光閃爍方法測(cè)算區(qū)域蒸散研究進(jìn)展

張 功,鄭 寧,張勁松,*,孟 平

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,北京 100091 2 國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091 3 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037

蒸散是土壤-植物-大氣連續(xù)體水熱運(yùn)移的重要環(huán)節(jié),是全球水循環(huán)的重要組成部分。在全球氣候變化的背景下,氣溫、降水均發(fā)生了顯著的變化,水循環(huán)的加速導(dǎo)致區(qū)域水資源分布不均勻的現(xiàn)象更為嚴(yán)重。因此,蒸散的觀測(cè)已成為氣象學(xué)、水文學(xué)、地理學(xué)及生態(tài)學(xué)等相關(guān)學(xué)科共同關(guān)注的熱點(diǎn)主題[1-4]。深入了解蒸散過(guò)程對(duì)天氣預(yù)報(bào)、干旱監(jiān)測(cè)、區(qū)域水資源管理及全球變化等研究具有重要意義。

蒸散過(guò)程復(fù)雜,涉及范圍廣,包括中小尺度(幾百米范圍)和區(qū)域尺度(公里范圍),其中以波文比-能量平衡法、梯度迭代法、空氣動(dòng)力學(xué)方法、渦度相關(guān)方法以及蒸滲儀法等計(jì)算、觀測(cè)方法為主的中小尺度蒸散研究成果豐碩,近十年來(lái)渦動(dòng)相關(guān)方法因其準(zhǔn)確快速的優(yōu)點(diǎn)常被研究者認(rèn)為是蒸散觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法[5-7]。由于全球變化和流域水文研究的需要,區(qū)域尺度的蒸散研究越來(lái)越受到重視[4,8]。然而公里尺度的區(qū)域蒸散過(guò)程影響機(jī)制較多[3,9],渦動(dòng)相關(guān)方法觀測(cè)結(jié)果并不理想。若將基于中小尺度的單點(diǎn)式測(cè)量結(jié)果擴(kuò)展到區(qū)域尺度,必須考慮下墊面的異質(zhì)性,如植被的覆蓋率、地形的起伏程度等,同時(shí)還需考慮大氣狀態(tài)的平穩(wěn)性、湍流的發(fā)展以及局地微氣象條件的差異,因此要獲得區(qū)域平均蒸散需建立觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)[10]。近年來(lái),利用遙感信息估算大尺度地表蒸散,即遙感模型法,成為觀測(cè)區(qū)域蒸散的有效技術(shù)之一,但該技術(shù)通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)區(qū)域蒸散進(jìn)行估算[11-12]。由于對(duì)蒸散過(guò)程中許多關(guān)鍵要素的參數(shù)化計(jì)算方法不是十分成熟,下墊面的非均勻性導(dǎo)致遙感蒸散模型在不同區(qū)域的適用性不同以及遙感反演地表參數(shù)的不確定性等,遙感模型結(jié)果必須結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證改進(jìn),模型參數(shù)也需要結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化[12-13]。如何獲得與遙感蒸散模型尺度相應(yīng)的地面蒸散實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成為模型驗(yàn)證的前提和重點(diǎn),也是遙感水文監(jiān)測(cè)的技術(shù)瓶頸。20世紀(jì)70年代發(fā)展的基于湍流大氣光傳播理論與相似理論相結(jié)合光閃爍方法為上述問(wèn)題的解決帶來(lái)了希望。

