蒸散发尺度效应与时空尺度拓展
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天津武清
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作者许迪
出版社科学出版社
ISBN9787030416117
出版时间2015-09
装帧精装
开本16开
定价288元
货号23777276
上书时间2024-12-23
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前言
导语摘要
《蒸散发尺度效应与时空尺度拓展》以973计划课题和国家自然科学基金项目研究成果为基础，围绕 蒸散发尺度效应与时空尺度拓展，系统构建和阐述相关方法与模型及其应 用案例。第1章为绪论。《蒸散发尺度效应与时空尺度拓展》主要内容分为上、下两篇，第2？8章主要 阐述不同尺度蒸散发观测和估算方法，描述不同尺度蒸散发变化规律及其 尺度效应，对比分析蒸散发时间尺度拓展方法，构建蒸散发空间尺度提升 与转换方法，开展区域（灌区）尺度蒸散发估算模型研究；第9？12章 以华北地区为背景，基于蒸散发尺度效应，借助相关模型开展不同空间尺 度下的农业用水效率与效益评价。
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目录
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总序
前言
第1章绪论1
1.1蒸散发测定和估算研究现状与发展趋势2
1.1.1ET测定方法2
1.1.2ET估算方法7
1.2蒸散发尺度效应和时空尺度扩展与提升研究现状及发展趋势10
1.2.1ET尺度效应及其主控影响因子识别11
1.2.2ET时间尺度扩展12
1.2.3ET空间尺度提升与转换13
1.3基于蒸散发尺度效应的农业用水效率与效益评价研究现状及发展趋势15
1.3.1农业用水效率评价15
1.3.2农业用水效益评价19
1.4主要研究内容22
1.4.1蒸散发尺度效应和时空尺度扩展与提升方法22
1.4.2基于蒸散发尺度效应的农业用水效率与效益评价23
上篇蒸散发尺度效应与时空尺度扩展及提升
第2章不同尺度蒸散发测定方法与观测试验27
2.1不同尺度蒸散发测定方法27
2.1.1叶片尺度27
2.1.2植株尺度29
2.1.3田块尺度30
2.1.4农田尺度31
2.1.5区域(灌区)尺度34
2.2不同尺度蒸散发观测试验39_
2.2.1北京大兴试验站40
2.2.2北京通州试验站43
2.2.3山东位山试验站48
2.2.4河北白洋淀试验站51
2.3小结56
第3章不同尺度蒸散发变化规律与尺度效应58
3.1叶片尺度蒸腾变化规律58
3.1.1冬小麦58
3.1.2夏玉米62
3.2植株尺度蒸腾变化规律69
3.2.1夏玉米植株蒸腾变化规律69
3.2.2夏玉米茎秆直径变化规律73
3.3田块尺度蒸散发变化规律74
3.3.1冬小麦74
3.3.2夏玉米90
3.3.3湿地植被94
3.4农田尺度蒸散发变化规律98
3.4.1井灌区冬小麦-夏玉米轮作98
3.4.2渠灌区冬小麦-夏玉米轮作105
3.5区域(灌区)尺度蒸散发变化规律108
3.5.1冠层气孔导度和Priestley-Taylor系数108
3.5.2ET季节变化108
3.5.3ET年际变化111
3.6蒸散发尺度效应及其主控影响因子115
3.6.1ET尺度效应115
3.6.2影响ET尺度效应的主控因子识别120
3.7小结130
第4章不同尺度蒸散发估算方法131
4.1基于双作物系数模型的农田尺度蒸散发估算方法131
4.1.1模型基本原理131
4.1.2模型率定与验证133
