渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)對(duì)溫帶森林蒸散的估算研究

蘆文豪 朱駿 盧冰冰

摘 要：蒸散是地表水分循環(huán)中重要而復(fù)雜的過程。文章將探討渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)在運(yùn)用于長(zhǎng)白山闊葉林中的蒸散的估算研究。利用開路渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)測(cè)定長(zhǎng)白山闊葉紅松林蒸散量（潛熱通量LE）、凈輻射（Rn）、顯熱通量（H）、平均絕對(duì)溫度（TA），統(tǒng)計(jì)出生長(zhǎng)季初期和生長(zhǎng)季旺盛期的蒸散特征。研究得出，潛熱通量與凈輻射（Rn）呈二次曲線關(guān)系，與氣溫（TA）呈指數(shù)關(guān)系，模擬出的LE日總量與Rn、TA以及飽和水汽壓經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，并對(duì)缺值進(jìn)行插補(bǔ)。

關(guān)鍵詞：潛熱通量;蒸散;渦相關(guān)動(dòng)

中圖分類號(hào)：S161.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

研究陸地表面蒸散過程的意義有兩個(gè)重要方面：其一是蒸散關(guān)聯(lián)地—-氣系統(tǒng)的物質(zhì)能量交換，影響全球變化的預(yù)測(cè)，另外區(qū)域蒸散的顯著變化又反映區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的改變[1]。因此，研究如何準(zhǔn)確測(cè)量和模擬森林蒸散量對(duì)于充分了解森林水循環(huán)和森林體積流量的水平衡具有重要的理論價(jià)值，同時(shí)為森林水資源利用和森林生態(tài)系統(tǒng)管理合理發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。[2]在全球變化期間，長(zhǎng)白山的闊葉紅松林是中國(guó)東北樣帶東部最典型的生態(tài)系統(tǒng)。它在東北地區(qū)的氣候調(diào)節(jié)和生態(tài)平衡與穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用。這是一種溫帶的天然針闊葉混交林，沒有受到人類的干擾。通過研究樹木的年輪，發(fā)現(xiàn)樹木的年齡分布范圍相對(duì)較大，主要樹種（例如紅松、菩提樹和楓樹）的最高年齡在260～300年之間。其中，最老的樹（水曲柳）已達(dá)到450年[3]。這不僅對(duì)生態(tài)系統(tǒng)熱平衡和森林蒸散的研究具有重要意義，而且為當(dāng)?shù)厮Y源的開發(fā)和研究以及水土保持效益的綜合分析提供了科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域與觀測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 研究地概況

長(zhǎng)白山坐落于中國(guó)吉林省的東南部，在中國(guó)和朝鮮的交界處。它位于北緯41°23′～42°36′'N、東經(jīng)126°55′～129°E。長(zhǎng)白山是近代巨大的休火山，位于中國(guó)境內(nèi)的白云峰，植被和土壤分布特征也構(gòu)成了溫帶大陸東岸的典型山區(qū)垂直景觀帶譜[4]，其中也有東亞典型的山地森林生態(tài)系統(tǒng)。因此，長(zhǎng)白山生態(tài)系統(tǒng)已成為中國(guó)乃至世界上最完整的自然生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)區(qū)之一。

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在長(zhǎng)白山闊葉紅松林的一號(hào)標(biāo)準(zhǔn)樣地中，有一座個(gè)62 m高的微氣象觀測(cè)塔。從冠下2.5 m到冠上60 m共有9個(gè)觀測(cè)平臺(tái)，它們可以盡可能滿足垂直比例森林微氣象的觀測(cè)要求。在森林冠層的上方和下方安裝了一個(gè)開路式渦度相關(guān)系統(tǒng)，以觀察森林-大氣與土壤-大氣之間的CO2/H2O/能量交換。通?？梢杂^察到7層常規(guī)氣象觀測(cè)系統(tǒng)來(lái)連續(xù)測(cè)量森林氣象因子。

3 研究方法

根據(jù)渦動(dòng)相關(guān)理論， 水、熱渦動(dòng)通量可以通過下列方程式（1）和式（2）計(jì)算：：

式中：H為感熱通量;LE為潛熱通量，正值表示水、熱從森林向大氣傳輸，負(fù)值則與之相反。Pa為空氣密度，它是空氣溫度、水汽濃度與氣壓的函數(shù)，可通過公式計(jì)算。

