气折射率结构气折射率结构参数，参数，进而根据相似理论进而根据相似理论计算计算出感热通量。出感热通量。32/17大孔径闪烁仪法大孔径闪烁仪法33/17大孔径闪烁仪法大孔径闪烁仪法LAS塔北端塔北端LAS塔南端塔南端34/17大孔径闪烁仪法大孔径闪烁仪法图图 EC观测站和观测站

15、和LAS观测系统示意图观测系统示意图（1）在实际架设中）在实际架设中需要需要根据下垫面感热通量的根据下垫面感热通量的大小，综合大小，综合考虑光径考虑光径长度和长度和架架设高度。通常在感热通量一定设高度。通常在感热通量一定时，光时，光径长度径长度较长，仪器较长，仪器需要架设需要架设较高，反之较高，反之较短较短路径，则路径，则架设架设高度较低。高度较低。（2）LAS的安装只要的安装只要考虑尽可能牢固，避免晃动，而考虑尽可能牢固，避免晃动，而无需考虑安装平台大小无需考虑安装平台大小对对LAS观测的影响。观测的影响。LAS的安装平台可根据实际的安装平台可根据实际条件进行选取，如条件进行选取，如在在建筑

16、物、建筑物、铁塔、山顶或三脚架上。铁塔、山顶或三脚架上。（3）大）大孔径闪烁仪的接线，在正式供电孔径闪烁仪的接线，在正式供电前，需前，需对接线进行进一步检查对接线进行进一步检查；在；在特特殊殊气候带（如青藏高原），需气候带（如青藏高原），需采用低温电池采用低温电池。（4）在）在使用时应注意保持电源连接，使用时应注意保持电源连接，电压稳定；定期电压稳定；定期清洁玻璃清洁玻璃外罩，用外罩，用望远望远镜检查是否对准以减少镜检查是否对准以减少不必要不必要的信号衰减和数据丢失，同时检查所有的电缆的信号衰减和数据丢失，同时检查所有的电缆和连接和连接头的状态；如果头的状态；如果接收仪无接收仪无信号，则信号，

17、则检查发射仪、接收仪的检查发射仪、接收仪的电源，检查电源，检查玻璃外罩是否玻璃外罩是否干净，用干净，用望远镜检查是否调望远镜检查是否调准，检查光束路径准，检查光束路径是否有障碍物。是否有障碍物。35/17大孔径闪烁仪法大孔径闪烁仪法（1）可以从公里级尺度观测潜热和显热；可以从公里级尺度观测潜热和显热；（2）在复杂地表也可以很好的观测）在复杂地表也可以很好的观测。间接测量潜热通量间接测量潜热通量36/17大孔径闪烁仪法大孔径闪烁仪法l 地表水平衡方法地表水平衡方法（Surface Water Balance Method）l 大气水平衡方法大气水平衡方法（Atmospheric Water Balance Method）39/17陆表蒸散发观测方法陆表蒸散发观测方法40/17地表水平衡方法地表水平衡方法（1）直接估算；）直接估算；（2）在区域和全球尺度进行估算。）在区域和全球尺度进行估算。在低时间（多年）和空间分辨率条件下才在低时间（多年）和空间分辨率条件下才能保证精度。能保证精度。41/17地表水平衡方法地表水平衡方法42/17大气水平衡方法大气水平衡方法 在区域和全球尺度进行估算。在区域和全球尺度进行估算。精度低。精度低。43/17大气水平衡方法大气水平衡方法