三江平原大豆田蒸散特征及能量平衡研究

试验研究三江平原大豆田蒸散规律、水分利用效率及辐射收支和能量平衡研究结果表明 ,三江平原 5～ 9月份农田蒸散力基本与降雨量持平 ,正常年份作物生育期内降雨量能满足农田蒸散量的需求 ,大豆田蒸散量变化与大豆叶面积指数的变化呈相关性。大豆生育期内净辐射通量占总辐射的比例有所变化 ,播种～苗后期其比值约为 50 %左右 ,开花～结荚期约为 60 % ,灌浆～收获期约为 55%。大豆田能量平衡具有明显日变化与季节变化特征 ,净辐射收入的 90 %以上用于潜热消耗 ,而用于感热通量与土壤热通量的消耗则极少 ,整个生长季分别低于1.5%和 10 %。     

基于SEBAL模型的扎龙湿地蒸散量反演

以扎龙湿地为研究对象,利用SEBAL模型结合ETM 遥感影像、DEM及研究区附近12个站点的气象数据,反演得到净辐射量、土壤热通量、感热通量等地表能量通量;然后通过能量平衡方程得到潜热通量,并推算得到日蒸散量值.结合2001年的土地利用图分析了不同土地利用类型的日蒸散量特征,发现水体、沼泽地具有较高的日蒸散量,水田、草地、林地次之,旱地、未利用地、居民点较低,符合蒸散规律,说明SEBAL模型在区域蒸散量估算方面具有较大的实用性.     

冬小麦冠层温度及其影响因素探析

采用涡度相关法测定冬小麦农田潜热通量和显热通量 ,研究农田热量平衡各分量及风速对冠层温度和冠层 大气温差的影响结果表明 ,净辐射通量是影响冠层温度高低的主要能量因子 ,二者呈极显著线性相关关系 (α =0 .0 1) ,潜热通量、显热通量和土壤热通量对冠层温度的影响与天气状况有关 ,风速变化对冠层温度的影响作用不显著 ,而与冠层 大气温差间有较好的负相关关系     

地形效应下的区域蒸散遥感估算

在地表起伏地区,由于受到坡度、坡向等的影响,地表能量通量表现出与水平地表不一样的特征,为了定量表征起伏地表条件下的蒸散格局,以位于陕甘宁交界区的华池县、庆城县、镇原县、西峰区和合水县为研究区,从能量平衡原理入手,对各能量通量进行了量化计算,并着重考虑了蒸散的能量来源即地表净辐射的地形效应;同时,针对研究区地表特征,确定了土壤热通量的计算方案和感热通量的参数化方案,如零平面位移、动量粗糙长度、热量粗糙长度、动量和热量的稳定度校正项等算法;在此基础上,计算了研究区的瞬时蒸散,计算结果表明采用的蒸散遥感估算方案     

不同冠层阻力公式在玉米田蒸散模拟中的应用

在我国北方地区,水分供给一直是影响粮食产量的主要因素。玉米作为我国三大粮食作物之一,关乎其水分蒸散的观测和模拟一直是气象、水文、生态等相关学科的重要研究内容。研究玉米蒸散对于粮食安全、节水灌溉、提高作物水分利用效率具有重要意义。作为经典的双源模型,Shuttleworth-Wallace(SW)模型分别考虑土壤蒸发和植被蒸腾,非常适合于稀疏植被的蒸散估算。本文在SW模型中采用不同冠层阻力公式对玉米地蒸散进行模拟,并用涡度相关实测通量数据对模型的模拟效果进行验证。结果表明,采用Jarvis冠层阻力公式的SW1模型与采用Kelliher-Leuning冠层阻力公式的SW2模型模拟的蒸散量都与实测值吻合较好,相关系数均在0.85以上(P0.01),一致性指数都达到0.92以上。敏感性分析表明,SW模型估算蒸散对冠层阻力最敏感。在计算冠层阻力的各个参数中,SW1模型估算蒸散对田间持水量最敏感,其次是最小气孔阻力和有效叶面积指数;SW2模型估算蒸散对最大气孔导度最敏感。传统SW模型中,冠层阻力计算采用Jarvis公式,计算复杂。改用Kelliher-Leuning公式后,在一定程度上简化了模型的计算,更方便模型应用。     