4.1.3农田尺度ET组分估算136
4.2基于遥感反演模型的区域(灌区)尺度蒸散发估算方法138
4.2.1模型构建138
4.2.2遥感数据及地表植被参数化143
4.2.3模型地面验证146
4.2.4区域(灌区)尺度ET空间分布150
4.3基于分布式生态水文模型的区域(灌区)尺度蒸散发估算方法153
4.3.1灌区基础数据来源154
4.3.2气象数据空间尺度转换155
4.3.3模型构建157
4.3.4模型验证161
4.3.5区域(灌区)尺度水量平衡要素估算163
4.3.6基于分布式生态水文模型与遥感反演模型的区域(灌区)尺度ET对比164
4.4基于数据同化方法优化的区域(灌区)尺度蒸散发估算方法165
4.4.1数据同化方法165
4.4.2数据同化方法在分布式生态水文模型中的集成应用169
4.4.3改善区域(灌区)尺度地表能量通量估算效果170
4.5小结177
第5章蒸散发时间尺度扩展方法.178
5.1蒸散发时间尺度扩展方法178
5.1.1从瞬时到日的ET时间尺度扩展方法178
5.1.2从日到全生育期的ET时间尺度扩展方法181
5.2冬小麦和夏玉米生长期从瞬时蒸散发到日的时间尺度扩展183
5.2.1位山试验站不同下垫面从瞬时ET到日的时间尺度扩展183
5.2.2大兴试验站冬小麦生长期从瞬时ET到日的时间尺度扩展187
5.2.3大兴试验站夏玉米生长期从瞬时ET到日的时间尺度扩展192
5.3冬小麦和夏玉米生长期从日蒸散发到全生育期的时间尺度扩展199
5.3.1大兴试验站冬小麦生长期从日ET到全生育期的时间尺度扩展200
5.3.2大兴试验站夏玉米生长期从日ET到全生育期的时间尺度扩展206
5.4小结211
第6章蒸散发空间尺度提升与转换方法213
6.1蒸散发空间尺度提升213
6.1.1ET空间尺度提升方法213
6.1.2冬小麦基于冠层导度空间尺度提升模型的ET估算215
6.1.3夏玉米基于冠层导度空间尺度提升模型的ET估算224
6.2蒸散发空间尺度提升方法改进232
6.2.1阴阳叶冠层导度提升模型232
6.2.2夏玉米阴阳叶冠层导度提升模型率定与验证236
6.2.3夏玉米基于阴阳叶冠层导度提升模型的ET估算241
6.3蒸散发空间尺度转换242
6.3.1相邻空间尺度ET转换243
6.3.2跨空间尺度ET转换.244
6.3.3ET空间尺度转换关联参数245
6.4小结246
第7章基于水热耦合平衡方程的区域(灌区)尺度蒸散发估算模型247
7.1水热耦合平衡原理与方程247
7.1.1多年时间尺度水热耦合平衡方程248
7.1.2任意时间尺度水热耦合平衡方程255
7.2基于任意时间尺度水热耦合平衡方程的年内实际蒸散发估算257
7.2.1年内时间尺度农田实际蒸散发估算258
7.2.2年内时间尺度区域(灌区)实际蒸散发估算260
7.3基于多年时间尺度水热耦合平衡方程的年际实际蒸散发估算264
7.3.1估算模型及应用264
7.3.2多年时间尺度估算模型率定和验证266
7.3.3年时间尺度估算模型率定和验证268
7.4小结269
第8章基于互补相关理论的区域(灌区)尺度蒸散发估算模型271
8.1蒸散发互补相关理论与模型271
8.1.1蒸散发互补相关关系272
8.1.2蒸散发互补相关模型及其无量纲化分析273
8.2综合考虑平流-干旱和Granger模型的蒸散发互补相关模型275
8.2.1蒸散发互补相关模型湿润指数合理性分析276
8.2.2综合性模型构建与验证277
8.2.3综合性模型边界条件与参数稳定性279
8.3蒸散发互补相关非线性模型280
8.3.1蒸散发互补相关模型边界条件特征280
8.3.2非线性模型构建与验证281
8.3.3非线性模型与平流-干旱模型和综合性模型的对比分析282
