蘆文豪 朱駿 盧冰冰

摘 要：蒸散是地表水分循環(huán)中重要而復雜的過程。文章將探討渦動相關技術在運用于長白山闊葉林中的蒸散的估算研究。利用開路渦動相關系統(tǒng)測定長白山闊葉紅松林蒸散量（潛熱通量LE）、凈輻射（Rn）、顯熱通量（H）、平均絕對溫度（TA），統(tǒng)計出生長季初期和生長季旺盛期的蒸散特征。研究得出，潛熱通量與凈輻射（Rn）呈二次曲線關系，與氣溫（TA）呈指數(shù)關系，模擬出的LE日總量與Rn、TA以及飽和水汽壓經(jīng)驗關系式，并對缺值進行插補。

關鍵詞：潛熱通量;蒸散;渦相關動

中圖分類號：S161.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

1 引言

研究陸地表面蒸散過程的意義有兩個重要方面：其一是蒸散關聯(lián)地—-氣系統(tǒng)的物質(zhì)能量交換，影響全球變化的預測，另外區(qū)域蒸散的顯著變化又反映區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的改變[1]。因此，研究如何準確測量和模擬森林蒸散量對于充分了解森林水循環(huán)和森林體積流量的水平衡具有重要的理論價值，同時為森林水資源利用和森林生態(tài)系統(tǒng)管理合理發(fā)展提供科學依據(jù)。[2]在全球變化期間，長白山的闊葉紅松林是中國東北樣帶東部最典型的生態(tài)系統(tǒng)。它在東北地區(qū)的氣候調(diào)節(jié)和生態(tài)平衡與穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用。這是一種溫帶的天然針闊葉混交林，沒有受到人類的干擾。通過研究樹木的年輪，發(fā)現(xiàn)樹木的年齡分布范圍相對較大，主要樹種（例如紅松、菩提樹和楓樹）的最高年齡在260～300年之間。其中，最老的樹（水曲柳）已達到450年[3]。這不僅對生態(tài)系統(tǒng)熱平衡和森林蒸散的研究具有重要意義，而且為當?shù)厮Y源的開發(fā)和研究以及水土保持效益的綜合分析提供了科學依據(jù)。

2 研究區(qū)域與觀測系統(tǒng)簡介

2.1 研究地概況

長白山坐落于中國吉林省的東南部，在中國和朝鮮的交界處。它位于北緯41°23′～42°36′'N、東經(jīng)126°55′～129°E。長白山是近代巨大的休火山，位于中國境內(nèi)的白云峰，植被和土壤分布特征也構成了溫帶大陸東岸的典型山區(qū)垂直景觀帶譜[4]，其中也有東亞典型的山地森林生態(tài)系統(tǒng)。因此，長白山生態(tài)系統(tǒng)已成為中國乃至世界上最完整的自然生態(tài)系統(tǒng)保護區(qū)之一。

2.2 觀測系統(tǒng)簡介

在長白山闊葉紅松林的一號標準樣地中，有一座個62 m高的微氣象觀測塔。從冠下2.5 m到冠上60 m共有9個觀測平臺，它們可以盡可能滿足垂直比例森林微氣象的觀測要求。在森林冠層的上方和下方安裝了一個開路式渦度相關系統(tǒng)，以觀察森林-大氣與土壤-大氣之間的CO2/H2O/能量交換。通?？梢杂^察到7層常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)來連續(xù)測量森林氣象因子。

3 研究方法

根據(jù)渦動相關理論， 水、熱渦動通量可以通過下列方程式（1）和式（2）計算：：

式中：H為感熱通量;LE為潛熱通量，正值表示水、熱從森林向大氣傳輸，負值則與之相反。Pa為空氣密度，它是空氣溫度、水汽濃度與氣壓的函數(shù)，可通過公式計算。

式中：e為水汽壓;Rd為干空氣比氣體常數(shù)，取值為287 J·kg-1·K-1;Pv為水汽濃度;Cp為空氣定壓比熱，取值為1 004 J·kg- 1·K- 1;w'為垂直風速脈動值;Tc為空氣溫度脈動值;L為汽化潛熱，它是溫度的函數(shù)，L=（ 2 500.78-2.360T）J·g-1;E為蒸散量;Pv為水汽濃度脈動值;上橫線表示在一定時間間隔上的平均值， ，在這里通量平均化時間為30 min。開路式渦動相關系統(tǒng)由于紅外光路暴露在外，受降雨、飄霧或霜天氣影響，觀測數(shù)據(jù)有時會與正常值有較大的誤差。對于誤差值，通常的做法是除去誤差值，然后根據(jù)相近的正常值內(nèi)插，但這有待商榷。

4 結果分析

4.1 混交林蒸散的日變化

從圖2和圖3可以看出，LE的晴天日變化表現(xiàn)為：夜間較低，變化較小，但在日出之后逐漸升高，在中午達到最大值（中午11：00時的潛熱通量LE為264.66 w/m-2），并逐漸降低直到傍晚變得穩(wěn)定。在生長季節(jié)開始時，潛熱通量LE將在早晨隨著凈輻射Rn的增加而增加，而在下午隨著凈輻射的減少小而減小。下午6：00時后，它將降為0或負數(shù)。在生長季節(jié)開始時，LE的主要熱源是長白山的闊葉紅松林，而非生長季節(jié)的主要熱輸出是H。原因是在旺盛的生長季節(jié)中，Rn、Ta和葉面積指數(shù)相對較高，并且降雨充足，導致蒸散量高于生長季節(jié)初期。結果表明，在旺盛的生長季節(jié)，植被生理活動（蒸騰作用）消耗的能量較高。生長季節(jié)開始時在物理環(huán)境中消耗的能量更高。

4.2 混交林蒸散的季節(jié)變化特征

從圖4中可以看出，5月份進入生長季，帶來了更多的雨水，相應地的可利用的太陽輻射能和葉面積指數(shù)也隨之增加，在這時候LE也會逐漸增加，并在6月份達到全年最大值，高達79.78 w/m-2，7月和8月是生長季的旺盛期，進入9月份生長季末期之后，雨季結束，土壤濕度急劇降低，水分條件成為了主要的限制因素，闊葉樹林葉片子開始凋落，植物生理活動減弱，葉面積指數(shù)也迅速下降，LE由8月的74.06 w/m-2急劇減少到9月份的51.91w /m-2，

從圖5中可以看出進入生長期初期之后，Rn和Ta持續(xù)上升，并都于6月份達到頂峰。夏季到來，氣溫上升，輻射增加，帶來了充分的水汽傳輸。Ta月平均于6月達到頂峰之后，7月份有小小幅的下降，直接影響LE的變化趨勢。8月份Ta重新上升達到了292.62K，進入9月份之后，生長期末期，氣溫急劇降低，導致了LE同時下降至51.91 w/m-2，而凈輻射于6月份達到頂峰162.08 w/m-2之后，持續(xù)穩(wěn)定保持下降的趨勢，直到進入生長期末期，下降至88.61 w/m-2。

從圖6中可以看出，進入5月份之后，隨著氣溫的升高，凈輻射增加，葉面積指數(shù)相應升高。夏天的到來，持續(xù)的高溫和充沛的雨水共同作用導致LE的增加，，在生長季初期（5月）和末期（9月），由于樹木葉片處于萌芽或者凋萎期，葉面積變化較大。而在生長旺盛期（6月～8月），樹木已完全展葉，葉面積相對較為穩(wěn)定，LAI與蒸散有著不可或缺密切的關系。