1978年Wang提出了利用光閃爍法測(cè)量通量的假設(shè),美國(guó)NOAA波傳播實(shí)驗(yàn)室將此假設(shè)變成了可能[14-15]。隨后的幾十年間,基于近紅外光、微波、可見(jiàn)光的各種光閃爍方法測(cè)量通量的儀器迅速發(fā)展,并于九十年代中后期開(kāi)始用于實(shí)際觀測(cè)研究。光閃爍方法主要分為“單波長(zhǎng)方法”和“雙波長(zhǎng)方法”。單波長(zhǎng)方法是基于近紅外方式(0.67—0.94μm)的光閃爍儀器,此類儀器主要包括小孔徑閃爍儀、大孔徑閃爍儀和超大孔徑閃爍儀,其中SAS測(cè)量距離僅為200—250m,XLAS的測(cè)量距離可達(dá)10km,目前光閃爍方法的應(yīng)用以LAS為主[15]。與單波長(zhǎng)方法不同,雙波長(zhǎng)方法是通過(guò)紅外-微波聯(lián)合系統(tǒng)工作,該聯(lián)合系統(tǒng)包括近紅外閃爍儀和微波閃爍儀,目前OMS尚處于初級(jí)階段。2000年,中荷合作項(xiàng)目“中國(guó)能量與水平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”首次引進(jìn)LAS以來(lái),先后在黃河流域、黑河流域、海河流域、黃土高原、青藏高原等地方展開(kāi)了針對(duì)LAS的專門(mén)研究,并成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的閃爍儀[14-15]。光閃爍方法可以測(cè)量區(qū)域范圍內(nèi)的平均通量,既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀測(cè)方法空間代表性不足的問(wèn)題,同時(shí)也與遙感的象元尺度匹配度高,較好地驗(yàn)證了遙感模型的反演結(jié)果[16-17]。本文從光閃爍方法的理論原理出發(fā),著重介紹該方法在區(qū)域蒸散測(cè)量領(lǐng)域的計(jì)算方法,概述了該方法測(cè)算區(qū)域蒸散的研究進(jìn)展,分析了該方法在應(yīng)用計(jì)算過(guò)程中的不確定性并對(duì)其在今后的研究熱點(diǎn)進(jìn)行展望,旨在進(jìn)一步推動(dòng)該方法在區(qū)域蒸散觀測(cè)研究中的應(yīng)用。

1 光閃爍方法測(cè)定顯熱和潛熱的原理

(1)

I0≤F≤D≤L0

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中,M-1為逆矩陣,參考表達(dá)式如下：

(10)

根據(jù)莫寧-奧布霍夫相似理論(MOST)存在如下關(guān)系：

(11)

(12)

式中,z為有效高度(m),d為零平面位移(m),T*為溫度變量(K),q*為濕度變量(kg/kg),fT為MOST普適函數(shù),LMO為奧布霍夫長(zhǎng)度。其中,

(13)

式中,g為重力加速度(9.81m/s2),u*為摩擦風(fēng)速(m/s),κ為von Karman常數(shù)(0.4)。由于LMO受H和u*的影響,上述公式通常無(wú)法得出H或LvE的解析解,對(duì)于紅外-微波雙波長(zhǎng)工作方式的光閃爍法需結(jié)合下式進(jìn)行迭代運(yùn)算。

(14)

(15)

(16)

LvE=Rn-Gs-H

(17)

式中Rn是凈輻射(W/m2),Gs是土壤熱通量(W/m2)。

MOST普適函數(shù)通常分為如下兩種：

不穩(wěn)定狀態(tài)(ζ<0)：

fT(ζ)=xT,1(1-xT,2ζ)-2/3fq(ζ)=xq,1(1-xq,2ζ)-2/3

(18)

穩(wěn)定狀態(tài)(ζ≥0)：

fT(ζ)=xT,1(1+xT,2ζ)2/3fq(ζ)=xq,1(1+xq,2ζ)2/3

(19)

此外,也有使用可見(jiàn)光、近紅外、微波3個(gè)波段聯(lián)合的方法進(jìn)行蒸散測(cè)算[20-21],雖然這些實(shí)驗(yàn)表明了使用3個(gè)波段工作的可行性,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想,且技術(shù)要求高、成本昂貴,逐漸失去了吸引力。

