温带草地蒸散发及波文比观测与比较：涡动相关及波文比系统

王 佩， 马琪顺， 王家琪， 黄洁钰， 李 炜， 张赐成

(1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京 100875;2. 北京师范大学地理科学学部资源学院, 北京 100875)

蒸散发是水文循环中重要的环节，是陆地生态系统水热平衡中的主要组分[1]，其精确观测对水文模型改进[2-4]，大尺度水文遥感校验[5-7]，及水资源管理[8-10]具有显著的影响。一般而言，常用的蒸散发观测方法有蒸渗仪法、水量平衡法、波文比-能量平衡法(BREB)法和涡动相关(EC)法[11-12]。蒸渗仪法由于仪器设备操作复杂、维护昂贵，大大限制了其广泛的应用；水量平衡法由于难以精确测量其他水平衡分量，其广泛应用受到一定限制。因此，微气象方法得到广泛的开展与应用,如涡动相关法，波文比法。涡动相关法是目前国际公认最为准确的观测方法，可以对蒸散发进行长期的，高时间分辨率观测[13]。 但是也有其缺点，如对于夜晚的较弱的湍流运动难以精确测量[14]，并且容易受到露水及降水事件的影响，进而导致测量紊乱，数据可靠性差等问题[15]。并且观测的通量所代表的区域大小及范围(通量足迹)会随时间发生变动[16-18]。同样问题也存在于波文比系统观测中，相对而言，波文比法受天气条件的影响较小，但是其估算也有先前假设，如大气中水热湍流交换系数是相等的;并且当波文比接近于-1时，这种情况发生在潜热与显热相当，但是其传输方向相反，该方法会失效[19]。先前较多关注于蒸散发时空变动，模型模拟等方面[2,17-18]，但对这两种方法进行同时对比观测研究相对较少；由于二者对潜热观测原理不同，均具有较高的独立性，因此可作为蒸散发观测互相校验，提高数据质量的手段。Shi[20]等人在森林生态系统开展了对比研究，结果表明较波文比观测较涡动法观测的潜热偏高。波文比(β)，即某一界面上感热通量与潜热通量的比值，是表征陆地生态系统能量分配的主要指标，受到很多因素的影响，诸如影响到潜热、显热的因素都会影响到波文比的变动。先前研究关注年际间的变动[21]，但对于其日变化及季节变化及其控制因素的研究较少。本研究目的主要为：第一：对比两种方法对于蒸散发的观测结果；第二：波文比的变动(日变化及季节变化)规律及其影响因素探讨，以期为蒸散发的准确观测及波文比的变动机理提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

如图1所示，本研究在日本筑波大学陆地环境研究中心(TERC)实验草地(36.1°N, 140.1°E)进行。该地年平均降雨量为1 159 mm，年均温为14.1℃， 草场为直径为160 m的圆形区域，周边被森林包围，主要分布有北美一枝黄(Solidagoaltissima),芒或芭芒(Miscanthussinensis)以及白茅(Imperatacylindrica)3种植物。每年进行1～2次刈割以防止其发生演替。在此站点架设有涡动及常规气象观测场，详细见试验观测说明部分。在试验观测期间，8月1-2日进行了草场刈割。地面覆盖有较厚的枯枝落叶层，土壤表层主要为肥沃的火山灰土，其下为厚度约2 m的粘土层，地下水位一般存在于粘土层下，试验观测期间在1.5～2 m间波动。

图图1 观测站点图
Fig.1 Experiment site
注：箭头指示植被生长季的主风向
Note: Block arrows indicate the dominant wind direction in study site during the growing season

1.2 试验观测

本试验采用日本筑波大学陆地环境研究中心1.5～1.6 m处架设的日常观测涡动协方差系统，以及在附近草地架设的波文比观测系统。其观测仪器详细情况如表1所示。涡动系统对辐射/能量通量，超声风速仪高频响应三维风速及微气象要素进行了长期观测。如有净辐射(Rn)，土壤热通量(G)，空气温度(Ta)，相对湿度(ha)，及水平风速(u)，以及垂向风速及温度波动间协方差(W'T')。波文比观测系统对净辐射(Rn)，土壤热通量(G)，以及双层空气温度(Ta)，相对湿度(ha)进行了观测。本研究使用涡动通量数据为原始数据，没有经过通量筛选处理等方法。依据涡动相关法原理，对显热(H)进行了估算(如，H=CpρaW′T′,注：cp为空气热容量(=1 005 J·kg-1·K-1)，ρa为空气密度(kg·m-3)。根据 Hiyama等[22]以及 Li 等[23]在本实验点的能量平衡法估算,lET与蒸渗仪观测结果具有高度一致性，因此，根据能量平衡原理(如,lET=Rn-H-G)，对潜热(lET，l为汽化潜热(J·kg-1))进行了估算。基于涡动相关法的观测，可计算得出波文比β=H/lET。除此之外，我们架设了波文比系统，进行了连续3天日观测(DOY203，DOY243，DOY296)，及生长季内(DOY120-DOY300)每2周一次的季节观测，与涡动法对比，评价波文比法对潜热测量的准确性。不同于涡动系统观测原理，波文比系统(表1)利用温度及湿度梯度来估算波文比：β=H/lET=Cp/l(T2-T1)/(Q1-Q2)，在此能量分配估算的基础上，对潜热lET=(Rn-G)/(1+β)及显热H=β(Rn-G)/(1+β)进行估算。除了以上观测要素，叶面积指数(LAI)，植被层高度(ZV土壤含水量(0～30 cm)都观测其季节变动(每隔2周一次观测频度)。对于叶面积指数，在草场做3～5个重复，用叶面积仪测量其叶面积，记录其平均值并计算标准差。植被冠层高度随机观测不同植被总180次记录其平均值并计算标准差，土壤含水量用ADR (频域反射计) 进行测定，空间至少5次重复。

