2017–2019 年寧夏蘭山驕子葡萄園日蒸散發(fā)觀測數(shù)據(jù)集

熊育久，林曉雨，馮房觀，張清濤

1.中山大學土木工程學院，珠海 519082

2.中山大學水資源與環(huán)境研究中心，廣州 510275

引 言

蒸散發(fā)是水分相態(tài)變化過程，包括植物蒸騰、截流蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和自由水面蒸發(fā)[1-2]。因蒸散發(fā)同時關聯(lián)水文過程、能量過程、蒸騰與光合過程，深刻影響地球水、熱、碳三大過程，準確量化蒸散發(fā)是相關領域研究的關鍵基礎[3-4]。尤其對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，精準掌握蒸散發(fā)逐日變化，是認知農(nóng)作物耗水與需水規(guī)律、提高作物水分利用效率的理論依據(jù)，為精準農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)水資源管理與高效利用提供基礎數(shù)據(jù)[5-7]。

目前田間尺度蒸散發(fā)觀測方法主要有渦動相關法、波文比能量平衡法、蒸滲儀法等[1-2]。其中：渦動相關法是國際通量觀測網(wǎng)絡的常規(guī)方法，適用下墊面類型廣、數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，但觀測系統(tǒng)價格昂貴、維護成本高[8]；波文比能量平衡法基于常規(guī)氣象要素，價格相對渦動相關系統(tǒng)便宜，但觀測精度受溫濕度梯度差異和下墊面異質(zhì)性影響大[2,9]；大型稱重式蒸滲儀（直徑≥2m、深度超過1 m）觀測精度高，但造價高[2,10]。國內(nèi)已發(fā)表的蒸散發(fā)觀測數(shù)據(jù)主要來自中國通量網(wǎng)絡[11]，但農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的逐日蒸散發(fā)數(shù)據(jù)較少，主要集中在玉米，采用渦動相關法觀測[12]和稱重式蒸滲儀觀測[13]，其他觀測方法和葡萄等經(jīng)濟作物的逐日蒸散發(fā)數(shù)據(jù)鮮有報道。

本數(shù)據(jù)集提供的葡萄園日蒸散發(fā)觀測數(shù)據(jù)集，覆蓋2017–2019 年。蒸散發(fā)結(jié)果利用波文比能量平衡法與高頻溫度法觀測，經(jīng)過質(zhì)量控制與評估，不僅可為掌握葡萄耗水、需水提供依據(jù)，還能為評價不同觀測方法在高異質(zhì)葡萄園的適用性提供數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集地點

觀測實驗于2017–2019 年在寧夏回族自治區(qū)銀川市永寧縣、賀蘭山東麓玉泉營農(nóng)場的蘭山驕子葡萄園（106°1′44.66″E、38°14′17.54″N）開展。該區(qū)域地處黃河上游，屬于溫帶大陸性氣候，干旱少雨（多年平均約200 mm）、日照時數(shù)長（多年平均約2900 h）、晝夜溫差大。

觀測葡萄園呈矩形，面積約10 畝（6666.67 m2），土壤為沙壤土，田間持水量平均為13%–14%。種植的品種為摩爾多瓦（Vitisvinifera L.cv.Moldova）、樹齡7 年，行距3.5 m、株距0.5 m，成熟期冠層高度在1.5 m 左右。葡萄通常在4 月下旬種植，生育期大致劃分為：萌芽期（4 月下旬至5 月20日）、開花坐果期（5 月21 日至7 月初）、果實膨大期（7 月初至8 月初）、成熟期（8 月中旬至8月底）、落葉期（9 月初至10 月初）。葡萄出土后開始第一次漫灌（4 月中下旬），隨后每隔20 天左右滴灌一次（每畝灌水量約50 m3），直至果實采收前30 天結(jié)束滴灌；待葡萄剪枝后灌冬水（漫灌，11 月中旬）、埋土。葡萄種植后通常施肥2 次，每次施肥量10–15 kg/畝。