8.3.4非线性模型与P-M-KP模型的对比分析284
8.4基于蒸散发互补相关非线性模型分析实际与潜在蒸散发的关系289
8.4.1基于非线数模型的理论分析289
8.4.2日和半小时时间尺度验证.291
8.4.3年时间尺度验证293
8.5基于互补相关理论的潜在蒸散发变化趋势分析295
8.5.1潜在蒸散发变化趋势特征值与耕地面积占比的相关性295
8.5.2“农业站点”与“自然站点”潜在蒸散发变化趋势对比296
8.5.3潜在蒸散发变化趋势分析297
8.6基于蒸散发互补相关模型的区域(灌区)尺度潜在蒸散发估算300
8.6.1景泰川灌区概况300
8.6.2景泰川灌区潜在蒸散发变化规律及其影响因素302
8.6.3引黄灌溉对景泰川灌区潜在蒸散发的影响304
8.6.4基于灌溉对蒸散发能力影响的景泰川灌区灌溉需水量预测306
8.7小结309
下篇基于蒸散发尺度效应的农业用水效率与效益评价
第9章基于水氮作物耦合模型的通州大兴井灌区农田水氮利用效率评价313
9.1水氮作物耦合模型构建313
9.1.1农田土壤水分运动模型314
9.1.2土壤溶质运移模型317
9.1.3土壤氮素迁移转化模型318
9.1.4土壤热运动模型319
9.1.5作物生长模型320
9.2水氮作物耦合模型率定与验证324
9.2.1耦合模型输入数据及参数324
9.2.2耦合模型率定324
9.2.3耦合模型验证329
9.2.4模拟结果分析341
9.3基于水氮作物耦合模型的农田水氮利用效率评价344
9.3.1研究区概况.344
9.3.2土壤？气象？作物基础数据345
9.3.3初始与边界条件及模型参数确定347
8.3.4非线性模型与P-M-KP模型的对比分析284
8.4基于蒸散发互补相关非线性模型分析实际与潜在蒸散发的关系289
8.4.1基于非线数模型的理论分析289
8.4.2日和半小时时间尺度验证291
8.4.3年时间尺度验证293
8.5基于互补相关理论的潜在蒸散发变化趋势分析295
8.5.1潜在蒸散发变化趋势特征值与耕地面积占比的相关性295
8.5.2“农业站点”与“自然站点”潜在蒸散发变化趋势对比296
8.5.3潜在蒸散发变化趋势分析297
8.6基于蒸散发互补相关模型的区域(灌区)尺度潜在蒸散发估算300
8.6.1景泰川灌区概况300
8.6.2景泰川灌区潜在蒸散发变化规律及其影响因素302
8.6.3引黄灌溉对景泰川灌区潜在蒸散发的影响304
8.6.4基于灌溉对蒸散发能力影响的景泰川灌区灌溉需水量预测306
8.7小结309
下篇基于蒸散发尺度效应的农业用水效率与效益评价
第9章基于水氮作物耦合模型的通州大兴井灌区农田水氮利用效率评价313
9.1水氮作物耦合模型构建313
9.1.1农田土壤水分运动模型314
9.1.2土壤溶质运移模型317
9.1.3土壤氮素迁移转化模型318
9.1.4土壤热运动模型319
9.1.5作物生长模型320
9.2水氮作物耦合模型率定与验证324
9.2.1耦合模型输入数据及参数.324
9.2.2耦合模型率定324
9.2.3耦合模型验证329
9.2.4模拟结果分析341
9.3基于水氮作物耦合模型的农田水氮利用效率评价344
9.3.1研究区概况344
9.3.2土壤？气象？作物基础数据345
9.3.3初始与边界条件及模型参数确定347
11.4基于SWAT模型的农业用水效率与效益综合评价409
11.4.1研究区概况409
11.4.2SWAT模型412
11.4.3模拟结果分析421
11.4.4农业用水效率与效益综合评价422
11.5小结428
第12章基于生态服务功能评价模型的白洋淀湿地水资源利用效率评价430
12.1湿地生态服务功能评价430
12.1.1研究区概况431