表1 观测仪器信息及估算主要公式Table 1 Summary of instrument and main equations used for ET

2 结果与分析

2.1 潜热观测结果比较

如图2所示，涡动相关法与波文比法所观测潜热较为一致，其决定系数为0.75。观测季节内，蒸散发平均值及标准偏差分别为298.73 ± 128.58及 272.37 ± 116.87 W·m-2，相比较涡动相关法而言，整体上，波文比法倾向于低估潜热。二者观测到的潜热具有相似的日变动及季节变化。蒸散发具有明显的日变化，随着太阳辐射增强，其值逐渐增大，直至中午时(11:30在第203，243天，11:00在第296天)达到最高值，而后逐渐下降，到夜晚非常近似于零。生长季内，随着植被的生长，日平均(24小时平均)蒸散发逐渐增加，期间由于降水、多云等因素造成短暂微弱的下降，直至刈割后，蒸散发突降，而后随着植被生长逐渐增加。

图2 基于涡动相关及波文比法观测潜热比较
Fig.2 Latent heat flux collected by the energy balanced eddy correlation and the bowen ratio (EBBR) system
注(Note)：决定系数R2=0.75

2.2 潜热差异变动分析

图3a为集中观测期间波文比系统与涡动系统所观测的潜热差日变动。在DOY203二者差异较小，其潜热差在-46.6～33.3间变动，在DOY243二者潜热差在-30.8～59.74间变动，而在DOY296二者差异较大，极值达到-97.32和77.35。进一步分析发现，在第3次观测中，大气的绝对湿度梯度不明显，是可能造成二者观测差异较大的原因。如图3b所示为长期观测波文比系统与涡动系统所观测的潜热差的季节变动。在整个生长季内，生长初期(DOY117-124)至刈割期(DOY211-238)，波文比法所测得蒸散明显高估；而在其他植被生长旺盛期，波文比法低估潜热。总体来说，整个生长季波文比法较为低估。结果显示这两种方法在植被生长旺盛期，观测结果一致性较好。以上结果分析表明：波文比系统在蒸散发总量较大的时候，其温湿度梯度显著，估算结果与涡动法一致性较高。

图3 基于波文比法及涡动法观测潜热差别及变动
Fig.3 Differences of energy balance based bowen ratio and eddy correlation method for lET flux.

2.3 波文比日变化及季节变动

集中观测期间波文比系统与涡动系统所估算的波文比日变化如图4所示。在DOY203,243较为一致，而在DOY296天，二者估算的波文比出现较大差异，而这一天所观测的湿度梯度较小，可能因此出现较大误差。如图5所示，为长期观测的波文比系统与涡动系统所估算的波文比季节变动。二者所计算到的波文比季节变化趋势较为一致。在植被生长旺季，波文比普遍偏小，表明在此期间，潜热占据主导地位。而在生长初期(DOY117-124)至刈割期(DOY211-238)，波文比普遍较大，表明显热占据主导地位。基于温湿度梯度与涡动系统所估算的波文比对比发现，在生长初期及刈割期间二者差异较为显著，进一步分析可以看出，当潜热较小的时候，波文比变动较大，不确定性随之增大，这一现象在晚上(潜热约为零)尤为明显。以上结果表明，波文比系统在植被生长旺期，对于能量分配更为靠近涡动相关法。

图4 基于温湿度梯度及涡动法计算波文比日变化比较
Fig.4 Diurnal variations of bowen ratio by bowen ratio system and eddy correlation approach in the intensive period

图5 基于温湿度梯度及涡动法计算波文比季节变化比较
Fig.5 Seasonal variations of bowen ratio by bowen ratio system and eddy correlation approach in the growing seasonal period