式中：e為水汽壓;Rd為干空氣比氣體常數(shù)，取值為287 J·kg-1·K-1;Pv為水汽濃度;Cp為空氣定壓比熱，取值為1 004 J·kg- 1·K- 1;w'為垂直風(fēng)速脈動(dòng)值;Tc為空氣溫度脈動(dòng)值;L為汽化潛熱，它是溫度的函數(shù)，L=（ 2 500.78-2.360T）J·g-1;E為蒸散量;Pv為水汽濃度脈動(dòng)值;上橫線表示在一定時(shí)間間隔上的平均值， ，在這里通量平均化時(shí)間為30 min。開路式渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)由于紅外光路暴露在外，受降雨、飄霧或霜天氣影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)與正常值有較大的誤差。對(duì)于誤差值，通常的做法是除去誤差值，然后根據(jù)相近的正常值內(nèi)插，但這有待商榷。

4 結(jié)果分析

4.1 混交林蒸散的日變化

從圖2和圖3可以看出，LE的晴天日變化表現(xiàn)為：夜間較低，變化較小，但在日出之后逐漸升高，在中午達(dá)到最大值（中午11：00時(shí)的潛熱通量LE為264.66 w/m-2），并逐漸降低直到傍晚變得穩(wěn)定。在生長(zhǎng)季節(jié)開始時(shí)，潛熱通量LE將在早晨隨著凈輻射Rn的增加而增加，而在下午隨著凈輻射的減少小而減小。下午6：00時(shí)后，它將降為0或負(fù)數(shù)。在生長(zhǎng)季節(jié)開始時(shí)，LE的主要熱源是長(zhǎng)白山的闊葉紅松林，而非生長(zhǎng)季節(jié)的主要熱輸出是H。原因是在旺盛的生長(zhǎng)季節(jié)中，Rn、Ta和葉面積指數(shù)相對(duì)較高，并且降雨充足，導(dǎo)致蒸散量高于生長(zhǎng)季節(jié)初期。結(jié)果表明，在旺盛的生長(zhǎng)季節(jié)，植被生理活動(dòng)（蒸騰作用）消耗的能量較高。生長(zhǎng)季節(jié)開始時(shí)在物理環(huán)境中消耗的能量更高。

4.2 混交林蒸散的季節(jié)變化特征

從圖4中可以看出，5月份進(jìn)入生長(zhǎng)季，帶來(lái)了更多的雨水，相應(yīng)地的可利用的太陽(yáng)輻射能和葉面積指數(shù)也隨之增加，在這時(shí)候LE也會(huì)逐漸增加，并在6月份達(dá)到全年最大值，高達(dá)79.78 w/m-2，7月和8月是生長(zhǎng)季的旺盛期，進(jìn)入9月份生長(zhǎng)季末期之后，雨季結(jié)束，土壤濕度急劇降低，水分條件成為了主要的限制因素，闊葉樹林葉片子開始凋落，植物生理活動(dòng)減弱，葉面積指數(shù)也迅速下降，LE由8月的74.06 w/m-2急劇減少到9月份的51.91w /m-2，

從圖5中可以看出進(jìn)入生長(zhǎng)期初期之后，Rn和Ta持續(xù)上升，并都于6月份達(dá)到頂峰。夏季到來(lái)，氣溫上升，輻射增加，帶來(lái)了充分的水汽傳輸。Ta月平均于6月達(dá)到頂峰之后，7月份有小小幅的下降，直接影響LE的變化趨勢(shì)。8月份Ta重新上升達(dá)到了292.62K，進(jìn)入9月份之后，生長(zhǎng)期末期，氣溫急劇降低，導(dǎo)致了LE同時(shí)下降至51.91 w/m-2，而凈輻射于6月份達(dá)到頂峰162.08 w/m-2之后，持續(xù)穩(wěn)定保持下降的趨勢(shì)，直到進(jìn)入生長(zhǎng)期末期，下降至88.61 w/m-2。

從圖6中可以看出，進(jìn)入5月份之后，隨著氣溫的升高，凈輻射增加，葉面積指數(shù)相應(yīng)升高。夏天的到來(lái)，持續(xù)的高溫和充沛的雨水共同作用導(dǎo)致LE的增加，，在生長(zhǎng)季初期（5月）和末期（9月），由于樹木葉片處于萌芽或者凋萎期，葉面積變化較大。而在生長(zhǎng)旺盛期（6月～8月），樹木已完全展葉，葉面積相對(duì)較為穩(wěn)定，LAI與蒸散有著不可或缺密切的關(guān)系。