蒸散的测定和模拟计算研究进展

蒸散是地表水分循环重要而复杂的过程。本文综述了近年来国内外蒸散测定和模拟的最新进展。在测定方法上,TDR、微蒸渗仪和涡度相关技术的使用明显增加及遥感技术的应用大大加强,自动化和传感器制造技术的进步,提高了蒸散测定的精度和时空分辨率。在模拟计算方面,应用Prierstley-Taylor公式、Penman公式、Penman-Monteith方程等单一模型较多,但研究上已转向以Shuttleworth-Wallace模型为基础可估算不同植被类型和下垫面蒸散的多层模型。遥感估算区域蒸散进展明显,已提出了多种遥感估算模式。互补相关模型也在估算区域蒸散上得到重视和应用。     

考虑作物生长状态的农田表面温度数据精量甄别与区分

农田表面温度是土壤、作物和大气之间进行水/热交换传输的重要参数,也是灌区遥感反演模型的重要参量。在利用热红外传感器连续获取农田表面温度数据时,由于作物的生长发育处于动态变化中,农田表面温度数据往往混合了作物冠层温度和土壤表面温度。为精准甄别和区分田间海量监测数据,该研究结合Logistic作物生长模型,通过考虑作物生长状态指标叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）和作物冠层高度及其关键节点,构建了农田表面温度监测数据的甄别算法。以内蒙古永济试验站玉米和向日葵实测数据对算法进行验证,并利用解放闸灌域和吉林省长春试验站的玉米和向日葵田间观测数据进行校核。结果表明：考虑LAI和作物冠层高度并利用Logistic模型模拟的关键节点来建立甄别算法,能够为农田稀疏植被表面温度数据甄别提供高效判定。与人工测量值对比,冠层温度优化幅度在10%左右（相对误差）,土壤表面温度优化幅度超过5%;甄别方法可以明显提升冠层和土壤表面温度的获取精度。甄别算法中校正因子数值需根据作物种植密度及LAI确定,其中玉米校正因子选择作物冠层温度校正因子0.9,土壤表面温度校正因子1.1;向日葵校正因子以叶面积指数最大值4为基础,选取冠层温度校正因子0.7,土壤表面温度校正因子1.2;在不同地区应用时,向日葵叶面积指数最大值每增加1,推荐冠层温度校正因子调高0.35,土壤表面温度校正因子调低0.18。研究结果为精量灌溉提供技术支撑,提高了农田监测数据的性能,为无人机遥感和卫星遥感数据的精量甄别提供算法和验证。     

若尔盖高原高寒草甸地表能量交换和蒸散研究

若尔盖高原高寒草甸生态系统是青藏高原能量和水分循环的重要组成部分,但该地区地面水热通量观测数据非常缺乏。本研究基于涡动相关法,于2013年11月1日−2014年10月31日,利用三维超声风温仪和红外开路二氧化碳/水汽分析仪在若尔盖高原一典型高寒草甸开展周年通量观测,以揭示其地表能量交换和蒸散特征及影响因素。结果表明：高寒草甸地表能量通量各组分呈显著的日变化和季节变化特征,净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年均值分别为94.5、21.0、51.8和1.2Wm−2。非生长季感热稍占优势,生长季潜热占绝对主导地位,波文比全年平均值为0.70,能量平衡闭合率年平均值为0.77。辐射是感热通量的主要气象影响因子,潜热通量则受温度、辐射和饱和水汽压差共同影响。日蒸散量变化范围为0.12～5.09mmd−1,全年平均值为1.82mmd−1。非生长季蒸散主要受土壤表面导度因子控制,生长季则由辐射主导,土壤和植被表面导度因子为次要影响因素。在季节尺度上,蒸散的变化取决于降水分布,全年降水和蒸散量分别为682.7mm和673.6mm,其中生长季分别占全年总量的84%和82%。6−7月降水匮乏抑制了蒸散,此时土壤储水成为蒸散的主要水源,从全年看,降水基本都以蒸散的方式返回大气。与青藏高原上同类观测研究相比,地表能量通量和蒸散都有相似的季节变化趋势,但观测到的年平均波文比和年蒸散量最大,气温、降水、地表植被等因素的共同作用导致这一结果。研究数据可作为地面验证资料,用于若尔盖地区陆面模式参数化方案的优化和卫星遥感反演资料的校验。     

由瞬时遥感蒸散量估算农田蒸散日总量的模式

在农田蒸散量日变化规律的基础上，导出了一个由瞬时遥感蒸散量估算农田蒸散日总量的计算模式。并用吴忠春小麦和民勤棉花的田间试验资料对导出的公式进行了验证。结果表明，利用真太阳时９：００～１５：００之间一日一次的瞬时遥感蒸散量由该模式可以较地的估算农田蒸散日总 量。     