12.1.2气候调节功能分析433
12.1.3湿地生态服务功能评价模型439
12.1.4湿地生态服务功能价值评估442
12.2湿地生态环境需水量估算448
12.2.1单元蒸散发总量推求及验证449
12.2.2湿地生态环境需水量估算模型与结果455
12.3湿地水资源利用效率分析评价458
12.3.1湿地水资源利用效率评价方法459
12.3.2湿地水资源利用效率评价结果464
内容摘要
《蒸散发尺度效应与时空尺度拓展》以973计划课题和国家自然科学基金项目研究成果为基础，围绕 蒸散发尺度效应与时空尺度拓展，系统构建和阐述相关方法与模型及其应 用案例。第1章为绪论。《蒸散发尺度效应与时空尺度拓展》主要内容分为上、下两篇，第2？8章主要 阐述不同尺度蒸散发观测和估算方法，描述不同尺度蒸散发变化规律及其 尺度效应，对比分析蒸散发时间尺度拓展方法，构建蒸散发空间尺度提升 与转换方法，开展区域（灌区）尺度蒸散发估算模型研究；第9？12章 以华北地区为背景，基于蒸散发尺度效应，借助相关模型开展不同空间尺 度下的农业用水效率与效益评价。
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精彩内容
第1章绪论
在当今世界面临的人口、资源、环境三大问题中，水资源短缺是首要问题之一。由于我国水资源时空分布不均，水土资源布局不相匹配，我国西北、华北和东北部分地区的水资源供需矛盾十分尖锐，而南方部分地区也出现了严重的季节性和水质性缺水问题，农业领域首当其冲。为此，解决或有效缓解农业水资源短缺问题的根本出路在于强化农业水管理发展策略与对策，采用高效节水的水资源利用模式与方法，大幅度提高农业用水效率(许迪等，2010a)。
蒸腾与蒸发（简称蒸散发，ET)作为区域水量平衡和能量平衡的主要组分，不仅在水循环和能量循环过程中起着极其重要的作用，也是连接生态过程与水文过程的重要纽带，更是有效评价农业用水效率的重要基础和关键环节。开展以ET为核心的农业水管理研究，对推动区域社会人水和谐发展具有重要意义。随着对ET测定和估算方法的不断改进与完善，人们发现ET尺度效应正极大地影响着人们对不同时空尺度水量平衡和能量平衡过程的认识。其中’大尺度下的ET并非是小尺度ET值的简单叠加’而小尺度下的ET也不能通过简单的插值或分解得到，两个尺度ET之间存在着复杂的非线性关系。以往人们对ET的研究多集中在田间小尺度，但在实际应用中，区域耗水量的动态变化及其分布对农业水资源配置和灌溉管理具有更重要的价值。因此，监测不同尺度下的ET、客观描述其空间异质性和时间变异性、构建不同时空尺度间的定量转换模型已成为全面了解农业生态系统信息资源的有效手段和核心内容，也成为贯穿农业用水效率评价的基础性科学问题。
ET多时空尺度耦合关系的缺乏会导致人们对农业用水效率评价的片面性，导致灌溉制度确定的不科学性。近年来，国内外不少学者开展了相关研究，但尚未取得突破性进展，这主要是由于一方面ET过程及农业用水效率是涉及作物、气象、土壤等众多因子的复杂异质性系统，有限的财力和资源使得对大多数因子的测定往往被局限在短时间、小范围内，可利用的典型实测值严重不足；另一方面则由于农业用水效率与空间异质性及可重复利用的水量之间关系密切，人们对多时空尺度下的农业用水效率分异规律及其影响机理尚不明晰。
要实现农业高效用水的目标，正确认识农业用水效率与效益的内涵和外延十分必要，而ET作为农田系统水量平衡和能量平衡的*主要组分，具有明显的时空尺度效应。为此，要想科学合理地全面评价农业用水效率与效益就离不开ET尺度效应分析。从ET时空尺度效应的视角出发，构建农业用水效率与效益评价体系，对提高农业水资源管理利用水平具有重要的意义和作用。
1.1蒸散发测定和估算研究现状与发展趋势
