王 興，張 強(qiáng)，王 勝，王 帆

(1.蘭州區(qū)域氣候中心，甘肅 蘭州 730020；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所,甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020)

引 言

在自然生態(tài)環(huán)境下，露水是指近地面空氣在晴朗無風(fēng)或微風(fēng)的夜晚冷卻下冷卻到露點(diǎn)以下時(shí)，地表或地面物體表面水汽過飽和部分凝結(jié)而形成的水滴[1]。人類對(duì)露水的描述和認(rèn)識(shí)由來已久，早在19世紀(jì)初，WELLS就對(duì)露水的形成進(jìn)行了科學(xué)闡述[2]，之后MONTEITH提出了露水的定義[3]。20世紀(jì)60年代，世界氣象組織(WMO)給出了露水的正式定義：露水是指水汽通過輻射冷卻降溫至干凈空氣的露點(diǎn)以下而在某一表面形成的凝結(jié)物。

露水發(fā)生在大氣邊界層最底層，在陸地水資源研究中往往被忽視，然而大量研究已經(jīng)證實(shí)其在陸地生態(tài)系統(tǒng)水分收支平衡中的重要性[4-11]。露水事件比降水事件更頻繁，因?yàn)樗偈芴囟夂蚝偷乩項(xiàng)l件限制[12-20]，如果大氣水汽條件合適，形成露水的地表熱力條件更容易達(dá)到，因此露水在許多地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)地中海半干旱區(qū)43%的夜晚會(huì)產(chǎn)生露水，露水可以顯著影響夜間土壤水分超過3%[5]。干旱半干旱地區(qū)，露水量可以長時(shí)間達(dá)到甚至超過自然降水量[21-22]，特別在極端干旱時(shí)期，露水可將植物生長維持到下一個(gè)濕潤期[10]。在內(nèi)蓋夫山區(qū)每年記錄到195個(gè)早晨出現(xiàn)露水和霧，露水年凝結(jié)量達(dá)33 mm，甚至超過極端干旱時(shí)期的降雨量[16-17]。研究表明在干旱半干旱地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)中，露水作為重要的水分輸入，在水分脅迫最大時(shí)期是植物生長最主要甚至唯一的水源[10，13，20]。在極端干旱區(qū)，露水量和持續(xù)時(shí)間對(duì)地衣分布及其生長形式有決定性影響[17-18]。然而，露水也有利于一些病菌的滋生繁殖，易造成作物病蟲害的發(fā)生發(fā)展[17-20，23-25]，從而對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p害。

近年來，隨著露水測(cè)量方法和技術(shù)的發(fā)展，全球范圍內(nèi)相繼開展了一些短期的露水觀測(cè)試驗(yàn)[26-43]，然而，由于自然下墊面露水獲取難度大，試驗(yàn)往往是在自然下墊面上設(shè)置人造凝結(jié)表面來測(cè)量潛在露水，這無疑會(huì)影響環(huán)境氣象要素與自然下墊面露水之間關(guān)系的可靠性。大型蒸滲計(jì)表面是目前最接近自然露水的下墊面，我國西北地區(qū)采用大型蒸滲計(jì)對(duì)露水開展了連續(xù)觀測(cè)[29-40]，從而使我國對(duì)自然下墊面真實(shí)露水的客觀規(guī)律有了更科學(xué)、可信的認(rèn)識(shí)。目前，基于對(duì)近地層露水時(shí)間分布特征和規(guī)律的認(rèn)識(shí)，露水預(yù)估模型也得到一定發(fā)展，然而露水的模擬所依據(jù)的數(shù)據(jù)測(cè)量方法千差萬別，理論和方法也有很大差異，尤其對(duì)典型下墊面露水凝結(jié)過程的研究存在諸多問題，至今尚未形成一套完善的露水凝結(jié)預(yù)估模型，而且缺乏這方面工作的綜述性文章。本文試圖回顧近幾十年露水的國內(nèi)外研究進(jìn)展，凝練露水凝結(jié)模擬所面臨的難點(diǎn)和瓶頸問題，進(jìn)一步指出未來該領(lǐng)域的研究發(fā)展方向，以期為今后露水凝結(jié)預(yù)估模型研究提供一定參考。