2 光閃爍方法觀測(cè)蒸散的研究進(jìn)展

2.1 單波長(zhǎng)方法

以近紅外方式工作的單波長(zhǎng)光閃爍方法通常以波長(zhǎng)為880nm或940nm的LAS為主要觀測(cè)儀器。該方法發(fā)展初期,在平坦下墊面條件下對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)研究,并與渦動(dòng)相關(guān)方法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。Purerua半島的平坦草原進(jìn)行的多次觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,LAS的測(cè)量結(jié)果與渦動(dòng)相關(guān)方法的結(jié)果較好,標(biāo)準(zhǔn)誤差在25W/m2之內(nèi),并認(rèn)為L(zhǎng)AS可以在短時(shí)間內(nèi)獲得路徑上的平均通量,其統(tǒng)計(jì)不確定性較小[22]。Cain等[23]在牛津的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明LAS與渦動(dòng)相關(guān)方法的觀測(cè)結(jié)果一致性較高。同類研究還包括Kohsiek等[24]利用XLAS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、Hoedjes等[25]在墨西哥西北部實(shí)驗(yàn)以及Beyrich等[26]在德國(guó)東北部的實(shí)驗(yàn)等,這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：LAS的測(cè)量結(jié)果與渦動(dòng)相關(guān)方法測(cè)量結(jié)果一致性顯著。國(guó)內(nèi)在2000年首次引進(jìn)LAS以來(lái),結(jié)合相關(guān)氣象資料,分別對(duì)樂(lè)至、乾安、鄭州等地區(qū)初步進(jìn)行水熱通量的研究對(duì)比,結(jié)果認(rèn)為L(zhǎng)AS測(cè)量的顯熱通量與當(dāng)?shù)氐臍鉁夭钕嚓P(guān)性顯著,結(jié)合凈輻射資料得出的蒸散值均能反映當(dāng)?shù)啬芰康募竟?jié)變化規(guī)律[27-28]。隨后黃河流域、海河流域、黑河流域、黃土高原、青藏高原等不同地區(qū)的LAS應(yīng)用試驗(yàn)表明,LAS觀測(cè)結(jié)果與渦動(dòng)相關(guān)方法、波文比方法測(cè)量結(jié)果一致性很高[14,17,29-30]。其他研究如在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、半干旱地區(qū)以及干旱地區(qū)等結(jié)果也表明光閃爍方法測(cè)量區(qū)域通量結(jié)果可靠[31-33]。