2.4 波文比变动控制因素

如图7示，在日变化过程中，影响波文比日变动的因素较多，在分析过程中，我们选取了白天(9:00-17:00)日照时间段进行了分析，结果表明:在生长季的不同阶段，波文比的大小和太阳辐射间呈现较为显著地对数关系(R2在0.40～0.52之间波动)，换句话说，太阳辐射的大小很大程度上决定了波文比的高低。在生长旺盛期，波文比普遍较低。生长初期及末期具有较为相似的趋势。观测波文比(以涡动相关法所测得24小时日平均显热及潜热计算所得，降雨天去除)季节变动及其控制因素如图6所示；在诸多因素中，我们发现与叶面积指数(LAI)的相关性最为密切，二者呈现非线性关系，其拟合关系为：β= -2.87×LAI3+1.59×LAI2-0.27×LAI+1.71,其R2达到0.65。表明在季节尺度上，植被生长状态很大程度上决定着湿润草地生态系统能量的分配。其中，当叶面积指数LAI约为1左右时，其变动对波文比的变化影响最为明显，当达到1.5左右时，其对波文比的变动影响减缓。

图6 波文比日平均季节变动与叶面积指数关系
Fig.6 Relationship between daily average of bowen ratio and LAI

3 讨论

3.1 蒸散发测定的方法比较

涡动相关法及波文比法二者都是常用的潜热观测方法，二者对潜热的观测在生长季节内较为一致，表明二者均为较好的蒸散发观测方法。然而也出现了诸多的差异之处。二者间的差异原因分析如下：第一、二者前提假设是不同的。相对而言，涡动相关法最为准确，因其直接依据通量的涡流属性对其通量密度进行观测[24]。波文比系统依据温湿度梯度差异计算波文比，并假设水热扩散系数相等，但在现实环境中这种假设不一定能遇到，因此也对估算造成一定的误差。再次，二者下垫面贡献源不一致造成二者差异。本文中涡动相关法固定在1.6 m处，经估算来自草地植被蒸散的水汽随植物生长而异，在生长初期及刈割期，草地对水汽的贡献度为42%，而到生长旺季达到 99%[25]。而对波文比系统，其双层温湿度观测，传感器架设上下高度不一，其水汽的贡献源头有差异，上层水汽约42%和99%来自于草地，分别出现在生长初期及生长旺季，与涡动法观测较为相似；而其中层，草地贡献度约为72%及99%，因此，特别是生长初期及割草后一段时期，二者的水汽贡献源头有显著差异，造成了这2种方法在同时期观测到的差异较大。再次，二者对人为扰动割草的响应不同。在割草以后，涡动相关法所观测的潜热及波文比均出现显著地变动，而波文比法在此阶段，所探测的波文比变动并不显著，原因可能是植被变少，空气变得干燥时，波文比法误差增大。与涡动相比较，波文比系统虽然存在以上问题，但其成本较为低廉，数据处理简单。虽然波文比法在佛晓或傍晚时，潜热和显热二者大致相等，且方向相反时其测量误差偏大，然而这样的数据毕竟只有少数，并且可以通过数据筛选或内插提高数据质量， 因此，该方法仍然得到广泛的应用[26]。

图7 波文比日变化(9:00-17:00)与太阳辐射的关系
Fig.7 The relationship between daily changes of bowen ratio(9:00-17:00) and solar radiation.

3.2 波文比变动控制因素探讨

波文比作为陆地能量分配指标，是表征陆地生态系统能量特征的重要参数。在日尺度上，由于夜晚潜热很小，几乎为零，使得波文比值很大，不确定性较强。因此只筛选日照时间(9:00-17:00)来分析其日变化控制因素。与诸多因素(气温，相对湿度，风速，太阳总辐射，净辐射以及土壤含水量) 相关分析可以看出，太阳辐射强弱很大程度上调控着波文比的日变化。即随着太阳辐射的增强，潜热及显热均呈现增大趋势，并且显热所占比例逐渐增大。在季节尺度上分析(24小时平均值季节变动)发现，以上列出环境因素与波文比间的相关性较小，而叶面积指数与其相关性最高，二者呈非线性相关。不同于先前诸多干旱区研究，该区域土壤水分及降水等事件对波文比的平均变动影响较弱，根据季节内的累计降水量及累计蒸散量可以看出，该生态系统一直处于降水累计大于其蒸发累计的水分盈余状态。生长季节内，潜热与太阳辐射的R2达0.94，表明潜热主要受太阳辐射控制，而植被通过其生长状态，将越来越多的辐射能量转化为潜热的形式向大气传输。

4 结论

波文比系统观测与涡动相关法所观测的温带湿润草地生态系统蒸散发整体上较为一致。整体而言，较涡动相关法，波文比方法估算潜热较低。二者观测的差别在植被生长初期及割草期较为显著，表明波文比系统在植被生长旺盛期测量潜热效果更为稳定。以上两种方法估算得到的波文比具有相似的日变化及季节变动趋势。生长季节内，其变动均值及标准差为0.21 ± 0.42；波文比日变化与太阳辐射相关性较强(R2在0.41～0.52波动)，而其季节变化(24 h平均，日变化已剔除)与叶面积指数(LAI)具有较高的非线性相关性(R2=0.65)，而土壤水分对季节变动影响较小。以上研究表明：在温带湿润草地生态系统，植被的生长(太阳辐射调控气孔导度开张，叶面积指数增加)很大程度上调控着该系统能量的分配。以上研究结果对波文比系统的实际应用具有一定的参考价值。