蒸发的国内外研究进展

研究内容蒸散发水面蒸发土壤蒸发植物散发流域蒸散发的研究意义认识水量平衡时空变异性的发生规律、原因及控制性因素，从而能对其进行定量预测。陆地淡水资源绝大部分来自于降水，而蒸散发则是降水的主要消耗形式，因此，蒸散发的水文研究意义深远。全球气候变化背景下，准确估算蒸散量及其变化趋势，对理解水文循环规律以及科学管理流域水资源产生重要意义。蒸散发蒸散发的概念及分类蒸散发的影响因素蒸散发的发展状况蒸散发的国内外研究进展区域蒸散的研究方法进展蒸发悖反现象蒸散发的概念及分类概念：蒸散发(ET:Evapotranspiration)表示水分从陆面转化为水蒸气进入大气的所有过程的总和。分类：1.植物的冠层截留蒸发量2.地表截留蒸发量3.植被蒸腾量4.水面蒸发5.土壤蒸发蒸散发的影响因素蒸散发的微观机理：土壤-植被-大气相互作用蒸散发的宏观规律：流域水量平衡和能量平衡。可供蒸发的能量植被类型及生长状况大气湍流扩散能力可供蒸发的水量微观尺度影响因素蒸散发的水文过程冠层储水降雨蒸发截留穿透降水径流蒸腾地表径流土壤蒸发下渗土壤水土壤水再分布积雪升华融化蒸散发的发展状况常规气象资料建立一种可靠的方法计算较准确地估计区域蒸散发传统方法遥感方法特点：离散的点观测与估算缺陷：1.插补外延精度低2.植被冠层温度不易获取3.大范围高密度观测成本大4.时效性差5.局限在小范围内特点：1.将蒸散发模型应用到大区域内2.定量反演能量和水分平衡中的地表参数缺陷：1.研究区地形复杂时没有从像元尺度考虑地形对蒸散发及其重要参数的影响2.单一传感器资料精度有待提高3.利用能量平衡模型结合遥感方法的模拟方法操作复杂且反演精度不易控制蒸散发的国内外研究进展国外研究进展国内研究进展国外研究现状1802年，Dalton根据空气动力学原理提出计算蒸发公式，首次考虑了风、温度、湿度对蒸发的影响。1926年，Bowen基于地表能量平衡方程提出了波文比法(BREB:BowenRatioEnergyBalance)。1948年，Penman建立了能量平衡和空气动力学联合蒸散方程。(两个假设：①蒸发面为饱和状态②不考虑表面阻抗)1973年，Monteith对Penman模型修正，得到Penman-monteith模型，把植被看做一个整体，假定作物冠层为一片大叶，作物潜热交换发生在叶面上，得出计算植被覆盖地表的实际蒸散模型——只计算植物蒸腾。国外研究现状1985年，Shuttle-worth和Wallance——系列双层蒸散模型，简称双源模型或S-W模型。遥感原理发展之下：1995年，Nouman在S-W模型基础上建立了平衡双层模型。1973年，Brown和Rosenberg根据能量平衡-作物阻抗原理建立了一个作物阻抗-蒸散模型。国内蒸散发研究现状1981年，傅抱璞针对山区陆地蒸发建立了基于气象资料的蒸散模型。20世纪80年代末，陈镜明改进了Brown和Rosen-berg提出的遥感蒸发(散)模型。20世纪90年代初，中日合作先后进行了遥感的地表参数反演研究和地表能量通量研究。1990年，田国良等用AVHRR数字图像和地面气象站资料估算了作物蒸散量和土壤含水量。国内蒸散发研究现状1994年，陈鸣等用冠、气温度差球的局部地区的蒸散量，进而与卫星红外温度数据相匹配，估算大面积作物的蒸散量。张仁华等对蒸发的一层阻抗模型的空气动力学阻抗提出修正。陈云浩等在建立两种极端条件下的裸土蒸发和全植被覆盖蒸散计算模型基础上，结合植被覆盖度给出了非均匀陆面条件下的区域蒸散发计算方法。国内蒸散发研究现状2004年，郭建茂等利用LANDSAT27ETM+卫星遥感资料，引入反演方法。庞治国等提出基于能量平衡方法的遥感反演蒸散发模型。刘志武等利用遥感技术和SEBAL模型估算干旱区的蒸散量。2005年，李红军等采用landsatETM+SEBAL模型来计算获得相关地面特征参数和日蒸散量。流域ET研究思路研究思路1.