涡动相关技术对温带森林蒸散的估算研究

芦文豪 朱骏 卢冰冰

摘 要：蒸散是地表水分循环中重要而复杂的过程。文章将探讨涡动相关技术在运用于长白山阔叶林中的蒸散的估算研究。利用开路涡动相关系统测定长白山阔叶红松林蒸散量（潜热通量LE）、净辐射（Rn）、显热通量（H）、平均绝对温度（TA），统计出生长季初期和生长季旺盛期的蒸散特征。研究得出，潜热通量与净辐射（Rn）呈二次曲线关系，与气温（TA）呈指數关系，模拟出的LE日总量与Rn、TA以及饱和水汽压经验关系式，并对缺值进行插补。

关键词：潜热通量;蒸散;涡相关动

中图分类号：S161.4                          文献标识码：A

1 引言

研究陆地表面蒸散过程的意义有两个重要方面：其一是蒸散关联地—-气系统的物质能量交换，影响全球变化的预测，另外区域蒸散的显著变化又反映区域农业生态环境的改变[1]。因此，研究如何准确测量和模拟森林蒸散量对于充分了解森林水循环和森林体积流量的水平衡具有重要的理论价值，同时为森林水资源利用和森林生态系统管理合理发展提供科学依据。[2]在全球变化期间，长白山的阔叶红松林是中国东北样带东部最典型的生态系统。它在东北地区的气候调节和生态平衡与稳定中发挥重要作用。这是一种温带的天然针阔叶混交林，没有受到人类的干扰。通过研究树木的年轮，发现树木的年龄分布范围相对较大，主要树种（例如红松、菩提树和枫树）的最高年龄在260～300年之间。其中，最老的树（水曲柳）已达到450年[3]。这不仅对生态系统热平衡和森林蒸散的研究具有重要意义，而且为当地水资源的开发和研究以及水土保持效益的综合分析提供了科学依据。

2 研究区域与观测系统简介

2.1 研究地概况

长白山坐落于中国吉林省的东南部，在中国和朝鲜的交界处。它位于北纬41°23′～42°36′'N、东经126°55′～129°E。长白山是近代巨大的休火山，位于中国境内的白云峰，植被和土壤分布特征也构成了温带大陆东岸的典型山区垂直景观带谱[4]，其中也有东亚典型的山地森林生态系统。因此，长白山生态系统已成为中国乃至世界上最完整的自然生态系统保护区之一。

2.2 观测系统简介

在长白山阔叶红松林的一号标准样地中，有一座个62 m高的微气象观测塔。从冠下2.5 m到冠上60 m共有9个观测平台，它们可以尽可能满足垂直比例森林微气象的观测要求。在森林冠层的上方和下方安装了一个开路式涡度相关系统，以观察森林-大气与土壤-大气之间的CO2/H2O/能量交换。通常可以观察到7层常规气象观测系统来连续测量森林气象因子。

3 研究方法

根据涡动相关理论， 水、热涡动通量可以通过下列方程式（1）和式（2）计算：：

式中：H为感热通量;LE为潜热通量，正值表示水、热从森林向大气传输，负值则与之相反。Pa为空气密度，它是空气温度、水汽浓度与气压的函数，可通过公式计算。

式中：e为水汽压;Rd为干空气比气体常数，取值为287 J·kg-1·K-1;Pv为水汽浓度;Cp为空气定压比热，取值为1 004 J·kg- 1·K- 1;w'为垂直风速脉动值;Tc为空气温度脉动值;L为汽化潜热，它是温度的函数，L=（ 2 500.78-2.360T）J·g-1;E为蒸散量;Pv为水汽浓度脉动值;上横线表示在一定时间间隔上的平均值， ，在这里通量平均化时间为30 min。开路式涡动相关系统由于红外光路暴露在外，受降雨、飘雾或霜天气影响，观测数据有时会与正常值有较大的误差。对于误差值，通常的做法是除去误差值，然后根据相近的正常值内插，但这有待商榷。

4 结果分析

4.1 混交林蒸散的日变化

从图2和图3可以看出，LE的晴天日变化表现为：夜间较低，变化较小，但在日出之后逐渐升高，在中午达到最大值（中午11：00时的潜热通量LE为264.66 w/m-2），并逐渐降低直到傍晚变得稳定。在生长季节开始时，潜热通量LE将在早晨随着净辐射Rn的增加而增加，而在下午随着净辐射的减少小而减小。下午6：00时后，它将降为0或负数。在生长季节开始时，LE的主要热源是长白山的阔叶红松林，而非生长季节的主要热输出是H。原因是在旺盛的生长季节中，Rn、Ta和叶面积指数相对较高，并且降雨充足，导致蒸散量高于生长季节初期。结果表明，在旺盛的生长季节，植被生理活动（蒸腾作用）消耗的能量较高。生长季节开始时在物理环境中消耗的能量更高。

4.2 混交林蒸散的季节变化特征

从图4中可以看出，5月份进入生长季，带来了更多的雨水，相应地的可利用的太阳辐射能和叶面积指数也随之增加，在这时候LE也会逐渐增加，并在6月份达到全年最大值，高达79.78 w/m-2，7月和8月是生长季的旺盛期，进入9月份生长季末期之后，雨季结束，土壤湿度急剧降低，水分条件成为了主要的限制因素，阔叶树林叶片子开始凋落，植物生理活动减弱，叶面积指数也迅速下降，LE由8月的74.06 w/m-2急剧减少到9月份的51.91w /m-2，

从图5中可以看出进入生长期初期之后，Rn和Ta持续上升，并都于6月份达到顶峰。夏季到来，气温上升，辐射增加，带来了充分的水汽传输。Ta月平均于6月达到顶峰之后，7月份有小小幅的下降，直接影响LE的变化趋势。8月份Ta重新上升达到了292.62K，进入9月份之后，生长期末期，气温急剧降低，导致了LE同时下降至51.91 w/m-2，而净辐射于6月份达到顶峰162.08 w/m-2之后，持续稳定保持下降的趋势，直到进入生长期末期，下降至88.61 w/m-2。

从图6中可以看出，进入5月份之后，随着气温的升高，净辐射增加，叶面积指数相应升高。夏天的到来，持续的高温和充沛的雨水共同作用导致LE的增加，，在生长季初期（5月）和末期（9月），由于树木叶片处于萌芽或者凋萎期，叶面积变化较大。而在生长旺盛期（6月～8月），树木已完全展叶，叶面积相对较为稳定，LAI与蒸散有着不可或缺密切的关系。