1 露水的形成與測(cè)量

1.1 露水形成的氣象條件

露水是大氣水汽由氣態(tài)凝結(jié)成液態(tài)水滴的相變過程[1]，作為大氣的凝結(jié)物，其形成過程主要在于核化和小滴增長，這兩個(gè)環(huán)節(jié)決定露水發(fā)生強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，可分為3個(gè)階段：形成、增長與消散階段。露水的產(chǎn)生是水分條件、熱量條件及動(dòng)力擾動(dòng)條件共同作用的結(jié)果。

(1)水分條件。增加空氣中的水汽含量至飽和或過飽和狀態(tài)才能形成露水，近地層相對(duì)濕度越大就越容易形成露水?？諝庵兴康脑黾又饕袃煞N途徑：①當(dāng)存在空中水汽來源時(shí)，隨著水汽通量增大，大氣相對(duì)濕度隨之增加；②在具有陸面蒸發(fā)源且蒸發(fā)表面溫度高于氣溫的條件下，才有可能增加空氣中的水汽含量。大氣逆濕對(duì)露水的形成也有重要作用，張強(qiáng)等[35]在研究綠洲的荒漠表層土壤逆濕和對(duì)水分的呼吸過程時(shí)，發(fā)現(xiàn)夜間大氣逆濕可以到達(dá)地表，有時(shí)后半夜的逆濕不僅可貼地表，而且還可以深入到淺層土壤。

(2)熱量條件。露水是相變過程，通過大氣降溫實(shí)現(xiàn)。大氣降溫過程主要分為平流降溫和輻射降溫，平流降溫伴隨較大的降溫天氣過程發(fā)生，發(fā)生范圍大、面積廣；輻射降溫范圍小且局地性強(qiáng)，由陸面長波輻射冷卻造成。劉文杰等[28]通過對(duì)云南勐侖稀疏矮草地測(cè)得的夜間近地層溫度層結(jié)變化探討降露水的形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)露水大多伴隨逆溫層出現(xiàn)。

(3)動(dòng)力條件。動(dòng)力條件是水分、熱量條件發(fā)揮作用的催化劑。在大氣中主要表現(xiàn)為風(fēng)，風(fēng)速的大小直接決定水分子紊動(dòng)擴(kuò)散的強(qiáng)度，風(fēng)速在地表凝結(jié)水形成過程中可以起正負(fù)兩方面的作用[29]，微風(fēng)可以將濕空氣帶到地面，但風(fēng)速過大會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)完全停止，強(qiáng)風(fēng)增加了凝結(jié)表面與空氣之間的對(duì)流熱交換，并降低了可實(shí)現(xiàn)的溫差和達(dá)到露點(diǎn)溫度的可能性。

通常，露水的凝結(jié)過程需要一定的水分來源，當(dāng)近地層相對(duì)濕度條件滿足時(shí)才能形成露水，而風(fēng)速和溫度層結(jié)的作用相對(duì)比較復(fù)雜，強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)均有利于水汽交換，但卻不利于輻射冷卻形成的低地表溫度狀態(tài)維持。適當(dāng)?shù)哪鏈睾惋L(fēng)速強(qiáng)度正好保持了比較恰當(dāng)?shù)慕貙哟髿馔牧鲾U(kuò)散狀態(tài)，既能使近地層水汽通過湍流輸送得到不斷補(bǔ)充，又能夠保證維持較低的夜間地表溫度，容易達(dá)到結(jié)露條件。

1.2 露水的測(cè)量

自然露水的研究一直受制于露水的有效測(cè)量，與雨水相比，測(cè)量露水顯然更具挑戰(zhàn)性[5]。目前全球各地特別是干旱半干旱區(qū)露水的觀測(cè)已開展很多，然而對(duì)露水的測(cè)量還存在不少技術(shù)問題，雖然大量研究表明露水是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要水分來源，但至今沒有真正標(biāo)準(zhǔn)的露水測(cè)量方法，缺乏比較客觀真實(shí)的陸面露水觀測(cè)資料[1,36]，這嚴(yán)重影響了露水形成物理機(jī)制和變化規(guī)律的深入研究。

