区域蒸散发估算测定方法综述

第２２卷第１Ｏ期　２００６年　１０月　农业工程学报　

Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＡＥ　Ｖｏ１．２２　Ｎｏ．１０　

Ｏｃｔ．　２００６　２５＇７　

区域蒸散发估算测定方法综述　武夏宁，胡铁松，王修贵，江　燕，李修树　（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉４３００７２）　

摘要：该文将估算区域蒸散发的方法分为两大类加以综述，一类是以水文学和气象学为主，如水量平衡原理、互补相关理　论、ＳＰＡＣ理论、参考作物腾发量思想等方法；一类是以遥感技术为主，如统计经验法、能量余项法、数值模型、全遥感信息模　型等方法。然后概述地面测定计算方法中比较有代表性的蒸渗仪法、波文比仪法、涡度相关法和闪烁通量仪法。最后简要分　析遥感估算区域蒸散发存在的主要问题和展望区域蒸散发研究的趋势。　关键词：区域蒸散发；估算；测定；综述　中图分类号：ＴＶ２１３．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—６８１９（２００６）１０—０２５７　０６　

武夏宁，胡铁松，王修贵，等．区域蒸散发估算测定方法综述＿Ｊ］．农业工程学报，２００６，２２（１Ｏ）：２５７—２６２．　Ｗｕ　Ｘｉａｎｉｎｇ，Ｈｕ　Ｔｉｅｓｏｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｘｉｕｇｕｉ，ｅｔ　ａｉ．　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｅｖａｐｏｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ［Ｊ］　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＡＥ，２００６，２２（１Ｏ）：２５７—２６２．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｗｉｔｈ　Ｅｎｇｌｉｓｈ　ａｂｓｔｒａｃｔ）　