1.2 數(shù)據(jù)觀測與采集方法

2017 年夏季在葡萄園中部安裝波文比觀測系統(tǒng)（如圖1 所示），傳感器包括凈輻射、土壤熱通量板、雙層溫濕度和數(shù)據(jù)采集器（具體型號與制造商見圖1c）。傳感器每5 s 采樣一次，采集器每10 min 自動記錄該期間平均值。2018 年在波文比系統(tǒng)上增加高頻溫度觀測（采樣頻率10 Hz），構成高頻溫度觀測系統(tǒng)。

圖1 波文比與高頻溫度采集系統(tǒng)示意圖（a、b）及傳感器信息（c）Figure 1 Schematics of the dataset observation systems: Bowen ratio energy balance method (a) and the surface renewal method b), along with sensor information (c)

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

本數(shù)據(jù)集最終提供日尺度蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，來源于各日7:00–19:00 點間每10 min 觀測值累加。若因傳感器故障或計算結(jié)果異常引起的瞬時數(shù)據(jù)缺失（每10 min），利用缺失前后鄰近時刻蒸散發(fā)結(jié)果線性插值獲得。波文比能量平衡法與高頻溫度法計算公式介紹如下。

1.3.1 波文比能量平衡法

根據(jù)波文比能量平衡法（公式1），瞬時蒸散發(fā)（ETBR_10）等于可利用能量（Rn-G）與波文比（β）的比值。

式中：Rn、G分別為每10 min 觀測的凈輻射和土壤熱通量（W m–2）；L為汽化潛熱系數(shù)（2.49×106J kg-1）；β值利用每10 min 觀測的溫濕度梯度計算（公式2）。

式中：ΔT、Δe分別為每10 min 上下層溫度差和實際水汽壓差；γ為干濕表常數(shù)。各層實際水汽壓和γ均可根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織發(fā)布的第56 號文檔計算（FAO paper 56）[14]，詳細可參考文獻[15]。

根據(jù)公式1，β值接近-1 時計算的蒸散發(fā)異常，本數(shù)據(jù)集根據(jù)文獻[16]剔除-3.000 至-0.333 之間的β值，剔除后的蒸散發(fā)數(shù)值通過插值獲得；此外，若早晚時刻計算的瞬時蒸散發(fā)為負，不符合蒸散發(fā)過程，直接賦0 值。對于以上兩類蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，以及因傳感器缺測引起的數(shù)據(jù)缺失，均標記為無效數(shù)據(jù)，根據(jù)各日無效數(shù)據(jù)占比進行數(shù)據(jù)質(zhì)量等級賦值（表1）。

表1 數(shù)據(jù)質(zhì)量等級Table 1 Quality classification of the daily ET dataset

1.3.2 高頻溫度法

高頻溫度法（surface renewal method），亦翻譯為表面更新法[2]，其原理是利用高頻溫度斜坡式升降變化結(jié)構函數(shù)描述湍流運動、計算顯熱通量（HSR_10，公式3），再通過能量平衡余項法獲得潛熱通量和蒸散發(fā)（ETSR_10，公式4）。

式中：α為校正系數(shù)，本文計算取1；z為高頻溫度傳感器觀測高度；ρ、Cp分別為空氣密度（g m-3）和空氣定壓比熱（J g-1K-1）；a為高頻溫度斜坡變化幅度（K）；τ為斜坡變化周期（s）。a、τ均可利用高頻溫度結(jié)構函數(shù)求解，詳細可參考文獻[15]。

對于高頻溫度法，無效數(shù)據(jù)包括早晚時刻計算的瞬時蒸散發(fā)負值、10 min 內(nèi)高頻溫度缺測引起的數(shù)據(jù)缺失或結(jié)構方程無解，同理可根據(jù)表1 的無效數(shù)據(jù)比例判定各日數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)集命名與數(shù)據(jù)庫結(jié)構

本數(shù)據(jù)集為寧夏蘭山驕子葡萄園日尺度蒸散發(fā)觀測值，時間覆蓋2017 年8 月至2019 年10 月，共計1 個EXCEL 數(shù)據(jù)文件，約74 KB，文件命名為“2017–2019 年寧夏蘭山驕子葡萄園日蒸散發(fā)觀測數(shù)據(jù)集”，內(nèi)含1 個數(shù)據(jù)表，命名為“蒸散發(fā)觀測日值”，由10 列屬性組成，分別為序號、觀測日期、基于波文比能量平衡法的蒸散發(fā)及其質(zhì)量等級、基于高頻溫度法的蒸散發(fā)及其質(zhì)量等級，以及反映對應日期氣象特征的凈輻射、氣溫、飽和水汽壓差（VPD）、降水量，共724 行（如表2 所示）。