在全球水資源緊缺情況下，作為干旱半干旱地區(qū)的潛在水源，露水的定量化研究顯得非常重要。目前代表性的露水測(cè)量方法大體分為7種[31,34，43-66]：人造凝結(jié)面露水收集測(cè)量法、懸空掛式或掩埋式電子天平直接稱重測(cè)量法、利用陸面水分平衡原理的平衡測(cè)算法、利用傳感器熱傳導(dǎo)能力的電子傳導(dǎo)測(cè)量法、利用微波輻射計(jì)等的遙感測(cè)量法、不同深度梯度層的土壤濕度推算法和利用陸面通量觀測(cè)進(jìn)行推算的渦動(dòng)相關(guān)法。研究表明當(dāng)使用不同幾何形狀表面或特性的凝結(jié)器時(shí)，凝結(jié)表面的不同可能導(dǎo)致同步觀測(cè)的數(shù)據(jù)之間存在顯著差異[7]，有時(shí)在沒有刮擦的情況下測(cè)量露水，也會(huì)顯著降低收集露水的體積，因此，露水收集測(cè)量法在測(cè)量精度要求不太高時(shí)可以使用；平衡測(cè)算法和土壤濕度推算法在露水量較大的條件下比較適用，當(dāng)露水量較小時(shí)往往會(huì)被累計(jì)誤差掩蓋，具有一定的局限性；電子傳導(dǎo)測(cè)量法必須考慮一些不確定干擾因素引起的誤差；由于在夜間測(cè)量露水量存在相當(dāng)大的離散性和不確定性，渦動(dòng)相關(guān)法嚴(yán)重低估了低風(fēng)速干燥環(huán)境的夜間陸面水汽通量[64]，而露水在低風(fēng)速時(shí)更常見，因此不適合用于露水測(cè)量。比較而言，直接稱重測(cè)量法中的大型蒸滲計(jì)比較適合連續(xù)的露水定量觀測(cè)，JACOBS等[12]曾用微蒸滲計(jì)對(duì)以色列沙漠的露水進(jìn)行了測(cè)量，NINARI等[25]和UCLéS等[67]也通過試驗(yàn)驗(yàn)證了稱重式蒸滲計(jì)是測(cè)定露水的最好方法，這為露水的進(jìn)一步研究提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前張強(qiáng)等[39-40]結(jié)合GRIEND等[52]的研究成果，指出測(cè)量露水最可靠的方法是大型稱重式蒸滲計(jì)，不過也需要與微氣象和常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合以區(qū)分蒸滲計(jì)重量變化的露水貢獻(xiàn)，并提出利用大型蒸滲計(jì)測(cè)量露水的規(guī)范流程(圖1)，標(biāo)志著露水觀測(cè)試驗(yàn)體系逐漸發(fā)展成熟。

圖1 計(jì)算非降水性水分的數(shù)據(jù)識(shí)別系統(tǒng)(RH為相對(duì)濕度，Ts為地表溫度，Tdew為露點(diǎn)溫度)[39]Fig.1 Data identification system to calculate NRW component (RH is air relative humidity, Ts is surface temperature, Tdew is dew-point temperature)[39]

2 露水凝結(jié)預(yù)估模型

由于露水的凝結(jié)量小、局地性強(qiáng)，人工觀測(cè)難度大，對(duì)測(cè)量儀器的精度要求極高，因此開展長期廣泛且直接的露水觀測(cè)試驗(yàn)不易實(shí)現(xiàn)，這就需要開展露水的發(fā)生機(jī)理研究并發(fā)展完善的數(shù)值模擬方法。

露水的數(shù)值模擬研究以觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)露水的持續(xù)時(shí)間、凝結(jié)量和同步的氣象、環(huán)境、地理等常規(guī)業(yè)務(wù)觀測(cè)要素進(jìn)行分析研究，獲取露水凝結(jié)與各要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便利用常規(guī)觀測(cè)或預(yù)測(cè)資料估算或預(yù)測(cè)露水。目前研究較多的是露水估算模型，是指利用當(dāng)前時(shí)段已掌握的與露水相關(guān)的影響要素推算同一時(shí)段的露水；而露水預(yù)測(cè)是通過當(dāng)前時(shí)段的影響要素變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)后一時(shí)段露水的發(fā)生，是目前亟待解決的難點(diǎn)問題和發(fā)展方向。模型分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗(yàn)半物理模型和物理模型3種。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途褪峭ㄟ^露水與氣象環(huán)境變量的相關(guān)性建立模型；物理模型是從露水發(fā)生機(jī)理出發(fā)，通過表面能量平衡關(guān)系模擬露水的凝結(jié)過程；半經(jīng)驗(yàn)半物理模型是對(duì)物理模型中某些參數(shù)進(jìn)行簡化或通過經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來替代。