０引　言　蒸散发是土壤一植物一大气连续系统中水分运动　重要而复杂的过程，其强度与土壤状况、作物状况、大气　环境密切相关。对其研究不仅涉及到土壤学、植物学、气　象学和气候学，而且还与水文学、地球物理学等其他学　科密切相关。自１８０２年Ｄａｌｔｏｎ提出计算蒸发的公式以　来，蒸散发理论取得一些重要成果，如波文比能量平衡　法、空气动力学方法、涡度相关法、Ｐｅｎｍａｎ—Ｍｏｎｔｅｉｔｈ公　式等，但是这些理论主要是在点尺度上提出的，而在区　域尺度上仍有很多局限性。从２Ｏ世纪７Ｏ年代起，遥感　不仅作为获取区域信息的手段，而且开始作为一门独立　的学科提出了一些估算区域蒸散发的方法。本文对估算　区域蒸散发的方法进行综述，将其分为两大类，一类是　以水文学和气象学为主，一类是以遥感技术为主。在以　水文学和气象学为基础的方法中，主要有水量平衡原　理、互补相关理论、ＳＰＡＣ理论、参考作物腾发量思想等　方法；在以遥感技术为基础的方法中，主要有统计经验　法、能量余项法、数值模型、全遥感信息模型等方法。这　些方法有的通过物质能量守恒规律估算蒸散发，有的通　过寻找和建立蒸散发和其他主要影响因素的联系估算　蒸散发，有的通过模拟蒸散发的机理过程估算蒸散发。　这些方法从不同角度阐述了蒸散发过程的～些规律和　特征，但对其本质仍缺乏深刻和全面的认识，因此分析　总结这些研究方法对寻求新的途径和新的方法具有重　要的意义。　ｌ　区域蒸散发的估算方法　１水文气象方法　收稿日期：２００６—０４—２０修订日期：２００６—０８—２５　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０２３９０９０＞　作者简介：武夏宁（１　９８０一），男，辽宁沈阳人，博士生，主要从事水资　源规划管理研究。武汉武汉大学水利水电学院，Ｅｍａｉｌ：ｗｘｎ８００２２８　＠ｓｏｈｕ．ＣＯＦＩＩ　１．１．１　水量平衡原理　水量平衡原理的基本思想是先明确均衡体及各水　均衡要素，然后测定或估算各计算时段内除蒸散发外的　其他水均衡要素，最后求出水均衡余项蒸散发（见公式　１），也称水均衡法。　Ｅ７１·△　·Ａ＝Ｐ·Ａ＋Ｉ—Ｒ～Ｄ～△　（１）　式中　Ｅ丁…蒸散发，ｍ·ｄ～；Ｐ——降水，ｍ；』～　区域外调水，包括引水灌溉，ｍ。；Ｒ一～流出区域的地　表地下径流，ｍ。；Ｄ——深层渗漏，ｍ。；△Ｓ一土壤贮　水变化量，ｍ。；　＿－－一时段长度，ｄ；　——区域面积，　ｍｚ水量平衡法的应用，可小至几平方米，大至几十平　方千米，且不受大气运动的影响，因此具有广泛的应用　性。但由于区域内的水均衡要素在有降雨或调水期间及　之后一段时间处于非稳态，难以精准测量，因而很难估　算区域蒸散发的短期（如：日、小时）动态变化过程，故时　间尺度一般要一周或一周以上，同时，时间尺度会随着　区域尺度的增加而增加，常以月、灌期（几个月）、年为尺　度。当土地利用和土壤特性空间变异较大时，需要更多　的测点布置，才能保证蒸散发的估算精度。而且由于很　难精确测量水均衡方程中除蒸散发外的其他要素，因而　不得不简化求解，这使得水均衡各项的估算误差以及测　量手段的误差都集中到余项蒸散发上，影响了估算精　度Ⅲ。　１．１．２　互补相关理论　互补相关理论最早由Ｂｏｕｃｈｅｔｌ＿２　提出。他认为，当　区域全部为湿润时，实际蒸散发Ｅｒ和可能蒸散发Ｅ　均等于湿润条件下的陆面蒸散发量Ｅｒｗ（即Ｅ　、：Ｅ　一　Ｅ　Ⅳ），当实际蒸散发Ｅ　少于Ｅ刑时，可能蒸散发￡　，就　有相应的增加，而且还认为增加量等于减少量，因为实　际蒸散发Ｅ　降低时会释放一些能量ｇ，它影响地面上的　空气状态，主要在空气温度、湿度和湍流特征方面，这些　状态的改变导致可能蒸散发Ｅ　有等量的增加。如果释　放的能量ｑ不能改变可利用能量（即净辐射Ｒ　与地面　２５８　农业工程学报　热通量Ｇ之差）且没有其他能量余项时，将有两个关系　Ｅ　一Ｅ　Ⅳ：一ｇ，Ｅ　Ｐ—Ｅ　一ｇ；两式合并后即得互补　关系（见公式２）。Ｍｏｒｔｏｎ　用大量的实验数据证明了局　地蒸发潜力与实际蒸散发之间的互补关系确实存在。　ＥＴ＋ＥＴＰ一２Ｅ１　Ⅳ　（２）　式中　Ｅ　——实际蒸散发量，ｍｍ；Ｅ　一可能蒸散发　量，ｍｍ；Ｅ　Ⅳ——湿润条件下的陆面蒸散发量，ｍｍ。　互补相关方法在计算实际蒸散发量Ｅ　时，由于推　求Ｅ研和Ｅ　的思想不同，形成了不同的模型，如　Ｍｏｒｔｏｎ提出的ＣＲＡＥ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　Ａｒｅａ　Ｅｖａｐｏｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ）模型＝３＿、Ｂｒｕｔｓａｅｒｔ等提出的　ＡＡ（Ａｄｖｅｃｔｉｏｎ—Ａｒｉｄｉｔｙ）模型ｌ＿４ｊ、Ｇｒａｎｇｅｒ提出的　Ｇｒａｎｇｅｒ模型｜＿５　］。一些学者如Ｈｏｂｂｉｎｓ　ｊ、刘绍民ｌ＿８　、　Ｘｕ　Ｅ９３将上面３种有代表性的互补相关模型进行了精度　比较和地域的适用分析，认为ＣＲＡＥ模型的结果比另　两种模型相对要好，三个模型在温带湿润地区应用较　好，而在半干旱和干旱地区不太理想。互补相关模型的　最大特点是简化蒸散机理，只需要常规气象观测资料就　可计算旬、月、年的陆面蒸发量。