實(shí)際研究中,區(qū)域尺度的下墊面大部分是非均勻的,由于地形起伏、植被異質(zhì)等客觀因素的存在,光閃爍方法在復(fù)雜下墊面條件下的適用性頗受關(guān)注。Hemakumara等[34]在斯里蘭卡Horana的混合植被區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明LAS所測(cè)蒸散量符合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件,并能隨著天氣的條件發(fā)生變化,由此拉開(kāi)了光閃爍方法在非均勻下墊面條件應(yīng)用的序幕。Beyrich等[26]對(duì)德國(guó)東北地區(qū)森林和農(nóng)田混合區(qū)域研究時(shí),將各地段測(cè)得的通量利用權(quán)重函數(shù)求和得到區(qū)域平均通量,該結(jié)果與光閃爍方法吻合度很高。張勁松等[35]在地形起伏的中國(guó)北方低地山丘人工混交林的研究中將兩臺(tái)渦動(dòng)相關(guān)方法的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行權(quán)重疊加,所得結(jié)果與光閃爍方法測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性系數(shù)可達(dá)0.93。Chehbouni等的實(shí)驗(yàn)中也得出相同的結(jié)論[36]。郝小翠等[37]研究隴東黃土高原下墊面不均勻性對(duì)光閃爍方法的影響,發(fā)現(xiàn)地表不均勻性對(duì)測(cè)量結(jié)果影響顯著。在非均勻下墊面時(shí),由于地形條件等因素的存在,應(yīng)用光閃爍方法測(cè)量時(shí),相似理論未必成立,但上述非均勻下墊面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,考慮采樣尺度,并利用權(quán)重函數(shù)對(duì)不同地段通量值進(jìn)行修正,光閃爍法同樣可以取得良好結(jié)果。光閃爍方法在非均勻下墊面的良好結(jié)果說(shuō)明,光閃爍方法在實(shí)際應(yīng)用中可以與遙感模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。Watts等[38]根據(jù)AVHRR數(shù)據(jù)以及LAS觀測(cè)結(jié)果對(duì)墨西哥北部半干旱地區(qū)的地表通量進(jìn)行研究,認(rèn)為L(zhǎng)AS能較好反映出該地區(qū)的通量變化；Meijninger等[31]在土耳其西部灌溉區(qū)域用LAS分別測(cè)量2700m和670m距離的通量值,結(jié)果與LANDSAT結(jié)果具有良好的一致性,并認(rèn)為L(zhǎng)AS可作為獨(dú)立的區(qū)域平均能量觀測(cè)系統(tǒng)。Nobuhle等[39]對(duì)南非不同生態(tài)氣候區(qū)的研究表明,光閃爍方法測(cè)量結(jié)果與衛(wèi)星遙感模型運(yùn)算結(jié)果一致性高。同樣結(jié)果也出現(xiàn)在黑河流域、青藏高原等實(shí)驗(yàn)中[14,17,29]。總體說(shuō)來(lái),以近紅外方式工作的光閃爍方法適應(yīng)不同條件下墊面,且該技術(shù)已經(jīng)成熟,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn),其中常見(jiàn)的有荷蘭Kipp&Zonen公司和德國(guó)Scintec公司。單波長(zhǎng)方法觀測(cè)結(jié)果與遙感模型結(jié)果吻合度高,已成為檢驗(yàn)衛(wèi)星遙感反演模型的最佳方法[14,25,29]。

2.2 雙波長(zhǎng)方法

總體說(shuō)來(lái),80年代關(guān)于雙波長(zhǎng)方法的研究主要在理論階段,包括敏感波段的選擇,CTq的取值,空氣折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)與溫度、濕度結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系等方面。在應(yīng)用過(guò)程中,荷蘭Wageningen大學(xué)利用雙波長(zhǎng)方法在不同地形條件下測(cè)算區(qū)域平均蒸散,修正了部分計(jì)算方法,推動(dòng)了微波閃爍儀的發(fā)展；荷蘭Eindhoven大學(xué)設(shè)計(jì)了波長(zhǎng)為11mm,頻率為27GHz的微波閃爍儀,常與LAS聯(lián)合應(yīng)用在多個(gè)陸面實(shí)驗(yàn)中,瑞士Bern大學(xué),對(duì)雙波長(zhǎng)測(cè)算方法和過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究,提高了測(cè)算精度[46]；德國(guó)Radiometer Physics GmbH公司率先研發(fā)了波長(zhǎng)為1.86mm,頻率為160GHz的商業(yè)化微波閃爍儀,為雙波長(zhǎng)的發(fā)展提供了硬件支持。

3 光閃爍方法測(cè)量區(qū)域蒸散的不確定性

3.1 儀器自身限制所引起的不確定性

光閃爍方法的儀器也存在系統(tǒng)誤差。以LAS為例,荷蘭Kipp&Zonen公司同型號(hào)閃爍儀間的觀測(cè)誤差可達(dá)21%,德國(guó)Scintec公司同型號(hào)閃爍儀觀測(cè)誤差為3%左右[50-51]。劉紹民等[16]在密云站的比較也得出LAS系統(tǒng)間存在誤差,并且試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Kipp&Zonen的LAS結(jié)果比Scintec的BLS型號(hào)閃爍儀觀測(cè)的結(jié)果存在17%左右的誤差。