隨著對(duì)露水影響因子研究的不斷深入，國內(nèi)外已陸續(xù)開展了露水凝結(jié)量和持續(xù)時(shí)間的模擬研究[53-68]，發(fā)展出了多種露水凝結(jié)模型，表1列出目前較為常用的幾種露水預(yù)估模型的特點(diǎn)和適用性。露水持續(xù)時(shí)間決定表面保持濕潤的時(shí)間，以往研究僅關(guān)注植物葉面的濕潤時(shí)間，因?yàn)槿~面濕潤時(shí)間不僅直接影響植物的生存能力，還是植物病蟲害發(fā)生的重要影響因子。露水凝結(jié)量的多少直接影響自然生態(tài)系統(tǒng)獲得的額外水分，露水量是干旱半干旱地區(qū)植物、微生物等的重要水源，是處于水分臨界閾值區(qū)域的重要水分補(bǔ)給。隨著對(duì)露水形成機(jī)理認(rèn)識(shí)的加深及觀測(cè)、診斷等技術(shù)的發(fā)展，露水凝結(jié)模型也有所發(fā)展，從最初的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饾u發(fā)展到利用能量平衡關(guān)系建模，其發(fā)展過程大致歸納為3個(gè)階段(圖2)。

表1 目前較為常用的幾種露水預(yù)估模型的特點(diǎn)和適用性Tab.1 Characteristics and applicability of several dew prediction models commonly used at present

圖2 露水凝結(jié)預(yù)估模型發(fā)展的3個(gè)階段Fig.2 Three stages of development of dew condensation prediction model

2.1 統(tǒng)計(jì)回歸模型

20世紀(jì)70年代末MONTEITH等[53]就開始嘗試模擬露水的持續(xù)時(shí)間。通過與氣象變量的相關(guān)性強(qiáng)弱來估算露水是較為常用的方法，也就是通過篩選對(duì)露水形成有較大貢獻(xiàn)的氣象因子建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑲庀笠蜃油ǔ０諝鉁囟?、相?duì)濕度、露點(diǎn)溫度、云量和風(fēng)速等要素。PEDRO等[54]采用標(biāo)準(zhǔn)氣象站對(duì)氣溫、露點(diǎn)溫度、風(fēng)速和云量的測(cè)量來估算3種不同作物冠層露水持續(xù)時(shí)間，平均誤差約60 min。GLEASON等[55]建立了與風(fēng)速、溫度露點(diǎn)差、相對(duì)濕度相關(guān)的CART/SLD分類樹經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過對(duì)3個(gè)要素逐小時(shí)閾值判斷是否有露水產(chǎn)生從而估算露水持續(xù)時(shí)間。WANG等[56]利用微型氣候系統(tǒng)(包括介電葉面濕度傳感器、相對(duì)濕度傳感器及雨量計(jì))結(jié)合相對(duì)濕度模型和露點(diǎn)溫度下降模型2種回歸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪忝咳章端掷m(xù)時(shí)間。MAESTRE-VALERO等[57]對(duì)西班牙東南部半干旱氣候區(qū)人造被動(dòng)式露板表面上的露水凝結(jié)開展研究，分別利用露點(diǎn)溫度差、飽和水汽壓力與實(shí)際水汽壓力差作為自變量進(jìn)行露水凝結(jié)量的計(jì)算，模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，但效果并不滿意，指出需引入凈輻射數(shù)據(jù)以便給出令人滿意的露水凝結(jié)量預(yù)測(cè)。JANSSEN等[58]對(duì)夜間陸面能量平衡方程進(jìn)行簡化并開發(fā)了一個(gè)簡單模型，將紅外輻射通量、感熱和潛熱對(duì)人造被動(dòng)式露板能量平衡的貢獻(xiàn)進(jìn)行了參數(shù)化，僅用云量、相對(duì)濕度、氣溫和風(fēng)速數(shù)據(jù)估算露水的發(fā)生和持續(xù)時(shí)間。LEKOUCH等[59]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法模擬露水量，用人造被動(dòng)式冷凝器收集摩洛哥西南部的屋頂露水，發(fā)現(xiàn)屋頂上的露水僅與4個(gè)氣象參數(shù)密切相關(guān)，即氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和云量，首先對(duì)4個(gè)因子進(jìn)行均一化處理，通過循環(huán)檢驗(yàn)預(yù)估結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)露水之間的最小差異來確定不同因子的權(quán)重關(guān)系，最終開發(fā)了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的露水量估算模型。

