蒸散(ET)的测量方法与仪器

2025-11-07 15:56:18 点将科技 8

蒸散(Evaportranspiration,ET)是地表水分蒸发和植物蒸腾的总和,是水循环、能量平衡和植物生理活动中的关键环节。

测量方法大致可以分为四类:传统测量法基于微气象学的方法遥感估算方法模型估算方法

1、传统测量方法(点尺度)

这类方法直接测量或通过水量平衡计算ET,通常代表一个点或很小区域的数值


蒸渗仪被视为直接测量ET的基准方法,精度很高。是通过一个装满原状土和植物的容器,通过精确测量其重量或水量变化来计算ET。

相对于其他方法,其代表性有限,如果做大型地下室蒸渗,破坏性也越大


波文比能量平衡法通过测量净辐射、土壤热通量以及上下两个高度的空气温湿度差,计算潜热通量(即ET)。

优点是理论清晰,免去了对湍流交换系数的直接测量。缺点是在平流条件下(如干湿交界处)误差大;需要下垫面均一、大气稳定。

蒸散(ET)的测量方法

2、基于微气象学的方法(田块尺度)

这类方法通过测量大气湍流来直接计算水汽通量

涡动相关法:直接、快速测量垂直风速和水汽浓度的协方差,从而得到潜热通量。

直接测量ET,理论上是最可靠的通量测量方法,可长期连续自动观测。
缺点是设备非常昂贵,主流的进口品牌预算在50万元左右(不带安装塔和其他额外传感器),数据处理复杂(需要坐标旋转、频率响应校正等);存在能量不闭合问题;需要大面积的平坦均一下垫面。
观测范围约100m~10km,取决于安装高度。

闪烁仪:通过发射光束,测量因空气湍流造成的光强闪烁效应,反算出大面积上的感热通量,再结合能量平衡求算ET。

测量的是路径平均值(通常几百米到几公里),代表性好;适用于复杂下垫面(如起伏地形)。
缺点在于测量的是感热通量,需要其他观测数据(净辐射、土壤热通量)来推算ET;在湿润条件下精度会下降。

观测范围0.5km-10km。

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3、遥感估算方法(区域至全球尺度)

这类方法利用卫星或航空遥感数据,通过地表能量平衡模型反演ET。

利用遥感数据(如Landsat, MODIS)获取地表反射率、温度等,建立能量平衡模型(如SEBAL, SEBS, METRIC)计算ET。

优点:空间覆盖范围极广,可获取区域ET分布图;成本相对较低;可回溯历史数据。
缺点:时空分辨率矛盾(高空间分辨率卫星如Landsat重访周期长,如16天);需要地面气象数据辅助;瞬时结果需要时间尺度扩展才能得到日/月ET;在植被茂密或云覆盖下精度受限。

4、模型估算方法(彭曼公式)

Penman-Monteith方程是当前国际上公认的计算参考作物蒸散(ET₀)和实际作物蒸散(ETc)的标准方法。它结合了能量平衡原理和空气动力学原理,是一个物理意义明确的综合模型。

它所需要的数据相对比较容易得到,基础数据有气温、相对湿度、风速、太阳辐射或者日照时数。在数据质量较好的情况下,它能提供非常可靠的计算结果。
并且,联合国粮农组织(FAO)推荐其作为计算参考蒸散(ET₀)的唯一标准方法,这使得全球不同地区的研究结果具有可比性。

如何选择合适的方法?

选择哪种方法取决于研究目的预算所需尺度以及精度要求

  • 追求单点高精度,用于方法校准或基础研究:蒸渗仪是黄金标准。

  • 进行田块尺度的连续、高精度通量观测,且有充足预算:涡度相关系统是较好的选择,全球通量网(如FLUXNET)主要采用此法。

  • 预算有限,但需要田块尺度的可靠数据,且下垫面均一:波文比系统是一个很好的折中方案

  • 需要了解几百米到几公里尺度上的平均ET,特别是复杂地形:闪烁仪非常有用。

  • 需要获取大范围(如整个流域、省或国家)的ET空间分布图:遥感方法是可行的选择,通常需要结合地面站点数据进行验证和校正。

  • 预算有限,需其他方法的补充和验证,可选择彭曼公式方法。彭曼公式是利用气象观测数据来“计算”或“估算”ET值。它是许多测量方法和模型的理论基础。


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