蒸发测量与遥感蒸散估算的意义

蒸发现象在人类文明的早期就引起了人们的注意，并在历史文献中留下了许多的思考和讨论。对蒸发的科学研究始于17世纪，至今已有300多年的历史。Dolton1802年首先综合风及空气的温度、湿度对蒸发的影响，提出了著名的道尔顿蒸发定律，它对近代蒸发理论的创立具有决定性的作用。Maury于1861年提出能量平衡的概念，而Bowen于1926年通过地表能量平衡方程得到计算蒸发的波文比法。随着流体理论和湍流输送现象研究的发展，人们认识到蒸发只是大气湍流中的一个普通问题，水汽与动量、热量及其他物理量在低层大气中的传输都具有相似的特点，从而产生了现在广泛应用的相似性理论，以及利用近地边界层相似理论计算蒸发的空气动力学方法。Penman于1948提出的“蒸发力”的概念将能量平衡思想与大气湍流相似性理论结合到一起，成为具有坚实理论基础、目前仍在广泛使用的综合法。Swinbank在1951年首先提出用涡度相关法直接测量并计算各种湍流通量，其精度是目前蒸发计算方法中最好的。Monteith于1965年引入表面阻力的概念，导出了Penman-Monteith（P-M）公式，为非饱和下垫面的蒸发研究开辟了一条新的途径。Brutsacrt（1982）在其著作中对上述发展历史进行了较为详细的记录和探讨。除了上述方法，人们还天他学科的需求和理论出发提出了不同的蒸发估算方法，如水量平衡法、土壤水运现y法和经验回归方法等。

蒸发同时出现在水量平衡和能量平衡方程中，其过程又涉及大气边界层中的满流扩散机制，在学术上是一个复杂而有趣的问题。经过长时期的探索，人们对自由水面的蒸发已经了解得比较清楚。根据研究方法的性质不同，可以分为下列5类：

（1）直接利用蒸发器皿进行观测；

（2）探讨蒸发速率与其他气象要素的关系，从而建立经验公式；

（3）利用水量平衡方程，估算流域内的平均蒸发量；

（4）从空气动力学的观点进行水汽湍流扩散方程的求解；

（5）从能量平衡方程出发求得蒸发量。

前3种方法有较长的历史，大概从19世纪末以来对它们的研究从未间断；后面两种方法始于20世纪初，但发展非常迅速。对于大片裸土及草地等表面，如果假定水分来源不断，常年接近湿润状态，这种理想情况下的蒸发就可以用自由水面蒸发量的简单比例关系来计算4]。

非饱和表面的自然蒸发，如土壤风干、植被蒸腾等问题，其性质远比水面蒸发复杂。

由于这些问题的复杂性及观测的不便，其研究进展比较缓慢。陆面蒸发的形成及蒸发速率的大小受到很多物理因素的影响，归纳起来有3个方面：一是气象因素，如太阳辐射，大气中的温度、湿度、气压和风速等，地表的辐射平衡决定着蒸发过程中的能量供给，风速、气温和湿度等因子影响着水汽向大气扩散的速率：二是土壤中水分含量的大小及其分布，这是蒸发的水源条件，主要受降水量或灌派量的大小，以及自然地理因素（如地形坡度等）的影响：三是植物生理生态特性，如植被类型、覆盖度、高度以及气孔行为等，水分从植物体内向外散失的过程受气孔行为的影响，而水汽从植被表面运输到外界大气，还要受到植被密度、高度等的影响。

蒸发量可以通过实测方法获得，也可以由计算得到。计算被认为是一种更为高效和简便的方法，但实际观测是准确计算蒸发的基础，一种计算方法必须通过实际观测数据的检验之后才能加以肯定。根据测量原理和主要过程的不同，自然蒸发的测定方法大致可以分为两类：一是测定下垫面的液态水消耗的速率，称为液态水分消耗测量；二是测定大气中得到水汽的速率，称为水汽传送测量。

属于第一类蒸发测定方法的主要有各种规格的蒸发皿和蒸发池，以及土壤蒸渗仪等。

蒸发皿的特点是简便，精确，成本低，问题是皿的大小及深度对蒸发值有影响，而且皿与周围环境热量交换对观测值有影响。土壤蒸渗仪的特点是精确，代表性好，问题是设计复杂，成本高品，而且器内植株的代表性对蒸发测定有影响，器内水分热量调节有困难。蒸发皿和小型土壤森渗仪是目前使用较为广泛的观测方法。除此以外，水文学中常用的水量平衡法以及生态学中常用的植物生理测定技术等，也属于液态水分消耗测量方法。

属于第二类蒸发测定方法的主要有空气动力学法、能量平衡法和涡度相关法。空气动力学法也叫梯度法，其理论基础是大气边界层的相似理论。通过安装在不同高度的仪器，测量得到边界层内的风速、湿度和温度梯度，代入通量廓线关系函数中，迭代计算得到显热、潜热和动量等湍流通量。如果在不粗糙的表面上且采用适当的通量廓线关系，测量湍流通量可得到较高的精度，但通量廓线关系只是一个经验关系，而且有时其关系会因粗糙度或零平面位移的改变而改变，因此这种方法的误差较大。能量平衡法也称为波文比（Bowen-ratio）法，其原理是地表能量平衡方程，对该方程以及波文比法的原理将以后描述。由于仪器安装容易，数据处理方便，这种方法比较通用，但其缺点是代表性差，当温度、湿度梯度很小（如日出，特别是日落）时，会造成通量值的偏大。涡度相关法（eddy-correlation）是目前精度最高的地面测量方法，该方法直接用超声风温仪测得风速脉动与温度脉动，用湿度计测得湿度脉动，然后利用近地面层湍流通量定义式得到显热、潜热和动量等湍流通量。理论上，只要各脉动量测得准，计算得到的通量也是准确的。但由于实测现场的环境远不如实验室内的工作环境，必然导致测量误差的存在甚至加大。探头安装倾斜会产生误差，超声探头支架对气流的扰动也会引起误差。因为能直接确定湍流通量，故可作为确定满流通量与通量廓线关系的标准方法。如果探头安装的水平精度高，其测量结果可达到较高的精度。在实际中，往往需要了解较大区域内的地表蒸发情况，常规的蒸发测量方法局限于某个点，其结果只能代表测点附近很小的范围，在空间尺度很大或地表很不均匀时，以点推广到面会带来较大误差。这种状况可以通过多点观测得到一些改善，但多点密集观测会使观测成本成倍增加，而效果却不甚理想。遥感方法具有空间上连续和时间上动态变化的特点，可以轻易实现由点到面的转换，同时可见光、近红外和热红外等波段能够提供与地表蒸散和能量平衡过程密切相关的参数。因此，遥感技术不失为一种经济实用的方法。经过多年的探索，用遥感手段研究全球和区域尺度的蒸发状况，已经成为遥感应用领域的一个重要分支。