区域蒸散和表层土壤含水量遥感模拟及影响因子

以甘肃省武威市为研究区域,应用灌溉前后两景Landsat TM-5卫星遥感数据,采用SEBAL模型进行了区域蒸散估算,综合应用归一化植被指数(NDVI)和地表温度(Ts),计算了该区域的条件植被温度指数(VTCI),并估算了表层土壤含水量(0～20 cm)。在获得区域净辐射通量、地表温度以及植被覆盖度空间分布的基础上,进一步对灌溉前后两景影像中日蒸散和表层土壤含水量的影响因素进行了分析。结果表明,区域蒸散和表层土壤含水量的遥感估算与地面同步观测值比较,能较好地反映研究区域的蒸散和地表含水量的空间变异特征。当土壤较干时,区域蒸散的空间分布变异较大,而表层土壤含水量的空间变异较小。在灌溉前后两景影像中,日蒸散与净辐射通量、地表温度和覆盖度之间都有极显著的相关性,决定系数均在0.90以上,而日蒸散量与表层土壤含水量的相关性以灌溉后较高。此外,表层土壤含水量与地表温度、覆盖度都呈显著的相关性,但比较而言,地表温度指数关系的离散性较小,相关系数也大。但地表温度、覆盖度与表层土壤含水量的相关性都依赖于土壤干湿程度,通常土壤越湿,相关性也越高。     

计算农田蒸散量的冠层温度法研究

目前,测算农田蒸散的方法有许多种,但都难以准确地求出大面积范围内的平均蒸散.红外测温技术由蒸散的估算提供了一种新的方法,本文在对几种冠层温度——蒸散模型评述的基础上,由实测资料用Brown-Rosenbefg模型计算了冬小麦郁闭地面后的农田蒸散并与波文比方法计算的蒸散做了比较.结果表明,该模型可以较好地用于计算作物郁闭地面后的农田蒸散.     

Evaluation of canopy temperature—evapotranspiration models over various crops

Canopy temperatures, when measured remotely, offer a method of estimating evapotranspiration with surface energy balance models. Equations which have been developed by others have been evaluated only at a limited number of locations and with a few crops. Our study was conducted at several locations with weighing lysimeters with a variety of crops around the United States: Brawley, CA; Temple, TX; Lincoln, NE; St. Paul, MN; Fargo, ND; Kimberly, ID; and Davis, CA, to evaluate evapotranspiration utilizing canopy temperature as an input into the surface energy balance. The results show that evapotranspiration calculated from the aerodynamic resistance form of the surface energy balance was well correlated with lysimeter measurements at all locations. The errors using the surface energy balance were less than 10% in all cases for full ground cover. The Bartholic—Namken—Wiegand method was more closely coupled to net radiation than canopy temperature.Under partial canopy cover, differences between the two models were apparent. The Bartholic—Namken—Wiegand model overpredicted when the actual evapotranspiration was above 200 W m^?2 because of its insensitivity to surface temperature. However, the surface energy balance model exhibited only a slight overprediction above 200 W m^?2 when a weighed composite surface temperature (representative of bare soil and crop temperature) was used. This small overprediction could be overcome by considering the soil heat flux term. There was no location bias in the surface energy balance model, which shows that it should work well at other locations.     

A comparison of operational remote sensing-based models for estimating crop evapotranspiration

The integration of remotely sensed data into models of evapotranspiration (ET) facilitates the estimation of water consumption across agricultural regions. To estimate regional ET, two basic types of remote sensing approaches have been successfully applied. The first approach computes a surface energy balance using the radiometric surface temperature for estimating the sensible heat flux (H), and obtaining ET as a residual of the energy balance. This paper compares the performance of three different surface energy balance algorithms: an empirical one-source energy balance model; a one-source model calibrated using inverse modeling of ET extremes (namely ET = 0 and ET at potential) which are assumed to exist within the satellite scene; and a two-source (soil + vegetation) energy balance model. The second approach uses vegetation indices derived from canopy reflectance data to estimate basal crop coefficients that can be used to convert reference ET to actual crop ET. This approach requires local meteorological and soil data to maintain a water balance in the root zone of the crop. Output from these models was compared to sensible and latent heat fluxes measured during the soil moisture–atmosphere coupling experiment (SMACEX) conducted over rain-fed corn and soybean crops in central Iowa. The root mean square differences (RMSD) of the estimation of instantaneous latent and heat fluxes were less than 50 W m⁻² for the three energy balance models. The two-source energy balance model gave the lowest RMSD (30 W m⁻²) and highest r² values in comparison with measured fluxes. In addition, three schemes were applied for upscaling instantaneous flux estimates from the energy balance models (at the time of satellite overpass) to daily integrated ET, including conservation of evaporative fraction and fraction of reference ET. For all energy balance models, an adjusted evaporative fraction approach produced the lowest RMSDs in daily ET of 0.4–0.6 mm d⁻¹. The reflectance-based crop coefficient model yielded RMSD values of 0.4 mm d⁻¹, but tended to significantly overestimate ET from corn during a prolonged drydown period. Crop stress can be directly detected using radiometric surface temperature, but ET modeling approaches-based solely on vegetation indices will not be sensitive to stress until there is actual reduction in biomass or changes in canopy geometry.     