国外对ET的研究已有200多年历史’取得了一系列成果。在1802年提出了综合考虑风、空气温度、湿度对蒸发影响的道尔顿（Dalton)蒸发定律后’蒸发理论计算才有了明确的物理意义’该定律对近代蒸发理论的创立起到决定性作用。1926年’Bowen从能量平衡原理出发，提出计算ET的波文比能量平衡法（Bowen，1926)。1939年，Thomthwaite和Holzman利用近地面边界层相似理论，建立了计算ET的空气动力学方法（ThomthwaiteandHolzman，1939)。1948年，Penman和Thomthwaite同时提出“蒸发力”的概念及其相应计算公式（Penman，1948;Thomthwaite，1948)。1951年，Swinbank提出米用涡度相关法计算各种湍流通量（Swinbank，1951)。20世纪50年代，苏联学者提出大区域平均蒸发量的气候学估算公式及其水量平衡法（司建华等，2005)。1965年，Monteith在研究下垫面ET时引入冠层阻力的概念，导出了著名的Penman-Monteith公式（简称P-M公式），为非饱和下垫面的ET研究开辟了新的途径（Monteith，1965)。20世纪70年代末’Hillel等（1980)从土壤水运动规律出发，结合土壤物理学原理确定蒸发量，开辟了蒸发计算领域的另一重要分支。1966年，Philip提出较完整的土壤一植被一大气连续系统（SPAC)的概念，将土壤一植被一大气系统视为一个连续、动态的复杂反馈系统进行深入研究，克服了利用传统方法存在的缺陷，在理论上是继Monteith之后ET计算领域的又一重大突破（Philip，1966)。20世纪70年代初以来，遥感技术被应用在区域ET测定方面（司建华等，2005)。目前，在叶片、单株、田块、农田和区域（灌区）等不同尺度上测定和估算ET的方法较多，初步形成不同时空尺度ET监测和估算的理论构架及方法体系。
1.1.1ET测定方法
ET实测是开展多时空尺度模拟的基础，随着科学技术的迅猛发展和学科之间的相互渗透，各种新的ET测定方法不断涌现并显现出其独特的优越性。与此同时，一些经典的ET测定方法也不断得到改进和完善，一大批先进的仪器设备在科研和实践中孕育和诞生，使得ET观测的高精度和自动化成为可能，在大大提高观测结果可靠性和工作效率的同时，有效节约了人力物力（屈艳萍等，2006)。
ET测定方法主要包括叶片水平上的光合作用仪法；单株水平上的热技术法（热平衡法、热扩散法和热脉冲法）；田块和农田尺度上的蒸渗仪（测坑）法、水量平衡法、涡度协方差法、波文比能量平衡法；区域（灌区）尺度上的大孔径激光闪烁仪法、遥感法和水量平衡法等，各种ET测定方法的区别见表1-1。
表1-1各种ET测定方法的区别
1.1.1.1光合作用仪法
研究植物生理生态特性可从生理机制上探讨植物物质代谢、能量流动以及植物在不同环境条件下的适应性，光合作用仪作为一种典型的测定植物叶片蒸腾的仪器，大约在20世纪50年代就开始有小规模的商业产品问世，并逐步形成规模化生产。目前，光合作用仪已被广泛应用于研究植物叶片蒸腾与光合作用的动态变化规律（Pengetal.’2007)、植物对变化环境（光、温、水、气、营养等）的生理生态响应机制（Irmaketal.，2008;MaruyamaandKuwagata，2008)，以及植物生长过程动态模拟（Friend，1995;Mulleretal.，2014)等，由于能够从植物生理机制上解释许多问题，因而该仪器得到了日益广泛的重视与应用。
1.1.1.2热技术法
热技术法（热平衡法、热扩散法和热脉冲法）是指在树木自然生长状态下，测量树干木质部上升液流流动速率及流量，从而间接确定树冠蒸腾耗水量。