单独计算流域内各单项计算ET，再叠加土类和植被以加权求和统计。2.对流域进行综合研究，并根据水量平衡、能量平衡、经验模式、互补相关和遥感探测等方法，计算流域总ET。(目前采用较多)区域蒸散的研究方法进展蒸发和蒸散的直接测定——蒸渗仪法传统单点蒸散计算方法：波文比-能量平衡法空气动力学法涡度相关法P-M及修正方法遥感方法SEBAL模型TSEB模型波文比-能量平衡法Bowen(1926)从能量平衡公式出发，提出了计算蒸发的波文比-能量平衡法。波文比b是一个表示能量分布的指数。当认为温度和湿度的湍流交换系数相等时，b可以表示为：其中：T1和T2分别表示高度Z1和Z2处的气温；q1和q2分别为对应高度的比湿。将波文比与能量平衡公式结合起来即为波文比-能量平衡法：)(1)(E1H2121qqTTCpb11bGREn空气动力学法下面是计算显热和潜热通量的空气动力学公式：式中：Cp:空气定压比热；rair:湿润空气的密度；1:蒸发潜热，即单位质量的液态水全部蒸发完变为水汽所需消耗的热量(水的蒸发/凝结潜热为2.45×106Jkg-1)CH和CE分别为温度和湿度的湍流交换系数；u:风速；Ts:地表温度；Ta:空气温度；qsatTs:温度为Ts时的饱和比湿；qa:观测高度的比湿)(11)(aTssatEairasHairpqquCETTuCCHrr空气动力学法若空气接近中性状态，则CH和CE可由以下公式求出：式中：k:vonKarman常数；z:风速与气温的测量高度；d:零平面位移高度；zom、zoh、zoq分别为动量、热量和水分传输粗糙度)/)ln(()/)ln(()/)ln(()/)ln((22oqomEohomHzdzzdzkCzdzzdzkC涡度相关法Swinbank(1955)提出利用涡度相关技术测量温、湿、风的脉动值，从而计算显热和潜热通量。他认为显热和潜热在很大程度上是通过涡度扰动传输的，因此，可以通过建立垂直风速与传输数量上的波动之间的相关关系直接测量显热和潜热通量。假设地表平均垂直风速为零，湍流通量可以表述如下：式中：w’:垂直风速；T’:气温与其均值的瞬时偏差；q’:比湿与其均值的偏差。一般情况下，需采用10～15分钟的均值以及高频率测量的w’,T’和q’值。该方法的特点：直接测量通量，无需太多假设和经验参数，理论基础坚实可靠；其结果常常作为其他方法包括遥感监测ET的检验标准。qwETwCHairpairrrP-M及修正方法P-M公式：应用于非饱和下垫面的蒸散发估算：式中：es-ea:参考高度处空气水汽压差;D:饱和水汽压-温度关系曲线的斜率；g:干湿球常数；gs和ga分别为表面阻抗和空气动力学阻抗；P-M公式是能量平衡公式与空气动力学公式的组合，只是用gs和ga代替了其中的湍流交换系数)1()()(1asaaspairnrrreeCGREDDgrP-M及修正方法对P-M公式的修正Wright(1982)、Allen等(1998)以及ASCE-EWRI(2002)提出精确估算实际蒸散发的方法：将计算的参考蒸散与相应的作物系数Kc相乘。其中参考蒸散一般为水分充足的草地(ET0)或者紫花苜蓿的蒸散(ETr)。得到作物蒸散公式：其中：ETc为作物蒸散;Kc为与作物类型、生长阶段和地表湿度有关的作物系数。Wright(1982)率先将上式中的Kc表述为一个“双重”作物系数，即Kc=Kcb+Ke,其中Kcb为作物基系数，Ke为一描述土壤蒸发的系数Allen等(1998)指出，水分胁迫条件下，还要考虑水分胁迫系数Ks。单一作物系数：“双重”作物系数：0ETKETccecbsadjustedccsadjustedcKKKKKKK)()(P-M及修正方法FAO(世界粮农组织)于1998年提出的简化P-M公式：式中：ET0:参考作物蒸散；Rn:作物表面的净辐射G:土壤热通量(MJ/m2/day)Ta:2米高度处日均温(℃);m2:2米高度处风速；es:饱和水汽压(kPa);ea:实际水汽压(kPa);D:水汽压温度曲线的斜率(kPa/℃)g:干湿球常数(kPa/℃)这里，ET0为一假设水分充足草地的蒸散发，此草地的植株平均高度0.12米；表面阻抗70s/m；反照率0.23。)