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季節性湖泊水文過渡過程中地表水通量的滯后行為(EC150開路渦度觀測系統)
EC150開路渦度觀測系統應用案例:【Journal of Geophysical Research: Atmospheres】季節性湖泊水文過渡過程中地表水通量的滯后行為
原文以Hysteresis Behavior of Surface Water Fluxes in a Hydrologic Transition of an Ephemeral Lake為標題發表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres【IF=3.8】上。
作者:Yifan Cui,Yuanbo Liu,Guojing Gan,Ruonan Wang
翻譯:王佳鵬
自然蒸散(ET)包括土壤或水面的蒸發和植物的蒸騰。ET是伴隨潛熱發生的地表水通量,潛熱即是水從液體向蒸汽相變的能量。目前有許多描述水和能量的耦合過程的方程。Penman‐Monteith(P‐M)方程是根據能量守恒定律,連續性方程,傅立葉導熱方程,菲克定律等建立的方程。它描述了輻射和大氣對ET的作用,被廣泛應用。自20世紀90年代,渦動協方差(EC)系統已成為廣泛應用的測定陸地和水體等表面通量的儀器。在過去的十年里,EC觀測已經擴展到河流、湖泊、沿海濕地和其他水面,這些地方的表面通量變化過程非常復雜。例如,湖泊蒸發量隨湖泊屬性(如大小和深度)和地理位置而變化。湖泊的熱結構會影響地表通量。復雜的相互作用會改變局部大氣,甚至大型湖泊上空的大尺度大氣環流。
目前許多研究證明,潛熱通量(LE)的變化對環境的響應存在滯后效應。在陸地和水體中,LE和飽和水汽壓差(VPD)之間存在順時針磁滯回線關系。并且,在陸地表面上,LE和地表凈輻射之間沒有或微弱的滯后,但在水面上觀察到明顯的逆時針滯后。不同氣候、地理位置和下墊面的研究結果并不一致,滯后現象背后隱藏的機制仍不清楚。滯后效應對逐時或日變化的蒸發(潛熱通量)模型模擬提出了挑戰。鄱陽湖是一個季節性的湖泊,在季節性水文過渡期,下墊面從陸地轉移到水文,反之亦然。它為在恒定的氣候和地理條件下研究不同表面的滯后關系提供了一個理想的環境。中國科學院南京地理與湖泊研究所利用渦度觀測系統,在中國的淡水湖泊—鄱陽湖,展開研究探究潛熱通量對環境變化的滯后響應現象及其影響因素。與以下為鄱陽湖觀測點位置信息。
本研究利用渦動協方差通量觀測方法對中國鄱陽湖進行了研究。文章描述了2018年5月至7月,從陸地到水面的水文過渡期,潛熱(LE)對環境壓力變化響應的滯后行為。結果表明,LE與水汽壓差(VPD)、表面溫度(Ts)和氣溫(Ta)之間存在明顯的順時針磁滯回線。LE與地表凈輻射(Rn)、風速(WS)和溫差(Ts-Ta)之間呈逆時針循環。Rn、WS和Ts-Ta控制滯后效應并調節LE變化。當地表從陸地移向水面時,磁滯回線的方向、形狀和面積都發生了變化。這主要與LE和除WS以外的其他變量之間的延遲時間延長有關,WS和VPD的影響增強,Rn和Ts-Ta的影響減弱。這些發現將有助于我們更好地理解日內尺度上復雜的水-大氣相互作用。以下為文章中的部分主要圖表:
下圖描述了2018年5月至7月水文過渡期研究地點的環境變化。在觀測期間,氣溫(TA)和土壤溫度(Ts)表現出波動上升的趨勢。降水后,湖水位從5月的11.8米上升到7月的17.2米,經歷了明顯的下墊面從陸地覆蓋期到過渡期后轉移到水文期的轉變。由于水文過渡,環境變量由陸地覆蓋期的大幅度波動轉向水文期的小幅度穩定變化,如5月RH波動較大,7月13日以后穩定變化。
下圖顯示了陸地覆蓋期、過渡期及水文期三個時期能量通量和環境變量的平均日變化。地表凈輻射(Rn)的峰值從陸地到水文時期逐漸增大。潛熱通量在過渡期和水文時期的單峰模式比陸地時期更為平滑。LE在過渡期和水文期明顯滯后于地表凈輻射(Rn)。從陸地時期到水文時期,感熱通量(Hs)的變化幅度呈下降趨勢。VPD峰值時間與LE不同步。從陸地時期到水體時期,VPD的日變化幅度均呈上升趨勢。RH與VPD的變化模式呈相反趨勢。
下圖顯示了LE和環境變量之間的周期變化,包括地表凈輻射(Rn)、風速(WS)、VPD、RH、Ts、TA和地表與空氣之間的溫差(Ts-Ta)。顯然,LE和Rn之間的晝夜過程形成了逆時針循環。結果表明,在地表凈輻射相同的情況下,上午加熱階段的LE低于下午冷卻階段。從陸地覆蓋期向水文期轉變時,兩個階段之間的差異增大,表現出增強的滯后行為。在陸地時和過渡期,LE和WS的磁滯環線呈8字形。在水文時期,環以逆時針方向出現,滯后性增強。LE和VPD在所有時期都呈順時針循環。在陸地覆蓋期,LE與VPD的關系較弱。在隨后的幾個時期,LE與VPD更為同步,尤其是在水文時期。LE與Ts或Ta磁滯環線呈順時針環,但形狀不同。
本文量化了個不同時期環境因子相對LE的滯后時間,如下表所示。Rn、WS和Ts-Ta先于LE,而VPD、Ts和Ta在所有時期都落后于LE。在陸地時期,WS滯后時間為0.53小時,Ts為0.44小時,以及Rn為0.18小時。對于Ts,LE滯后時間為0.48小時;對于Ta,LE滯后時間為1.85小時;對于VPD,LE滯后時間為2.03小時。在過渡期,Ts-Ta先于其他變量,其次是Rn和WS。Ts、VPD和Ta滯后于LE,從1.44小時到2.55小時不等。在水文時期,Ts-Ta、Rn和WS仍然先于LE,但WS和LE之間的滯后時間縮短。隨著時間長度的進一步增加,其他的則落后于LE。在從陸地到水面的整個過程中,除WS外,LE與其它變量之間的滯后時間延長,說明從陸地到水面的地表慣性對能量轉換的作用增強。
總之本文利用渦度觀測方法,揭示并量化了滯后關系。這將有助于我們更好地理解復雜的水-大氣相互作用。