水分限制条件下的土壤水分运移过程及蒸散发研究

Evapotranspiration (ET), the second component of the land water cycling, plays a crucial role in the globe energy and carbon cycling. Modeling ET has become the most important area in eco-hydrology research. However, the existing ET modeling methods often perform not well in arid and semi-arid region due to the poor representation of the water stress factor. Based on the progress on the soil water flow process, this proposal aims to improve the ET modeling method. By laboratory and field experiments, and model simulation, we try to improve our knowledge on the mechanisms controlling the soil water flow process under low water contents, and try to figure out the driving forces and factors controlling the moisture-limited evaporation process at the column scale. After this, we upscale these findings from column scale to region scale to get a new equation representing the water stress factor. Finally, using the flux tower data, we test the performance of the new ET estimation model that including the new water stress equation.

蒸散发是陆地水分循环的第二大要素，是联系全球能量循环和碳循环的纽带，研究意义重大。现有的区域蒸散发模型在干旱区域往往表现较差，原因在于模型对水分的限制作用刻画不足。本项目拟以土壤水分运移方面取得的新进展为突破点，结合室内、室外实验和模型模拟，加深对低含水率条件下土壤水分运移过程和驱动力的认识；详细分析土柱尺度上水分限制下的蒸发过程的驱动力和控制因素；在此基础上，通过合理的假设和简化，将土柱尺度上的认识和成果应用到区域尺度，得到刻画水分限制的新方法，结合已有的模型框架，建立新的计算区域蒸散发的模型，最后利用全球通量网的观察数据进行模型检验，以期改进现有模型在干旱条件下表现较差的不足。

蒸散发是陆地水分循环的第二大要素，是联系全球能量循环和碳循环的纽带，研究意义重大。现有的区域蒸散发模型在干旱区域往往表现较差，原因在于模型对水分的限制作用刻画不足。本项目立足土壤水分运移方面的新进展，特别是薄膜流被认为是低含水率条件下的主要水分运移形式，一方面加深对低含水率条件下土壤水分运移过程和驱动力的认识；在此基础上，详细分析土柱尺度上水分限制下的蒸发过程的驱动力和控制因素，探究刻画水分对蒸发限制的新方法；最终将土柱尺度的认识应用到全球尺度的蒸散发估算中，以期改进干旱条件下的蒸散发估算。.土壤水分运移方面的进展在于研究开发了一个新的土壤水力参数模型，可以很好描述全水分范围下的土壤水力特征。相较于传统的土壤水力模型，新模型显著改善了在低含水率条件下的表现。相较于其它耦合模型，新模型无需引入额外参数，从而显著简化了模型的复杂度，而模拟结果整体来说更好，因而具有较大的推广应用潜力。以土壤水分运移方面的进展为基础，本研究通过考虑膜流的影响，对典型的蒸发过程进行了重新分析。研究发现通常被忽略的薄膜流可能是支持阶段II蒸发（即快速下降速率阶段）的主要过程，而非通常认为的水汽扩散是限制土壤蒸发的主要形式。基于改认识，利用Buckingham-Darcy定律，研究开发出一种基于物理过程的新的模型来估算蒸发速率。该模型仅需气象相关数据为输入，无需引入与土壤质地有关的参数，能够很好预测土壤的蒸发速率。在野外的验证结果表明，新模型可以有效改善低含水量下的土壤蒸发速率估算。基于该土壤蒸发模型，研究进一步将其扩展到区域蒸散发估算模型中，用以改善干旱半干旱区域的蒸散发估算。