表层有效土壤水分参数化及冠层下土面蒸发模拟

通过观测田间微气象数据、土壤表层水分变化状况及荞麦作物冠层下土面蒸发等资料,引进一个表面体积含水率的函数,构建了基于表层有效土壤水分的土壤蒸发模型。该模型包含了土面蒸发的2个过程:水蒸气从土壤孔隙中扩散到地表面及水蒸气由地表面传输到大气中。模型中表层有效土壤水分参数不仅取决于表层土壤含水状况,而且受风速影响。采用波文比能量平衡法及微型蒸发器观测荞麦地实际蒸腾蒸发量及冠层下土面蒸发的变化规律,并验证模型精度。结果表明,所构建模型可以成功预测冠层下土面蒸发,其平均相对误差为13.5%。该研究对于实现土壤蒸发及作物蒸腾的分离估算,减少无效水分消耗具有重要意义。     

基于能量平衡的喷灌作物冠层净截留损失估算

为了定量评价喷灌作物冠层截留损失，以地面灌为对照，利用热平衡茎流计对喷灌冬小麦和夏玉米冠层截留水量蒸发产生的蒸腾抑制效应进行了连续两年的田间观测，结果表明：各次灌水，喷灌冠层截留水量的蒸发明显影响田间小气候进而抑制作物蒸腾。喷灌冬小麦和夏玉米蒸腾抑制量变化范围分别为1.65～4.09 mm和0.50～2.75 mm。在此基础上，基于能量平衡原理，结合波文比能量平衡系统,计算出的冬小麦冠层净截留损失不足0.1 mm；夏玉米净截留损失变化范围在1～2 mm之间，占灌水量的4.3%～6.5%。     

Soil Evaporation and its Affecting Factors under Crop Canopy

Abstract

Based on field experiments, changing patterns and affecting factors of soil evaporation and energy balance under crop canopy were studied. Soil evaporation under crop canopy was measured directly using the microlysimetry technique. The main factors affecting soil evaporation under crop canopy including surface net radiation, leaf area index, soil water content, and crop growth period were analyzed to give scientific proof for the soil evaporation control. The results showed that no soil evaporation occurred under the crop canopy when net radiation was reduced to a threshold of 230.57 w/m². Under crop cover conditions, evaporation/evapotranspiration (E/ET) reduced with increases of crop leaf area index, followed by an exponential function to a leaf area index (LAI) threshold of 4. The cumulative evapotranspiration, transpiration, and evaporation under crop canopy conditions during the winter wheat growing season were 443.9 mm, 272.2 mm, and 171.7 mm, respectively, with E/ET having a relatively high value of 38.7%.     

苏南地区典型作物冠层阻力参数及潜热通量的模拟

准确测算和模拟农田潜热通量对农业生产有着重要意义。该研究基于波文比能量观测系统对苏南地区夏玉米和冬小麦生育期内潜热通量进行连续观测,采用Katerji-Perrier（KP）和Todorovic（TD）两种方法来确定Penman-Monteith（P-M）模型中冠层阻力参数,探究两种冠层阻力参数子模型的估算误差及成因。结果表明：冬小麦生育期内主要气象因子呈现相似变化趋势,净辐射日均值呈现出波动上升趋势。两种冠层阻力参数子模型对冬小麦潜热通量模拟均取得良好的模拟效果,模拟R2不小于0.84,纳什系数不小于0.86,但KP模型精度稍高于TD模型。KP模型对冬小麦和夏玉米潜热通量均有高估,而TD模型高估了夏玉米潜热通量,饱和水汽压差是影响KP和TD两种冠层阻力参数子模型误差的主要因素,且饱和水汽压差越大绝对误差越大。研究为当地农业用水管理提供科学依据。     

