EC150開路渦度觀測系統(tǒng)應(yīng)用案例：【Journal of Geophysical Research: Atmospheres】季節(jié)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(biāo)題發(fā)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(fā)和植物的蒸騰。ET是伴隨潛熱發(fā)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(jù)能量守恒定律，連續(xù)性方程，傅立葉導(dǎo)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(yīng)用。自20世紀(jì)90年代，渦動協(xié)方差（EC）系統(tǒng)已成為廣泛應(yīng)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(jīng)擴(kuò)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(fù)雜。例如，湖泊蒸發(fā)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(jié)構(gòu)會影響地表通量。復(fù)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(huán)流。

目前許多研究證明，潛熱通量（LE）的變化對環(huán)境的響應(yīng)存在滯后效應(yīng)。在陸地和水體中，LE和飽和水汽壓差（VPD）之間存在順時(shí)針磁滯回線關(guān)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(shí)針滯后。不同氣候、地理位置和下墊面的研究結(jié)果并不一致，滯后現(xiàn)象背后隱藏的機(jī)制仍不清楚。滯后效應(yīng)對逐時(shí)或日變化的蒸發(fā)（潛熱通量）模型模擬提出了挑戰(zhàn)。鄱陽湖是一個(gè)季節(jié)性的湖泊，在季節(jié)性水文過渡期，下墊面從陸地轉(zhuǎn)移到水文，反之亦然。它為在恒定的氣候和地理?xiàng)l件下研究不同表面的滯后關(guān)系提供了一個(gè)理想的環(huán)境。中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所利用渦度觀測系統(tǒng)，在中國的淡水湖泊—鄱陽湖，展開研究探究潛熱通量對環(huán)境變化的滯后響應(yīng)現(xiàn)象及其影響因素。與以下為鄱陽湖觀測點(diǎn)位置信息。

本研究利用渦動協(xié)方差通量觀測方法對中國鄱陽湖進(jìn)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(huán)境壓力變化響應(yīng)的滯后行為。結(jié)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(shí)針磁滯回線。LE與地表凈輻射（Rn）、風(fēng)速（WS）和溫差（Ts-Ta）之間呈逆時(shí)針循環(huán)。Rn、WS和Ts-Ta控制滯后效應(yīng)并調(diào)節(jié)LE變化。當(dāng)?shù)乇韽年懙匾葡蛩鏁r(shí)，磁滯回線的方向、形狀和面積都發(fā)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(shí)間延長有關(guān)，WS和VPD的影響增強(qiáng)，Rn和Ts-Ta的影響減弱。這些發(fā)現(xiàn)將有助于我們更好地理解日內(nèi)尺度上復(fù)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(diǎn)的環(huán)境變化。在觀測期間，氣溫(TA)和土壤溫度（Ts）表現(xiàn)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(jīng)歷了明顯的下墊面從陸地覆蓋期到過渡期后轉(zhuǎn)移到水文期的轉(zhuǎn)變。由于水文過渡，環(huán)境變量由陸地覆蓋期的大幅度波動轉(zhuǎn)向水文期的小幅度穩(wěn)定變化，如5月RH波動較大，7月13日以后穩(wěn)定變化。

下圖顯示了陸地覆蓋期、過渡期及水文期三個(gè)時(shí)期能量通量和環(huán)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(shí)期逐漸增大。潛熱通量在過渡期和水文時(shí)期的單峰模式比陸地時(shí)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(shí)期到水文時(shí)期，感熱通量（Hs）的變化幅度呈下降趨勢。VPD峰值時(shí)間與LE不同步。從陸地時(shí)期到水體時(shí)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(huán)境變量之間的周期變化，包括地表凈輻射（Rn）、風(fēng)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(shí)針循環(huán)。結(jié)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(zhuǎn)變時(shí)，兩個(gè)階段之間的差異增大，表現(xiàn)出增強(qiáng)的滯后行為。在陸地時(shí)和過渡期，LE和WS的磁滯環(huán)線呈8字形。在水文時(shí)期，環(huán)以逆時(shí)針方向出現(xiàn)，滯后性增強(qiáng)。LE和VPD在所有時(shí)期都呈順時(shí)針循環(huán)。在陸地覆蓋期，LE與VPD的關(guān)系較弱。在隨后的幾個(gè)時(shí)期，LE與VPD更為同步，尤其是在水文時(shí)期。LE與Ts或Ta磁滯環(huán)線呈順時(shí)針環(huán)，但形狀不同。

本文量化了個(gè)不同時(shí)期環(huán)境因子相對LE的滯后時(shí)間，如下表所示。Rn、WS和Ts-Ta先于LE，而VPD、Ts和Ta在所有時(shí)期都落后于LE。在陸地時(shí)期，WS滯后時(shí)間為0.53小時(shí)，Ts為0.44小時(shí)，以及Rn為0.18小時(shí)。對于Ts，LE滯后時(shí)間為0.48小時(shí)；對于Ta，LE滯后時(shí)間為1.85小時(shí)；對于VPD，LE滯后時(shí)間為2.03小時(shí)。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(shí)到2.55小時(shí)不等。在水文時(shí)期，Ts-Ta、Rn和WS仍然先于LE，但WS和LE之間的滯后時(shí)間縮短。隨著時(shí)間長度的進(jìn)一步增加，其他的則落后于LE。在從陸地到水面的整個(gè)過程中，除WS外，LE與其它變量之間的滯后時(shí)間延長，說明從陸地到水面的地表慣性對能量轉(zhuǎn)換的作用增強(qiáng)。

總之本文利用渦度觀測方法，揭示并量化了滯后關(guān)系。這將有助于我們更好地理解復(fù)雜的水-大氣相互作用。