1.2　蒸散发观测方法

1.2.1　涡度相关法

涡度相关法（简称EC方法）作为观测蒸散发量的重要方法，经过长期的理论发展与技术进步，已经成为直接测定地表与大气间水汽交换的标准方法（温学发等，2004；宋璐璐等，2012）。涡度相关（Eddy Covariance，简称EC）的概念是取自于微气象学，指某种物质的垂直通量，通过计算这种物质的高频浓度与高频的垂直风速并取协方差得到，因此也称为涡度协方差法。这种方法最早出现于1895年，雷诺建立了雷诺分解法，即涡度相关的理论框架。1951年，澳大利亚著名微气象学家Swinbank提出利用涡度相关法计算水热和二氧化碳的垂直通量，并由此获取蒸散发量。涡度相关法可以提供长时间、高分辨率的气体通量，普遍用于森林、农田、草地等生态系统的水、碳氧化物、氮氧化物、甲烷等气体通量的测定（Massman，2000；Swinbank，1951）。其在应用时有一定复杂性和技术性，到目前为止，还没有出现一套适合各种下垫面情况的通用EC方法，并且在后期数据处理时需要运用非常复杂的数学方法（于贵瑞等，2006）。

用涡度相关法表示潜热通量的方程为

式中：λ为水的汽化潜热，J/kg；ET为蒸散发量，kg/m2/s；ρa为空气密度，g/m3； 为瞬时垂直风速测量值相对于一段时间内的滑动平均值脉动，m/s；为瞬时气体浓度测量值相对于一段时间内的滑动平均值脉动，μmol/mol；上划线为计算平均通量的时间长度（一般为30min，也有用1h），风速可以通过三维超声风速仪测定（Kaimal等，1991）。

涡度相关法的优点在于能通过测量各种属性的湍流脉动值来直接测量它们的通量，与其他方法相比，它并不是建立在经验关系基础之上，或从其他气象参量推论而来，而是建立在物理原理之上的一种直接测量乱流通量的方法，在各种实测方法中是比较精密和可靠的，并且该方法有利于蒸散发观测工作的长期开展（武夏宁等，2006；宋璐璐等，2012）。与其他传统的方法相比，该方法测量步长较短，可以获得高时间分辨率的蒸散发值。虽然EC方法应用比较广泛，但是存在一定的不足，如夜晚测量结果一般不够准确，其测量结果在能量上无法闭合（损失20％～30％）（Moncrieff等，2010），其所用仪器比较精密，所需维护成本较高以及后期对涡度相关数据的系列的校正与插补比较复杂，而且不同的站点校正与插补方法不一致，这造成了很大的困难（司建华等，2005；刘钰等，2009）。

1.2.2　波文比能量平衡法

波文比能量平衡法（简称波文比法）是Bowen于1926年根据能量平衡方程提出的，波文比的概念为显热通量（H）和水汽蒸发所吸收的热量（即潜热通量LE）的比值，这是一种相较于传统蒸散发实测方法理论性更强的方法。具体的计算公式如下：

式中：β为波文比；H为感热通量，J；λE为潜热通量，W/m2，其中λ=2.49×106J·kg-1，为水的汽化热，E为蒸散，kg/（m2·s）；ρ为空气密度，kg/m3；cp为空气定压比热，J/kg/k；Kv和Kλ分别为热量和水汽的湍流交换系数；z1为略高于植被冠层的平均高度，为0.01m；z2为略低于边界层的参考高度，为2m；T1和T2分别表示z1和z2高度的温度，℃；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；γ为干湿常数，kPa/℃；Γ为绝热递减率，℃/m；Rn为净辐射，W/m2；G为土壤热通量，W/m2。

波文比能量平衡法要求测量地面上两个高度之间的空气温差（T2-T1）以及同样高度间的水汽压差（ea-es）。波文比仪由上、下两层干湿球组成，早期的波文比仪上采用手动阿斯曼，之后出于高精度的要求，逐渐发展为换位式波文比仪，可以通过上下多次换位，用温差消除每个感应元件的系统误差。目前广泛应用的波文比仪有倾斜式和垂直式两种（黄妙芬，2003）。

波文比法简单而且精度很高，可以作为常规观测方法，并且可用于测量不饱和水分条件下的植被蒸腾情况（刘钰等，2009）。其缺点也比较明显，主要有以下两种：①对于复杂下垫面来说，Rn和G的测量存在一定的困难，甚至由于部分下垫面情况过于复杂无法直接测定G；②波文比法一般用于下垫面均匀且无平流影响的情况，否则测定出的蒸散量误差很大，这也限制了波文比法的适用范围（Allen等，2011）。