蒸发比法能量强制闭合及其对稻田蒸散量估算精度的影响

为探求节水灌溉稻田蒸发比(潜热通量与有效能量的比值,EF)变化特征及能量平衡闭合情况对稻田蒸散量测算的影响,该研究采用涡度相关系统,监测了2014-2016年节水灌溉稻田湍流通量过程,分析了稻田蒸发比的不同时间尺度的变化特征,对比了能量强制闭合前后湍流通量的比例与过程变化。结果表明,节水灌溉稻田EF与旱作物不同,小时尺度EF先减小后增加,在10:00-12:00时段的数值最为稳定。水稻全生育期EF均在0.7～1.0之间变化,均值约0.93,潜热蒸散是稻田主要的能量消耗项。能量强制闭合修正后湍流通量明显增加,日峰值差异最大,昼夜交替时,稻田能量平衡处于过闭合状态;能量强制闭合后不同时间尺度上的蒸散量都明显增加,能量强制闭合是涡度相关法准确计算蒸散量的前提。研究结果可为稻田蒸散量准确测算与蒸散模型扩展研究提供重要的数据支撑与方法。     

不同水源灌溉对水稻高温热害影响的微气象学分析

高温热害是长江中下游地区水稻常见的农业气象灾害,井水和池塘水灌溉是水稻高温热害过程中常用的农业措施。为研究高温热害下不同灌溉水源对稻田微气象的影响,以两优培九为研究对象,在高温热害期间（2016年8月12-18日）开展田间试验。试验分3个处理,T1：用池塘水每日8：00灌溉,田间水层达10cm后停止,18：00排干,灌溉水温平均30.5℃;T2：用井水每日8：00灌溉,田间水层达10cm后停止,18：00排干,灌溉水温平均18.2℃;CK：试验开始当天用池塘水灌溉至田间水深达10cm后停止,夜晚不排放,当田间水深低于5cm时补充灌溉至10cm,试验期间每日8：00田间平均水温27.2℃。对稻田不同层次的土温和水温、水稻冠层不同层次温湿度、冠层顶部（120cm）叶温、冠层上方太阳辐射等指标进行测定,用Penman-Monteith分层模式计算稻田能量平衡各分量的日变化。结果表明：白天（8：00-18：00）,所有处理各层次冠层内气温和地温均为T1>CK>T2,随着冠层高度增加,处理间气温差异逐渐减小;随着土壤深度增加各处理间地温差异逐渐减小。夜间（18：00-次日8：00）,各处理间5cm地温差异最大,其次为冠层40cm处。不同灌溉水温改变了各处理的能量平衡分量,水体含热量的变化（Q）表现为T2>CK>T1,土壤热通量（G）、显热通量（H）和潜热通量（LE）均表现为T1>CK>T2。说明较高温度的池塘水灌溉加重了水稻的高温热害,而较低温度的井水灌溉对抵御高温热害有良好效果。     

东北地区耕地扩张对地表增温/降温的生物物理机理分析

土地利用/覆盖变化对气候具有重要影响,为探讨耕地扩张的气候效应,基于土地利用数据及MODIS遥感资料,采用窗口搜索法,利用能量平衡的原理,研究2000−2018年东北地区耕地扩张的潜热和净短波辐射通量变化,分析耕地扩张对地表温度的影响。结果表明：（1）研究期内东北地区耕地面积增加1.6×104km2,主要来自林地和草地,分别占耕地扩增面积的16.33%和76.24%。（2）与林地相比,耕地白天对地表具有增温作用,夜间具有降温作用,全天具有增温作用,并具有明显的季节特征。夏秋季节耕地的蒸散发弱于林地,潜热通量比林地少,导致耕地对地表具有增温作用,冬季耕地的净短波辐射远少于林地,导致耕地对地表降温。（3）与草地相比,耕地夜间总体的降温效应稍强于白天的增温效应,使耕地全天对地表具有降温效应,并具有不同的季节特征。夏秋季节耕地的蒸散发强于草地,耕地的潜热通量比草地多,成为耕地对地表降温的主要原因,而在春冬季节,耕地与草地吸收的净短波辐射差异较小,同时潜热差异也较小,因此对地表的增温/降温效应不明显。