不足是忽略了大尺度天　气系统和忽略平流的影响，对短历时的气象要素随机变　化的反映不太灵敏，模型中各项的公式和公式中的一些　重要参数需要结合流域的特点，利用实际资料进行优选　推求。此外，模型在半干旱和干旱地区（土壤含水量是蒸　散发主要影响因素）应用结果不太理想，而在温带湿润　和亚热带湿润地区（大气是蒸散发主要影响因素）应用　结果则较理想ｌ＿１　¨］。　１．１．３　ＳＰＡＣ理论　Ｐｈｉｌｉｐｌ１　在总结和分析前人成果的基础上，提出了　比较完整的“土壤一植物一大气连续体”（Ｓｏｉｌ—Ｐｌａｎｔ—　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ，ＳＰＡＣ）的概念。Ｐｈｉｌｉｐ认为，　ＳＰＡＣ系统尽管界面介质不同、界面不一，但在物理上　却是一个统一的连续体，水在该系统中运动的各种流过　程，就象链一样互相衔接，而且完全可以应用统一的能　量指标——水势，来定量地研究整个系统中各个环节的　能量水平的变化，并计算出水分运动的能量。ＳＰＡＣ理　论的意义在于从理论上提出了水在土壤一植物一大气　系统转化运移的一般规律。　由于ＳＰＡＣ系统侧重于水分和能量垂直传输的研　究。因此，它的研究比较适合于水分以垂直传输为主的　干旱区域或者小尺度范围（如田间尺度），这也是它在内　陆盆地沙漠区域和农业领域应用较多的缘故Ⅱ卜坞］。在　干旱区内陆盆地内，由于降水极少，浅埋深的地下水通　过毛细上升作用为包气带补给水分，从而保证植物生长　所需的水分，因此，完整描述水在环境中的运动，还需要　考虑“四水”的垂直循环研究［１　。此外，在ＳＰＡＣ系统　中，由于植物受太阳辐射、大气温度、大气中ＣＯ　浓度、　土壤水和土壤中的养分等诸多因素的影响，使得精确描　述ＳＰＡＣ系统水分的传输非常困难，而且ＳＰＡＣ系统　中的植物没有作为一个实体进行研究口　。　１．１．４参考作物腾发量思想　在估算农作物蒸散发量ＥＴ的研究中，一些方法以　参考作物腾发量ＥＴ。为基础。其中，比较简单实用的方　法是作物系数法，它通过参考作物腾发量直接乘以相关　的影响因子或系数估算出作物腾发量。在传统地面试验　方法中，影响因子包括土壤水分因子Ｋｓ和作物系数　Ｋｃ，可由实际土壤水分状况和作物生长状况确定。在更　大的尺度（如全球尺度＿）上，则以遥感为手段通过与归一　化植被指数（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘ，　ＮＤＶＩ）或日表面温度差（ｄｉｕｒｎａｌ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｍｐｒａｔｕｒｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ，ＤＳＴＶ）等因素建立联系获取影响因子或系　数Ｌ１　９，２Ｏ］。作物系数法的优点是计算简便，仅需要一些常　规气象要素估算参考作物腾发量，然后由地面常规试验　或者遥感手段获取影响因子。不足是由试验确定的影响　因子，具有地域气候和作物种类的局限性，不适用于土　地利用复杂的区域ｌ＿ｒ　。由遥感手段获取影响因子时，因　方法原理本身的局限而不能普遍适用。　为了使估算蒸散发的方法具有普遍性，以作物生长　机理为基础的作物生长模型于２Ｏ世纪６Ｏ年代被提出，　目前各国学者根据研究问题的需要开发了不同模型。其　基本思想是，先计算潜在蒸散发，再基于叶面积指数　（Ｉ　ｅａｆ　Ａｒｅａ　Ｉｎｄｅｘ，ＬＡＩ）划分植被和裸地之间的引入能　量，然后计算潜在蒸腾和潜在蒸发。最后，土壤表面的实　际水分损失率取决于上层土壤部分的含水量，土壤根系　剖面的含水量影响作物实际蒸腾。尽管作物模型的研究　趋势是基于过程的动态机理模型，但是，现有作物模型　的研究仍存在几点不足：作物生长或环境动态的某些过　程（如ＬＡＩ的发展动态、叶片衰老过程、干物质分配等）　仍然是基于经验关系，对与实际生产密切相关的病虫害　影响因素和经济人文因素的研究不足。此外，目前作物　模型主要是单点（ｐｌｏｔ／ｆｉｅｌｄ—ｓｐｅｃｉｆｉｃ）模型，还不完全适　用于大尺度模拟　∞　。　对于流域尺度的蒸散发模拟，分布式流域水文模型　结合遥感和地理信息系统等技术手段，模拟水循环的各　要素过程，同时模拟出流域蒸散发量。在流域水文模型　中，先计算潜在蒸散发，然后考虑土壤水分、植被叶面截　雨、根系吸水等因素估算确定流域蒸散发量。由于在降　雨径流过程中，蒸散发不是影响径流量的决定因素，故　水文模型对其估算的精度要求不高。因此，在估算区域　蒸散发的研究中，水文模型应用较少ｌ＿Ｉ２　。　１．２遥感方法　能量平衡原理是遥感技术应用的重要理论基础。随　着遥感技术的发展和应用，利用遥感技术估算蒸散发已　成为研究的热点和趋势。遥感技术不能直接测量蒸散　发，但比起传统的气象学和水文学方法，遥感技术有两　方面重要作用：首先，遥感技术提供了外推站点测量或　将经验公式应用到更大区域的方法，包括气象资料极其　稀少的地区；其次，遥感资料可以用于计算能量和水分　平衡中的变量，如温度等。因此，利用遥感方法计算区域　尺度上的日蒸散发量能得到更准确的结果　。遥感方　法大体可分为４类：统计经验法、能量余项法、数值模　型、全遥感信息模型。