雙波長(zhǎng)方法采用兩套不同波長(zhǎng)的儀器協(xié)同工作,為獲得較為可靠的信號(hào),通常使用高頻信號(hào)觀測(cè)然后進(jìn)行濾波處理。然而不同研究者,所使用的頻率,采用的波長(zhǎng)各不相同,如表1所示。

表1 雙波長(zhǎng)方法中微波選擇

研究表明[18,20,40],波長(zhǎng)的選擇對(duì)蒸散結(jié)果具有顯著影響。如Andreas[18]在研究中指出,波長(zhǎng)為3.33mm時(shí),波文比在0.1—10范圍內(nèi),估算的蒸散會(huì)有20%的誤差,當(dāng)波文比在0.01—0.5時(shí),結(jié)果會(huì)有10%的偏差。

3.2 環(huán)境因素引起的不確定性

蒸散是水汽傳輸過(guò)程的反映,準(zhǔn)確獲取蒸散量主要取決于對(duì)空氣中熱量和水汽含量的精確測(cè)定。波文比為顯熱通量與潛熱通量的比率,主要與空氣溫濕度有關(guān),可以用來(lái)表征周?chē)h(huán)境的干濕狀況。單波長(zhǎng)方法的研究中,使用波文比來(lái)表征水汽含量,在不改變計(jì)算中的其他參數(shù)時(shí),波文比系數(shù)由1變成0.3時(shí)可造成15%的誤差[31]。研究也表明,波文比在0.1—2之間變化時(shí)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差在0.4左右變化,對(duì)結(jié)果的不確定性影響可達(dá)50%,并認(rèn)為當(dāng)波文比大于0.32時(shí),對(duì)結(jié)果至少產(chǎn)生10%的影響,由此建議用飽和水汽壓來(lái)表征空氣濕度[54-55]。Lüdi等[19]在研究中用絕對(duì)濕度表示空氣濕度,結(jié)果表明當(dāng)波文比系數(shù)小于-2時(shí),相關(guān)性低至-0.6,而當(dāng)波文比系數(shù)大于2時(shí),相關(guān)性為0.8。雙波長(zhǎng)方法中研究人員多傾向使用絕對(duì)濕度,而Ward等[56]認(rèn)為絕對(duì)濕度受溫度影響較大,是變量；比濕獨(dú)立于溫度,相對(duì)保守,并在Swindon的城郊中用絕對(duì)濕度研究,結(jié)果與渦動(dòng)相關(guān)方法僅相差8%[44]。在光閃爍方法中,如何真實(shí)地表示空氣濕度狀況還有待進(jìn)行更深入的研究。

滿足相似理論(MOST)是光閃爍方法測(cè)量區(qū)域蒸散的前提。不同的植被覆蓋面積、土地利用方式和地形起伏等因素造成了實(shí)際觀測(cè)區(qū)域的非均勻性,光徑高度隨地形起伏不斷變化。為解決MOST在不均勻地表的適用性問(wèn)題,提出了“摻混高度”概念,并認(rèn)為在此高度條件下所有通量能夠充分混合[43],而Hartogensis等[57]研究認(rèn)為,在不穩(wěn)定狀態(tài)下以及MOST有效時(shí),光路徑上的通量值主要受路徑權(quán)重函數(shù)的影響,提出“有效高度”的概念,并認(rèn)為當(dāng)路徑距離大于5km時(shí),由于地球曲面的影響會(huì)產(chǎn)生0.5m的偏差；Evans等[53]研究“雙波長(zhǎng)”系統(tǒng)的有效高度,認(rèn)為在理想的下墊面條件下有效高度引起的誤差不足1%,但在地形起伏較大的情況下有5%—10%的誤差,且路徑權(quán)重函數(shù)對(duì)路徑終端的影響也較為顯著。Ward等[44]認(rèn)為不同的有效高度對(duì)結(jié)果產(chǎn)生6%或3%的偏差。地形起伏導(dǎo)致光徑高度發(fā)生變化,MOST的表達(dá)形式因此受到影響,雖然大量實(shí)驗(yàn)得到的觀測(cè)資料計(jì)算分析出的函數(shù)表達(dá)形式基本相似(公式(18)、(19)),但是函數(shù)表達(dá)式的具體參數(shù)仍然相差很大。由于湍流運(yùn)動(dòng)及其影響機(jī)制的復(fù)雜性,在不同條件下的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)仍然無(wú)法得到一致的函數(shù)表達(dá)式的具體參數(shù),如表2所示。