2.2 潛熱通量關(guān)系模型

在某種意義上結(jié)露與蒸發(fā)是相反的物理過程，因此彭曼公式也可用于計(jì)算夜間露水的凝結(jié)過程。MONTEITH等[53]和BUTLER[60]將可可豆莢簡化為均熱特性的等溫體，認(rèn)為當(dāng)冠層中空氣的露點(diǎn)溫度上升快于豆莢表面溫度時(shí)即可開始產(chǎn)生露水，利用空氣的露點(diǎn)溫度與植被或陸地表面溫度比較來大概估算露水形成的開始和結(jié)束時(shí)間，從而獲得露水持續(xù)時(shí)間，進(jìn)一步預(yù)測(cè)豆莢的真菌病害發(fā)生程度。隨后的研究利用陸面-植被-土壤能量平衡中的潛熱通量關(guān)系來估算露水持續(xù)時(shí)間，如PEDRO等[61]利用能量收支平衡模擬3種不同作物冠層葉片的潛熱通量關(guān)系來評(píng)估露水持續(xù)時(shí)間，并將模型估算的露水持續(xù)時(shí)間與裸露和遮蔽的葉片進(jìn)行觀測(cè)對(duì)比。裸露葉子上總露水的持續(xù)時(shí)間計(jì)算值與觀測(cè)值相差不到30 min，而遮蔽的葉子上估算的露水持續(xù)時(shí)間不太準(zhǔn)確，與觀測(cè)值平均相差60 min，該誤差可能是使用冠層外部測(cè)得的散射輻射來估算遮蔽葉子上的入射輻射造成的。GARRATT等[62]通過從空氣到植物葉面的水汽通量關(guān)系來嘗試模擬露水凝結(jié)時(shí)間，然而陸面潛熱的變化不只受露水影響，還有其他要素如土壤水分蒸餾、植物本身的呼吸作用等的干擾，因此該模型模擬效果并不理想。QIN等[63]利用陸面能量平衡開展針對(duì)夜間沙漠裸土的潛熱通量模擬，但沒有明確區(qū)分露水在潛熱通量中的貢獻(xiàn)率。JACOBS等[64]通過簡化水蒸氣冷凝的單源Penman-Monteith蒸發(fā)模型，發(fā)現(xiàn)潛在露水與實(shí)際露水之間存在一致性，隨后利用該模型進(jìn)行逐小時(shí)判斷潛熱的負(fù)值量來計(jì)算夜間累積露水量[65]。2008年JACOBS等[66]又分別利用表面能量平衡和空氣動(dòng)力學(xué)(CFD)模型模擬2種人造露水收集器上的露水量，第一種模型可以模擬出2種露水收集器的露水量，但結(jié)果空間離散度大，模擬效果偏差；第二種模型并不能很好地預(yù)測(cè)2種露水收集器的露水量。UCLéS 等[67]對(duì)以上方法進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)了針對(duì)半干旱區(qū)稀疏植被表面的組合露水估算方法CDEM，利用簡化的Penman-Monteith蒸發(fā)模型的潛熱通量結(jié)合濕度傳感器、土壤表面溫度和露點(diǎn)溫度來輔助計(jì)算露水持續(xù)時(shí)間，該方法高度依賴濕度傳感器對(duì)露水的感應(yīng)能力，結(jié)果還是無法估算露水的凝結(jié)量。綜上可見，利用潛熱通量關(guān)系模擬露水凝結(jié)必須結(jié)合其他能夠明確區(qū)分露水在潛熱通量中的貢獻(xiàn)率的儀器設(shè)備，這樣才能對(duì)露水凝結(jié)進(jìn)行有效模擬。