34.01()(273900)(408.0220mgmgDDasaneeTGRETP-M及修正方法ASCE(AmericanSocietyofCivilEngineers)标准P-M公式：式中：ETref：低矮(ET0)或高大植物(ETr)的标准参考蒸散；Cn和Cd两个系数：通过为草地和紫花苜蓿假定不同的表面阻抗而求得，它们随着参考作物类型和计算时间不长而改变。)1()(273)(408.022uCeeuTCGRETdasnnrefDDgg遥感方法基本原理：地表能量平衡地表辐射平衡遥感方法能量平衡法：该法中各分量都由遥感数据结合地面观测气象数据求得。1E=Rn-H-G潜热通量=地表净辐射-显热通量-土壤热通量,单位W/m2其中净辐射Rn：式中：Rs:太阳总辐射；a:地表反照率；Lin:大气长波辐射；Lout:地面长波辐射(由地表温度和地表辐射率计算得到)；e:(宽波段)地表比辐射率；s:斯～玻常数；Ts:地表温度。土壤热通量G：由Allen等(1996)提出，LAI为叶面积指数4)1()1()()1(sinsinoutinsnTLRLLLRReseaeaLAIneRG5.04.0/遥感方法显热通量H：式中rair:空气密度；Cp:空气定压比热；Taero:空气动力学温度；Ta:参考高度处温度；rah:热传输的空气动力学阻抗地表和高度z之间的rah:式中：d:零平面位移高度；Zom和zoh:动量和热量传输的表面粗糙度长度；uz:高度z处的风速；ymyh:动量和热量传输的稳定度修正因子ahaaeropairrTTCHrzhohmomahukzdzzdzr2))(ln(lnyy遥感方法对显热通量H的修正(Sugita&Brutsaert,1990)：由于空气动力学温度Tareo的计算十分困难，因此计算H时往往采用辐射温度和一附加阻抗rex,式中Trad:辐射表面温度;K:vonKarman常数;u*:摩擦速率。SEBAL模型修正：在计算H的过程中，引入Monin-Obukhov理论，通过一个迭代计算过程，提高了H的计算精度。)ln(1*1uzzkrrrTTCHohomexexaharadpairrSEBAL模型SEBAL模型的提出：Menenti等对这个问题作了较系统的研究，提出了基于遥感方法提取地表反射率、反照率、NDVI等基本参数的方法，并在此基础上利用TM影像推算地表粗糙度、空气动力学阻力以及土壤表层温度等有关地表参数，通过遥感提供的上述地表参数信息建立了较为成熟的基于地表能量平衡公式的SEBAL模型。在国内，该方面的研究大多侧重于个别地表参数的研究。SEBAL模型SEBAL模型估算蒸散发的流程如图：SEBAL模型张万昌等(2004)利用以DEM为基础的充分考虑气象因子的地形依存性的PRISM空间内插方法，为遥感结合GIS估算区域陆表能量通量和蒸散发算法提供空间分布的太阳辐射、气温、湿度、大气含水量等初始气象参数，再采用经过地形校正和大气订正等预处理的TM影像求出地表反射率、反照度、比辐射率和地表温度等参数，以此为基础，利用地表能量平衡算法(SEBAL)计算出地表净辐射、土壤热通量和显热通量等地表热通量，最终求出黑河流域蒸发散，对该反演结果与实地观测资料进行了分析对比，论证了该方法的可行性。SEBAL模型近年来，王介民等用TM影像对黑河实验区(HEIFE)的地表能量通量进行了较系统的研究，陈云浩等建立2种极端条件下裸土蒸发和全植被蒸散发计算模型。郭玉川等(2007)指出：利用SEBAL模型反演西北内陆区地表区域蒸散发是较为理想的,对于存在较大水域与沼泽湿地的地区SEBAL模型同样具有较高反演精度