表2 不同研究中的MOST函數(shù)系數(shù)取值

MOST：相似理論,Monin-Obukhov Similarity Theory；xT,1,xT,2,xq,1,xq,2：MOST函數(shù)的系數(shù),coefficients of MOST function

不同的普適函數(shù)關(guān)系式對(duì)蒸散結(jié)果影響可達(dá)10%—15%,并認(rèn)為在不穩(wěn)定狀態(tài)下MOST的適用性比在近中性或穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)好,湍流越強(qiáng),適用性越好[63]。由于MOST要求觀測(cè)試驗(yàn)盡可能處于均一、穩(wěn)定的觀測(cè)條件下進(jìn)行,但當(dāng)熱力湍流的作用減小,主要是機(jī)械剪切力、重力及平流的作用,MOST適用條件在此種穩(wěn)定度條件下不再滿足,這也導(dǎo)致了不同普適函數(shù)計(jì)算結(jié)果差異很大。閃爍儀測(cè)量的是大氣湍流強(qiáng)度,并不能判斷水熱通量的輸送方向。大氣穩(wěn)定度的判斷及MOST函數(shù)的選取直接影響到閃爍儀觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量,因此許多研究人員只分析白天觀測(cè)數(shù)據(jù),很少考慮夜間觀測(cè)結(jié)果。目前對(duì)于普適函數(shù)的選擇尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),尤其利用光閃爍方法計(jì)算穩(wěn)定條件下的通量還存在較多問(wèn)題。

3.3 計(jì)算過(guò)程的不確定性

利用單波長(zhǎng)方法,通過(guò)能量平衡的方法計(jì)算蒸散會(huì)造成低估,即使利用波文比修正方法進(jìn)行濕度訂正后,結(jié)果仍有16%的偏差[43],其原因通常認(rèn)為是用能量平衡余項(xiàng)法時(shí)參與計(jì)算的凈輻射(Rn)和土壤熱通量(Gs)的空間代表性不足以代表測(cè)量區(qū)域的均值。在利用能量平衡余項(xiàng)法時(shí),凈輻射(Rn)和土壤熱通量(Gs)是非常重要的參數(shù),在非均勻下墊面時(shí)的空間差異性需要仔細(xì)測(cè)算。在復(fù)雜下墊面條件時(shí),粗糙度長(zhǎng)度、零平面位移以及光徑有效高度等重要參數(shù)會(huì)隨著下墊面的實(shí)際情況而發(fā)生變化,存在不確定性。

應(yīng)用雙波長(zhǎng)方法中的“Hill雙波長(zhǎng)”方法時(shí),大多數(shù)學(xué)者假設(shè)RTq=±1。實(shí)際研究表明,當(dāng)RTq=+1時(shí),其結(jié)果不能很好地反映半干旱地區(qū)的蒸散狀況[32],研究發(fā)現(xiàn),不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),RTq取+0.7至+0.95范圍更適合[19,44]。這種假設(shè)對(duì)于非理想條件并非總是成立,因此Lüdi等提出實(shí)時(shí)獲得RTq的交互方法,并認(rèn)為當(dāng)環(huán)境波文比系數(shù)范圍變小時(shí),RTq的范圍也會(huì)縮小,并認(rèn)為RTq取值會(huì)對(duì)蒸散結(jié)果產(chǎn)生20%—50%的偏差[19]?！癓üdi雙波長(zhǎng)方法”獲得實(shí)時(shí)RTq的值,但該方法中所用的公式(8)中的系數(shù)A要依據(jù)具體安裝方案來(lái)定,儀器的間距以及光路徑長(zhǎng)度的測(cè)量誤差會(huì)引起該系數(shù)的變化,同時(shí)該方法需要近紅外路徑與微波路徑的交點(diǎn)位于路徑中點(diǎn)位置,而實(shí)際測(cè)量中很難滿足此要求。

