季节性湖泊水文过渡过程中地表水通量的滞后行为（EC150开路涡度观测系统）

EC150开路涡度观测系统应用案例：【Journal of Geophysical Research: Atmospheres】季节性湖泊水文过渡过程中地表水通量的滞后行为

原文以Hysteresis Behavior of Surface Water Fluxes in a Hydrologic Transition of an Ephemeral Lake为标题发表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres【IF=3.8】上。

作者：Yifan Cui，Yuanbo Liu，Guojing Gan，Ruonan Wang

翻译：王佳鹏

自然蒸散（ET）包括土壤或水面的蒸发和植物的蒸腾。ET是伴随潜热发生的地表水通量，潜热即是水从液体向蒸汽相变的能量。目前有许多描述水和能量的耦合过程的方程。Penman‐Monteith（P‐M）方程是根据能量守恒定律，连续性方程，傅立叶导热方程，菲克定律等建立的方程。它描述了辐射和大气对ET的作用，被广泛应用。自20世纪90年代，涡动协方差（EC）系统已成为广泛应用的测定陆地和水体等表面通量的仪器。在过去的十年里，EC观测已经扩展到河流、湖泊、沿海湿地和其他水面，这些地方的表面通量变化过程非常复杂。例如，湖泊蒸发量随湖泊属性（如大小和深度）和地理位置而变化。湖泊的热结构会影响地表通量。复杂的相互作用会改变局部大气，甚至大型湖泊上空的大尺度大气环流。

目前许多研究证明，潜热通量（LE）的变化对环境的响应存在滞后效应。在陆地和水体中，LE和饱和水汽压差（VPD）之间存在顺时针磁滞回线关系。并且，在陆地表面上，LE和地表净辐射之间没有或微弱的滞后，但在水面上观察到明显的逆时针滞后。不同气候、地理位置和下垫面的研究结果并不一致，滞后现象背后隐藏的机制仍不清楚。滞后效应对逐时或日变化的蒸发（潜热通量）模型模拟提出了挑战。鄱阳湖是一个季节性的湖泊，在季节性水文过渡期，下垫面从陆地转移到水文，反之亦然。它为在恒定的气候和地理条件下研究不同表面的滞后关系提供了一个理想的环境。中国科学院南京地理与湖泊研究所利用涡度观测系统，在中国的淡水湖泊—鄱阳湖，展开研究探究潜热通量对环境变化的滞后响应现象及其影响因素。与以下为鄱阳湖观测点位置信息。

本研究利用涡动协方差通量观测方法对中国鄱阳湖进行了研究。文章描述了2018年5月至7月，从陆地到水面的水文过渡期，潜热（LE）对环境压力变化响应的滞后行为。结果表明，LE与水汽压差（VPD）、表面温度（Ts）和气温（Ta）之间存在明显的顺时针磁滞回线。LE与地表净辐射（Rn）、风速（WS）和温差（Ts-Ta）之间呈逆时针循环。Rn、WS和Ts-Ta控制滞后效应并调节LE变化。当地表从陆地移向水面时，磁滞回线的方向、形状和面积都发生了变化。这主要与LE和除WS以外的其他变量之间的延迟时间延长有关，WS和VPD的影响增强，Rn和Ts-Ta的影响减弱。这些发现将有助于我们更好地理解日内尺度上复杂的水-大气相互作用。以下为文章中的部分主要图表：

下图描述了2018年5月至7月水文过渡期研究地点的环境变化。在观测期间，气温(TA)和土壤温度（Ts）表现出波动上升的趋势。降水后，湖水位从5月的11.8米上升到7月的17.2米，经历了明显的下垫面从陆地覆盖期到过渡期后转移到水文期的转变。由于水文过渡，环境变量由陆地覆盖期的大幅度波动转向水文期的小幅度稳定变化，如5月RH波动较大，7月13日以后稳定变化。

下图显示了陆地覆盖期、过渡期及水文期三个时期能量通量和环境变量的平均日变化。地表净辐射（Rn）的峰值从陆地到水文时期逐渐增大。潜热通量在过渡期和水文时期的单峰模式比陆地时期更为平滑。LE在过渡期和水文期明显滞后于地表净辐射（Rn）。从陆地时期到水文时期，感热通量（Hs）的变化幅度呈下降趋势。VPD峰值时间与LE不同步。从陆地时期到水体时期，VPD的日变化幅度均呈上升趋势。RH与VPD的变化模式呈相反趋势。

下图显示了LE和环境变量之间的周期变化，包括地表净辐射（Rn）、风速（WS）、VPD、RH、Ts、TA和地表与空气之间的温差（Ts-Ta）。显然，LE和Rn之间的昼夜过程形成了逆时针循环。结果表明，在地表净辐射相同的情况下，上午加热阶段的LE低于下午冷却阶段。从陆地覆盖期向水文期转变时，两个阶段之间的差异增大，表现出增强的滞后行为。在陆地时和过渡期，LE和WS的磁滞环线呈8字形。在水文时期，环以逆时针方向出现，滞后性增强。LE和VPD在所有时期都呈顺时针循环。在陆地覆盖期，LE与VPD的关系较弱。在随后的几个时期，LE与VPD更为同步，尤其是在水文时期。LE与Ts或Ta磁滞环线呈顺时针环，但形状不同。

本文量化了个不同时期环境因子相对LE的滞后时间，如下表所示。Rn、WS和Ts-Ta先于LE，而VPD、Ts和Ta在所有时期都落后于LE。在陆地时期，WS滞后时间为0.53小时，Ts为0.44小时，以及Rn为0.18小时。对于Ts，LE滞后时间为0.48小时；对于Ta，LE滞后时间为1.85小时；对于VPD，LE滞后时间为2.03小时。在过渡期，Ts-Ta先于其他变量，其次是Rn和WS。Ts、VPD和Ta滞后于LE，从1.44小时到2.55小时不等。在水文时期，Ts-Ta、Rn和WS仍然先于LE，但WS和LE之间的滞后时间缩短。随着时间长度的进一步增加，其他的则落后于LE。在从陆地到水面的整个过程中，除WS外，LE与其它变量之间的滞后时间延长，说明从陆地到水面的地表惯性对能量转换的作用增强。

总之本文利用涡度观测方法，揭示并量化了滞后关系。这将有助于我们更好地理解复杂的水-大气相互作用。