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地理 / evapotranspiration

蒸散发

蒸散发是水通过地表蒸发和植物蒸腾作用向大气转移的综合过程。

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蒸散发通常缩写为 ET,是水通过蒸发和蒸腾作用,从陆地及内陆水体表面向地球大气层转移的综合过程。它包括土壤、湖泊和湿润植被表面的蒸发,以及植物根系吸收水分后将其以水蒸气形式释放的过程。蒸散发是水循环的重要组成部分,将陆地水分的可用性与大气湿度和地表能量交换联系起来。(usgs.gov)

组成过程与物理控制因素

蒸发使液态水转变为水蒸气,并从暴露的表面逸出。降雨后滞留在叶片上的水,无须经过植物组织便可蒸发。相比之下,蒸腾作用涉及根系吸水、水分在植物体内输送,以及主要通过气孔释放水蒸气。这两个过程往往同时发生,因此分别测量它们比测量二者的总通量更困难。(usgs.gov)

汽化所需的能量主要来自太阳辐射,周围空气及其他热交换过程也会提供额外能量。蒸散发消耗潜热,因此与地球能量收支密切相关。水蒸气的输送还取决于蒸发表面与周围空气之间的水蒸气浓度差,以及空气流动带走水汽的效率。(fao.org)

主要气象控制因素包括辐射、空气温度、湿度和风速。地表控制因素则包括植被高度、叶面积、地表覆盖状况和水分可用性。干燥的土壤表面会限制蒸发;根区水分不足可能增大气孔阻力,限制蒸腾作用。因此,实际通量并非仅由大气蒸发需求决定。在整个生长季中,作物发育和管理措施也会改变这些控制因素。(fao.org)

实际蒸散发、潜在蒸散发与参考蒸散发

实际蒸散发通常记为 AET 或 ETₐ,是现有环境和供水条件下发生的蒸散发通量。潜在蒸散发,简称 PET,是指在指定地表条件下、供水充足时可能发生的蒸发和蒸腾作用。PET 表示蒸发需求,而 AET 还反映可用水量的限制。在比较估算结果时,计算 PET 所采用的地表条件假设十分重要。这两个量均用于水文评估。(pubs.usgs.gov)

参考蒸散发,记为 ET₀,提供了一个标准化定义更明确的基准。在联合国粮食及农业组织的 FAO-56 框架中,参考表面是假定的、供水充足的草地,草高为 0.12 米,表面阻力为 70 秒/米,反照率为 0.23。这些固定特征使不同地点和季节的蒸发需求能够在参考植被不变的条件下进行比较。(fao.org)

FAO 彭曼—蒙特斯方程利用辐射、温度、湿度和风的观测值计算 ET₀,将可用能量、空气动力输送和表面阻力结合起来。参考蒸散发并不是对某块农田耗水量的直接测量,实际作物蒸散发可能高于或低于草地参考值。(fao.org)

单位与估算方法

蒸散发通常以指定时段内的等效水深表示,例如毫米/日或毫米/年。1 公顷面积上 1 毫米的水深相当于 10 立方米水。以水深表示蒸散发,便于将其与降雨量、土壤储水量和灌溉水量进行比较。在研究地表热交换时,也可将其表示为能量通量。(fao.org)

常用的几种方法可相互补充:

  • **蒸渗仪**用于测定与周围土壤隔离的土体所损失的水量,通常通过称重并计入水分输入和排水量来确定。
  • **水量平衡法**根据测得的水分输入、输出和储水量变化估算蒸散发。其准确性取决于能否充分计入其他水量平衡分量。
  • **涡度协方差法**通过对地表上方的垂直风速和水蒸气波动进行高频观测,测量水蒸气的湍流输送。
  • 气象模型根据气象观测资料和对地表性质的假设计算蒸散发。
  • **遥感**利用卫星观测和模型支持空间尺度上的估算;地面通量测量则为评估这些估算结果提供基准。(fao.org)

这些方法所代表的空间范围和时间尺度各不相同。因此,卫星估算与通量塔观测需要谨慎比较,不能将二者视为可互换的测量结果。在构建基准数据集时,研究人员会评估测量质量、能量平衡闭合情况,以及每座通量塔所代表的陆地区域。(usgs.gov)

农业应用

在无胁迫的标准条件下,作物蒸散发通常按下式估算:

ETc=KcET0,ET_c=K_cET_0,

其中,KcK_c 为作物系数。它表示作物与参考表面之间的差异,包括冠层结构和生长阶段的差异。单作物系数将土壤蒸发和植物蒸腾合并考虑;双作物系数法则将二者分别处理。(fao.org)

计入土壤水分胁迫后,双作物系数法的公式变为:

ETc,adj=(KsKcb+Ke)ET0.ET_{c,\mathrm{adj}}=(K_sK_{cb}+K_e)ET_0.

其中,KcbK_{cb} 为基础作物系数,KeK_e 描述土壤蒸发,KsK_s 则用于在根区水分不足时降低蒸腾量。仅将胁迫系数用于蒸腾作用,可以保持植物水分胁迫与地表湿润后蒸发这两种过程之间的区别。蒸散发估算用于灌溉计划和系统设计,但蒸散发本身并不等于必须输送到农田的总水量。(fao.org)

水文学意义

在流域内,蒸散发是降水返回大气的主要途径之一。水量平衡模型将其与地表径流、土壤水分及其他储水量变化一并描述。在评估不同气候条件或预期气候变化下的水资源可用量时,区分大气蒸发需求与实际水分损失十分重要。(water.usgs.gov)

蒸散发也可以消耗地下水。当根系伸入饱和带,或吸收由浅层地下水位补给的水分时,蒸腾作用会消耗地下水储量,并可能使局部地下水位下降。因此,蒸散发的水源取决于植被、根系深度,以及土壤水分与地下水之间的关系。(usgs.gov)