3.4 通量源區(qū)評(píng)價(jià)的不確定性

目前所使用的通量源區(qū)模型對(duì)平坦均勻下墊面條件適用性強(qiáng),在復(fù)雜的下墊面條件下則有許多限制,如有效高度的限制、粗糙度的變化、大氣穩(wěn)定度的變化等[64-65]。2002年Meijninger[65]首次將源區(qū)模型應(yīng)用至光閃爍方法測(cè)量結(jié)果的分析,并認(rèn)為由于源區(qū)的不同,觀測(cè)結(jié)果存在8%左右的誤差。區(qū)域尺度范圍內(nèi),由于通量源區(qū)的變化導(dǎo)致蒸散估算偏差會(huì)高達(dá)26%[43],Ward等[44]也認(rèn)為由于源區(qū)的改變而造成湍流通量的低估也是引起測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的原因。青藏高原不同空間尺度的研究表明,風(fēng)向和通量源區(qū)的不同會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的差異,并說(shuō)明通量源區(qū)不重合時(shí),渦動(dòng)相關(guān)方法與LAS觀測(cè)結(jié)果差異顯著[17],對(duì)蒸散的影響最大可達(dá)23%左右。Evans和De Bruin[53]認(rèn)為使用源區(qū)函數(shù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估時(shí)必須考慮源區(qū)函數(shù)模型的適用條件,并指出Schuepp模型只適合在平坦下墊面,復(fù)雜起伏地形條件下風(fēng)向會(huì)引起較大的誤差,源區(qū)函數(shù)經(jīng)過(guò)修正后得到的結(jié)果更好[35-36]。應(yīng)用源區(qū)模型應(yīng)考慮觀測(cè)高度、風(fēng)速風(fēng)向、下墊面的粗糙程度以及大氣穩(wěn)定度等因素影響,不同氣象條件下的源區(qū)分布不同,并且源區(qū)內(nèi)的通量貢獻(xiàn)值各不相同,在非均勻下墊面條件下還應(yīng)依據(jù)源區(qū)函數(shù)對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行修正。光閃爍方法測(cè)量區(qū)域尺度通量時(shí),由于下墊面植被類型不同,各斑塊地段對(duì)通量貢獻(xiàn)也不相同,在評(píng)價(jià)過(guò)程中需進(jìn)一步探討。此外,雙波長(zhǎng)方法中由于兩套系統(tǒng)的分離,在一定程度上會(huì)造成二者源區(qū)的不同,目前關(guān)于雙波長(zhǎng)方法的源區(qū)仍參考單波長(zhǎng)方法,這也增加了結(jié)果的不確定性。

4 結(jié)論與展望

應(yīng)用光閃爍方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光閃爍方法可以獲得區(qū)域水平上的平均水熱通量,由于平均時(shí)間比渦動(dòng)相關(guān)方法短,因而其統(tǒng)計(jì)不確定性小。下墊面均勻時(shí),光閃爍法的測(cè)量結(jié)果與渦動(dòng)相關(guān)方法測(cè)量結(jié)果十分一致；而在非均勻下墊面條件下,充分考慮風(fēng)向與通量源區(qū)的影響后,光閃爍方法也可以取得很好的結(jié)果,尤其是與渦動(dòng)相關(guān)方法聯(lián)合使用不僅能獲得更好的區(qū)域平均蒸散結(jié)果,而且也能精確評(píng)估各源區(qū)的蒸散水平。綜合看來(lái),光閃爍方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)快速測(cè)算出公里尺度路徑上的平均水熱通量,在復(fù)雜下墊面條件下更具優(yōu)勢(shì)；