表2 數(shù)據(jù)樣本展示Table 2 Data sample of the daily ET dataset

2.2 數(shù)據(jù)缺失情況

對波文比法，因傳感器、采集器等設備故障引起的數(shù)據(jù)缺失，在日內(nèi)已經(jīng)進行無效數(shù)據(jù)標記，在日尺度無缺失值。由于高頻溫度法主要在生長季觀測，未觀測期日期的數(shù)據(jù)用“NAN”表示，部分因高頻溫度傳感器損壞引起的日值缺測（占比13.4%），同樣用“NAN”標注。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

數(shù)據(jù)觀測與采集均按照業(yè)內(nèi)標準和規(guī)范進行，各傳感器均由業(yè)內(nèi)著名生產(chǎn)商制造，且定期維護，采集人員均通過專業(yè)培訓、了解觀測原理和掌握儀器操作與采集程序，數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量可靠。本數(shù)據(jù)集在研制過程中，根據(jù)各日內(nèi)缺測或方法局限性引起的數(shù)據(jù)缺失，進行了數(shù)據(jù)質(zhì)量標定，各蒸散發(fā)日值有對應的質(zhì)量評估等級，加強了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。此外，基于本數(shù)據(jù)集的蒸散發(fā)方法對比研究成果已通過同行專家評審，發(fā)表在業(yè)內(nèi)權威期刊《Journal of Hydrology》（見文獻[15]），表明數(shù)據(jù)具有較高的可信度。

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)集提供了葡萄園日尺度蒸散發(fā)觀測數(shù)據(jù)，有望為經(jīng)濟作物葡萄的需水規(guī)律研究提供科學數(shù)據(jù)，為干旱區(qū)農(nóng)業(yè)水資源高效利用提供數(shù)據(jù)支持。此外，高頻溫度法在歐美國家獲得廣泛應用，觀測精度可媲美渦度相關法，且高頻溫度法觀測成本比波文比系統(tǒng)還略低，但在中國鮮有應用報道，本數(shù)據(jù)集提供的高頻溫度觀測數(shù)據(jù)還能為評價該方法在高異質(zhì)葡萄園的適用性提供數(shù)據(jù)支持，豐富我國地表蒸散發(fā)觀測方法。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集從觀測、處理到質(zhì)量評估均采用國際通用的方法，數(shù)據(jù)集時間跨度約3 年，觀測對象是典型的經(jīng)濟作物葡萄，可為葡萄需水灌溉和農(nóng)業(yè)水資源高效利用提供數(shù)據(jù)支持，也可用于驗證其他模型或遙感反演的蒸散發(fā)。

本數(shù)據(jù)集格式為常見的EXCEL 文件，可直接利用EXCEL 或WPS 等辦公軟件打開。本數(shù)據(jù)集提供了逐日蒸散發(fā)數(shù)值及其數(shù)據(jù)質(zhì)量等級，建議在應用中考慮數(shù)據(jù)質(zhì)量等級。

數(shù)據(jù)作者分工職責

熊育久（1982—），男，貴州省麻江縣人，博士，教授，研究方向為生態(tài)水文。主要承擔工作：野外實驗設計與觀測系統(tǒng)總體運行，數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量控制與數(shù)據(jù)集構建等。

林曉雨（1998—），女，廣東省茂名市人，碩士研究生，研究方向為生態(tài)水文。主要承擔工作：數(shù)據(jù)整理與計算。

馮房觀（1999—），男，廣東省清遠市人，碩士研究生，研究方向為生態(tài)水文。主要承擔工作：數(shù)據(jù)整理與計算。

張清濤（1975—），男，山東省濟寧人，博士，副教授，研究方向為農(nóng)業(yè)水資源高效利用。主要承擔工作：觀測系統(tǒng)安裝與維護。