热脉冲法*早由德国科学家Huber(1932)用于测量单株树木的木质部树液流速，首开该技术用于植物水分生理研究之先河。Edwards和Warwick(1984)将Huber的热脉冲补偿系统、Marshall的流速流量转换分析及Swanson的损伤分析综合起来，提出了较为完整的热脉冲理论与技术，并研制出与之配套的热脉冲速度记录仪。Hatton等（1990)在加权平均法的基础上，对椭圆形树干液流速度的校正进行了论述，以减小计算误差。在此基础上，热脉冲速度用于估测植株尺度蒸腾速率的有效性在大量树种中得到了证实，该法被称为“*美妙的测定方法”（TyreeandZimmermann，1983)。
1.1.1.3蒸渗仪(测坑）法
蒸渗仪（测坑）法就是将蒸渗仪（装有土壤和植物的容器）埋设于自然土壤中，通过对土壤水分进行调控有效模拟实际的ET过程，再通过对蒸渗仪自身的称量，即可得到蒸散发量。该法的优点是能够直接测定ET的动态变化过程，测定时间步长从几分钟到几小时，测定精度可达0.01？0.02mm，缺点是测定数据可能缺乏代表性，仅为田间特定地点处的数值，此外，安装的蒸渗仪设备可能会限制植物根系生长，不宜用于高大植物，且仪器与作物间会产生热流交换（RanaandKaterji，2000)。因此，该法在使用过程中要注意样地的代表性并保持表面的连续性，避免平流效应的影响，尽量降低“绿岛效应”导致的测定误差（Brutsaert，1982；刘昌明和王会肖，1999)。
1.4涡度协方差法
涡度协方差法是基于涡度相关理论，通过直接测定和计算下垫面潜热和显热的湍流脉动值而求得下垫面的蒸散发量，是一种直接测定方法。1895年雷诺建立了雷诺分解法，初步形成了涡度协方差的理论框架。Scrase(1930)在记录垂直方向风速分量和水平分量成正比的信号时，首次将涡度协方差技术用于计算水平动量的垂直涡度通量。Swinbank于1955年着重研究了测量显热和潜热的涡度相关技术。20世纪50年代，随着数字计算机、快速响应的风速仪和温度计的研制成功，涡度协方差理论开始转化为实践应用。但当时的涡度协方差系统只能用于大气边界层结构、动量和热量传输方面的研究（于贵瑞和孙晓敏’2006)。直到20世纪70年代末80年代初’商用的超声风速仪和快速响应湿度计的出现，才极大地促进了涡度协方差水汽观测的实践进程，应用该技术对矮秆植被的ET进行监测。90年代中期，高精度的CO2-H2O红外分析仪研制成功，实现了水汽和CO:通量的同步监测，这是涡度协方差技术上的一次重大突破与创新。
涡度协方差法的理论假设少，精度高，被认为是测定ET的标准方法，即可对ET实施长期、连续和非破坏的定点监测，也可在短期内获取大量高时间分辨率的ET与环境变化信息。但该法要求有足够大而平坦且均一的下垫面，需要进行平流校正，且夜间的观测结果误差较大（李思恩等，2008)。此外，涡度协方差法测定ET存在能量不闭合及低估现象（Wilsonetal.，2002)，需根据当地实际特点选取数据校正与插补方法，计算工作较为复杂。由于涡度协方差法属于直接测定技术，故不能解释ET的物理过程和影响机制。
对涡度协方差法的研究主要集中在方法对比和适用性分析（PauwelsandSamson，2006)、下垫面ET估算及影响因素分析等（Anthonietal.，1999)。尽管对涡度协方差法在观测理论与技术、水循环及环境控制机理等研究方面取得了丰硕成果，但在实际应用中，仍存在很多不完善和有待提高之处：①对仪器系统精确探头的进一步研制与改进，以提高探头的分辨率和对各种天气环境的适应性；②进一步研究该法在各种气象和地形条件下的通量观测精度，建立较为完善的数据校正模型；③通量贡献区域在空间上的分布受很多因素影响，目前尚无完善的理论，需深入探索水汽源区的空间分布规律，这对解释观测的代表性以及
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