(2)是目前衛(wèi)星遙感模型反演驗(yàn)證的最佳地面實(shí)測(cè)方法；

(3)具有較高的時(shí)間分辨率,空間代表性強(qiáng)；

(4)具有在復(fù)雜天氣條件下全天候連續(xù)觀測(cè)的能力。

就光閃爍方法而言,單波長(zhǎng)方法發(fā)展更為成熟,已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。單波長(zhǎng)方法測(cè)算蒸散需額外配備凈輻射、土壤熱通量等能量傳感器,通過(guò)能量平衡公式計(jì)算得出蒸散[29,34,43],但其中過(guò)程變量如凈輻射、土壤熱通量等與光閃爍方法的測(cè)量路徑(公里尺度)存在空間差異性[26,35]。單波長(zhǎng)方法選用的近紅外波段會(huì)受到濕度的影響,計(jì)算時(shí)通常參考Wesely引入的波文比修正系數(shù)[53],并沒(méi)有考慮實(shí)時(shí)的濕度變化,通過(guò)能量平衡計(jì)算蒸散的精確性尚需提高[14,29,33]。雙波長(zhǎng)方法同時(shí)測(cè)量觀測(cè)區(qū)域的溫濕度變化,一定程度上消除了單波長(zhǎng)方法計(jì)算蒸散過(guò)程中存在的空間差異性以及濕度變化的影響。雖然雙波長(zhǎng)方法的發(fā)展起步較晚,研究報(bào)道中所用的雙波長(zhǎng)儀器大多為實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā),商業(yè)化儀器較為少見(jiàn),價(jià)格較為昂貴,普及程度不及單波長(zhǎng)方法的儀器,但是雙波長(zhǎng)方法簡(jiǎn)化了蒸散測(cè)算的過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒸散的直接測(cè)量,在未來(lái)高精度的區(qū)域通量研究中具有更大的優(yōu)勢(shì)。

總之,光閃爍方法在短短幾十年間得到了迅速發(fā)展,并成為區(qū)域蒸散研究領(lǐng)域的重要方法,特別是雙波長(zhǎng)方法在非均勻地表蒸散觀測(cè)研究中表現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。光閃爍法不僅實(shí)現(xiàn)了區(qū)域通量的連續(xù)觀測(cè),同時(shí)也驗(yàn)證了遙感反演結(jié)果,改善了遙感模型參數(shù),為區(qū)域尺度上的水資源管理做出了重要貢獻(xiàn),但光閃爍方法還存在如信號(hào)飽和、相似函數(shù)選擇等不確定性。如何在最大程度上減少不確定性,作者認(rèn)為可以從下述幾點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

(1)光閃爍方法在理論方面的研究。主要包括光閃爍方法在測(cè)算由于頻率損耗等原因引起的湍流譜修正,飽和效應(yīng)修正,水汽吸收效應(yīng)修正,結(jié)合湍流譜分析與渦動(dòng)相關(guān)方法觀測(cè)構(gòu)造合適的相似函數(shù)。

(2)計(jì)算過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)的確定以及源區(qū)分析。主要包括復(fù)雜下墊面條件下粗糙度、摩擦風(fēng)速、有效高度等參數(shù)的確定,復(fù)雜地形條件下的源區(qū)分析等。

(3)其他方面的研究。如光路徑上存在的氣溶膠吸收影響、雙波長(zhǎng)方法中儀器分離造成的路徑權(quán)重函數(shù)分離、光閃爍方法測(cè)算結(jié)果的驗(yàn)證等。

致謝：中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所王介民研究員給予幫助,特此致謝。

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