基于涡动协方差的蒸散测量
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背景概述

       2020年9月,我国向世界宣布了2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标。这不仅是我国积极应对全球变暖的国策,也是基于科学论证的国家战略。


      随着人类活动产生的温室气体对全球变暖的影响,我们正在经历洪水、干旱、森林火灾和海平面上升等一系列灾害性天气气候事件。全球平均气温正以前所未有的速度上升。


      水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O)、甲烷(CH4)、氟利昂等都是地球大气中主要的温室气体。但是大气中的水汽,在探索其对气候变化影响的研究中,始终未给予足够的重视。实际上水汽是大气中最重要的温室气体。学界认为,水的比热以及其在地球表面的巨大含量,通过蒸腾和降水,极大的影响气候的变化,其所产生的温室效应大约占整体温室效应的60%-70%。


      生物圈中最大的物质流动是水的循环(Chahine, 1992)。土壤和水体表面的水会通过蒸发发生转移,蒸腾作用会使植物中的水分通过气孔流失,这两个过程代表了水向大气转移的最大运动,统称为蒸散发或简称为蒸散(Evapotranspiration, ET)。


      在全球范围内,约有65%的陆面降水通过蒸散返回大气(Trenberth,2007)。蒸散对于水资源管理,濒危物种保护,分析干旱,洪水,野火和其他自然灾害的成因非常重要。此外,从能量的潜热通量考虑,蒸散消耗了地球表面吸收的约50%的太阳辐射(Trenberth,2009)。这会影响地方,区域和全球范围内的气候和水文。由于这些原因,准确测量蒸散是非常重要的。

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测量方法


       蒸散量很难测量,因为它受多种环境因素的影响,包括太阳辐射,气温,风速和湿度(Drexler,2004)。测量蒸散量的方法有多种,比如土壤蒸渗法,涡动协方差法,闪烁法,波文比法,彭曼法和遥感法。涡度协方差方法,是近年来一种非常流行的微气象学观测方法。它通过计算垂直风速和待测物理量波动的协方差来获得湍流引起的能量和物质通量。这种方法能够直接测量植物群落与大气之间的碳,水,热量等通量交换。以当前的仪器技术,可以测量在不同时间尺度(小时,日,季节和年)以及在100-2000 m空间尺度上的物质和能量密度的微小波动。涡度协方差技术直接,精确,连续地确定生态系统的碳和水蒸气通量,并且已被证实是在生态规模上测量陆地生物圈与大气之间相互作用的最有效的方法(Friend,2006; Baldocchi,2008)。


与其他方法相比,涡动协方差技术具有四个突出的优势:
1.  可以就地原位直接测量ET和潜热通量;

2.  对目标测量区域的干扰最小;

3. 测量结果是中尺度生态区域(100~1000m)的空间平均蒸散量;

4. 系统可自动进行连续的长期测量。


       涡度协方差几乎没有理论上的假设,因此,它被微型气象学家高度认可,认为这是确定能量和物质通量的标准方法,也是测量蒸散量的最为直接的方法(Jung,2010)。其具体原理是利用三维风速仪和水汽分析仪(或密度)的高速测量,则蒸散的计算方式为:


       其中P是干空气密度(常量),W是垂直风速,q是水汽混合比(水汽质量除以干燥空气质量)。上方的横线表示测定时间内的均值,右上撇代表脉动。


仪器:

图一:HT1800开放式水分析仪

       涡动协方差测量所需的基本仪器包括水汽分析仪和三维超声风速仪,这两个仪器都必须能够进行高频测量。水汽分析仪测量水汽密度,风速仪测量三维风速和风向。通常以10赫兹(每秒10次)或更快的速度进行测量,以捕捉快速移动的湍流。

图二:HT1800和Gill WindMaster 超声风速仪在典型的蒸散条件下的安装

       HT-1800是测量蒸散量的绝佳选择,因为空气可以自由移动并通过其开放的测量空间,而且可以避免水汽的吸附效应。开路测量的另外一个好处是省掉了气体采样泵的功耗,只需太阳能电池驱动即可在稳定的条件下运行。HealthyPhoton即将推出专为涡动协方差设计的新型HT1800 开路式水汽分析仪。自从推出HT8700E开路式氨分析仪以来,我们在涡动协方差测量领域仪器的开发和应用中逐渐积累了经验。我们的新型HT1800水汽分析仪具有开放光路配置,可直接测量大气中的水汽含量,同时确保高精度和高频特性。该仪器完全满足涡动协方差的测量要求,具备20Hz频率的高速信号输出。值得一提的是,水汽(或潜热通量)测量在针对于其他种类气体的通量分析和通量校正中也是必不可少的。


图三:HT-1800近景

HT1800的特点包括:


•  成本低,易于批量组网,建设区域通量观测网格

•  非常适合涡动协方差和蒸散测量

•  开放路径配置,测量频率高达20Hz

•  超灵敏的激光光谱带来极低的漂移

•  不受二氧化碳(CO2)和其他气体分子的干扰

•  无运动部件,抗振性强

•  坚固的设计,适用于多种现场部署

•  低功耗(10 W),可由太阳能电池板供电


对于超声风速仪,可以从以下制造商处获得兼容的风速仪,包括Gill®,Campbell Scientific®,Metek,RM Young Company,和Kaijo-Denki。

此外,可以通过能量平衡封闭,填充间隙和解释通量结果,将诸如净辐射计,土壤通量板和降水量计等生态气象传感器用于通量测量验证。



数据处理软件


       迄今为止,有许多软件程序可以用于处理涡动协方差数据并得出诸如潜热,显热通量,动量和气体通量等结果。这些程序在复杂程度,灵活性,允许使用的仪器和变量,帮助系统和用户支持等方面差异很大。 一些程序是开源软件,而其他程序则是封闭源代码或专有软件。 

包括专业的商业软件,如EddyPro®; 

开源免费程序,如ECO2S和ECpack; 

免费的开放源代码软件包,如EddyUH,EdiRe,TK3,Alteddy和EddySoft等。


参考文献

Chahine, M.T. 1992. The hydrological cycle and its influence on climate. Nature, 359: 373-380. 

Drexler J. Z., R. L. Snyder, D. Spano, U.K.T. Paw. 2004. A review of models and meteorological methods used to estimate wetland evapotranspiration. Hydrological Processes, 18; 2071–2101. 

Jung M., M. Reichstein, P. Ciais, et al. 2010. A recent decline in the global land evapotranspiration trend due to limited moisture supply. Nature, 467: 951-954. 

Trenberth K.E., L. Smith , T. Qian, A. Dai, J. Fasullo. 2007. Estimates of the global water budget and its annual cycle using observational and model data. Journal of Hydrometeorology, 8: 758-769. 

Trenberth K.E., J. T. Fasullo, J. Kiehl. 2009. Earth's global energy budget. Bulletin of the American Meteorological Society, 90; 311-324.




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