1.2.3　蒸渗仪法

蒸渗仪（lysimeter）是一种设在野外或者人工控制试验场，并且装满土壤的大型仪器。蒸渗仪法就是通过在蒸渗仪内布设观测仪器（如各种传感器、电子设备等），从而计算出蒸渗仪内的蒸发量的一种方法（刘翠红等，2014）。蒸渗仪是根据水量平衡原理设计的一种用来测量水文循环各主要成分的专门仪器，其主要分为大型蒸渗仪和微型蒸渗仪。大型蒸渗仪分为称重式和非称重式两种，由于这种大型仪器价格昂贵、操作不便等特点影响到了其广泛应用。微型蒸渗仪则是由一个用特殊材料（如PVC）制成的具有一定长度、一定内径的导管，其底部密封，只有内部会有水分损失，因此可以认为其损失水分即为蒸发水分（戴宏胜等，2009）。1937年，美国俄亥俄州的肖克顿安装了带有自动记录设备的蒸渗仪以后，该仪器的发展非常快，实现了农田蒸发蒸腾量的精确测量（刘士平等，2000）。目前，蒸渗仪已遍及世界各地，并且已发展成拥有各种不同类型的系列产品，其对蒸发蒸腾量的测定方法得到了不断的改进（葛帆等，2004）。

蒸渗仪的特点是：①可使蒸渗仪内的土壤特性与其外的大田保持一致；②它的面积和深度大可保证作物根系自由生长，使蒸渗仪内植株的数量和植物冠丛的结构、生理生态特征与其外的大田作物十分近似；③有优良的称重系统，很高的分辨率和精度，可以自动记录各时段的重量变化，求出短时段内的蒸发蒸腾量。④其成本高，装土困难，需定期仔细维护。Allen（1994）通过对比试验后提出，要确保蒸渗仪内的作物生长状况与周围大田相同，应最大限度地减少在其周围人为踩踏产生的影响，否则将会给估值带来30％以上的误差。尽管如此，它的观测结果仍为率定和校验其他方法提供了科学的依据。

1.2.4　闪烁仪法

基于大气光传播理论与湍流相似理论（Moni-Obukhov Similarity Theory，MOST）相结合的“闪烁仪法（Scintillometers Methods）”发展于20世纪70年代，观测尺度在公里级别，能进行水热通量的连续观测。闪烁仪法测算通量具体的理论原理是基于闪烁的孔径平均效应，由发射仪发射一定波长和直径的波束（可见光、红外光和微波），经过大气的传播，由接受仪接收到广成路径上的温度、湿度和气压波动影响的波束。因此，可以测量数千米光路径上的显热通量，测算值可表征区域平均情况（Wang等，1978；卢俐等，2005）。

闪烁仪法的工作方式大致分为“近红外波长”和“红外-微波双波长”方式。按照光学孔径将闪烁仪分为小孔径闪烁仪（Small Aperture Scintillometer，SAS）、大孔径闪烁仪（Large Aperture Scintillometer，LAS）和超大孔径闪烁仪（Extra Large Aperture Scintilometer，XLAS）。其中大孔径闪烁仪应用最为广泛，因为其具有较好的稳定性和可靠性，而且具有设备价格相对低廉、使用方便、维护及保养成本相对较低等优点。应用大孔径闪烁仪测算通量，需要观测期间的湍流条件满足大气光传播理论与湍流相似理论条件，但是由于不同的下垫面具有异质性，地表不均匀，大气光传播理论与湍流相似理论的适用条件需要进一步的调整，比如添加“掺混高度（blending height）”这一概念。同时，为了获取更加准确的蒸散发数据，必须对大孔径闪烁仪观测数据进行处理和质量控制，除了常规的方法，还需要在建立与观测区域实际推流特征相适合的关键计算参数的基础上，建立完善、可靠的数据质量控制技术体系。

闪烁仪法观测蒸散发量具有明显的优点，其空间尺度为公里级别，介于涡度相关法等常规观测方法与遥感模型估算尺度之间，能够很好地在理论上弥补传统观测方法在区域通量观测研究中的空间代表性不足和遥感监测精度相对较差等问题。但是这种方法也具有一定的局限性，主要表现在不能直接观测得到水热通量，需要进行间接地计算才能得到显热通量进而得到其他的通量（黄妙芬，2003；卢俐等，2005）。

1.2.5　液流法

液流法（sap flow）是将传感器垂直地放入植物木质部内，用以测量植物木质部水分流量，可以测定在短时间尺度上整株植物或者其分支的蒸腾量（Granier，1985；宋璐璐等，2012）。液流法的原理是通过测定植株体内的水分流动从而测定蒸散发量。该方法不受环境条件、冠层结构和根系特征的影响，方法简单，是测定蒸散量较为通用的方法（Granier，1987），在空间上，它可以应用在各种复杂的地形及下垫面条件；在时间上，不仅可以测定白天的植物蒸腾，同样可以测定夜间的植物蒸腾，并且其测量结果精度较高（Fisher等，2007）。

总体来说，液流法是测定个体植株蒸散的好方法，但是利用液流法时需要注意，该方法局限于单株植物的测定，如果用于大面积尺度的蒸散测定，往往会由于尺度扩展而带来很大的误差，通常不推荐使用（Granier，1985；Allen等，2011）。并且该方法无法测定土壤表面蒸发，从而在实际应用时很大程度上低估了研究区域的实际蒸散量；此外，还有个很重要的问题是传感器放入植物内部会对植物的生长造成一定影响，从而直接干扰了植物的正常生长和体内的液流过程，进而影响测出的植物蒸散发量（Fisher等，2007；Hultine等，2010）。