2.3 簡化的云物理/能量平衡模型

已有研究使用通過簡化的能量收支法來模擬冠層葉片的濕潤持續(xù)時(shí)間或冷凝器表面的露水凝結(jié)量。如WEI等[68]開發(fā)了基于熱量傳導(dǎo)方程來描述果實(shí)的能量平衡關(guān)系，用于模擬溫室植物上露水的發(fā)生，該模型預(yù)測(cè)的露水持續(xù)時(shí)間很短，可能是模型所使用的空氣露點(diǎn)和氣溫的測(cè)量誤差所致。NIKOLAYEV等[7]研究露水冷凝器的歷史和功能，利用露水人工冷凝器的表面能量平衡關(guān)系，對(duì)天空發(fā)射率、冷凝器的發(fā)射率和短波吸收率、大氣傳輸常數(shù)等物理參數(shù)進(jìn)行簡化，建立了基于人工冷凝器模擬露水凝結(jié)量的物理模型。BEYSENS等[42]通過基本氣象要素來擬合和預(yù)測(cè)露水凝結(jié)，基于PEDRO等[61]和NIKOLAYEV[7]等的數(shù)值模擬，對(duì)冷凝器的熱量和質(zhì)量平衡方程簡化，通過調(diào)節(jié)2個(gè)可調(diào)參數(shù)即熱交換系數(shù)k和質(zhì)量交換系數(shù)g進(jìn)行露水凝結(jié)量的模擬。此模型有一定限制，長時(shí)間弱風(fēng)情況下模擬效果很差，并且無法估算短波和長波輻射的實(shí)際能量收支情況(因其使用云量估算輻射)。2016年BEYSENS等[43]對(duì)以上模型進(jìn)一步發(fā)展，基于日出之前收集的至少一次的云量、風(fēng)速、空氣和露點(diǎn)溫度等氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合人造被動(dòng)式冷凝器的露水凝結(jié)量，建立了一種簡便易行的露水經(jīng)驗(yàn)推算模型，在不同地區(qū)與不同氣候背景下的測(cè)試結(jié)果表明，推算值與露水測(cè)量值趨勢(shì)一致，但誤差超過30%，由于人造表面與自然植被的差異性，只能用來粗略估算潛在露水量，而且模型本身固有的對(duì)表面能量平衡的簡化有低估露水量的趨勢(shì)，之后TOMASZKIEWICZ等[6]對(duì)該模型進(jìn)行了訂正，并預(yù)測(cè)了地中海沿岸的露水凝結(jié)量。

MADEIRA等[69]還發(fā)展了基于云物理能量平衡關(guān)系間接模擬露水持續(xù)時(shí)間的模型，使用簡化的能量平衡/云物理模型估計(jì)濕度傳感器表面的露水，模型結(jié)合了輻射、云量和云的高度、空氣溫度和風(fēng)速進(jìn)行估算，使用2種不同方法計(jì)算向下長波輻射，第一種是用云量和云層高度計(jì)算天空溫度的EBI模型，而第二種是基于云量估計(jì)天空輻射率的EBII模型。2種模型均依賴于可靠的云量觀測(cè)數(shù)據(jù)，還取決于云高度數(shù)據(jù)的可用性，而且用于對(duì)比的濕度傳感器表面物理特性與陸面典型下墊面有較大差別，濕度傳感器上的露水持續(xù)時(shí)間難以反映真實(shí)陸地下墊面的露水發(fā)生情況。

3 面臨的主要科學(xué)問題

目前，大部分露水觀測(cè)試驗(yàn)都是基于單一固定地點(diǎn)、某個(gè)特定的試驗(yàn)時(shí)段，且利用人造冷凝表面來測(cè)量露水，采樣時(shí)間短、數(shù)據(jù)量小。盡管對(duì)露水的形成機(jī)理有了一定認(rèn)識(shí)，露水的數(shù)值模擬研究也取得了一些階段性成果，但至今還沒有較為完善的自然露水模擬方案，露水的觀測(cè)和模擬仍然存在問題。

(1)露水觀測(cè)數(shù)據(jù)序列短，難以開展不同地區(qū)的對(duì)比研究，模型的代表性不足。以往研究大多集中在歐洲、西亞的地中海沿岸及其他大洲的局部地區(qū)，以干旱半干旱地區(qū)為主，而且受露水測(cè)量方法和手段不同的限制，往往開展的是局限于某一固定地點(diǎn)且在特定采樣時(shí)間段內(nèi)的短期試驗(yàn)[70]，如對(duì)半干旱草地或干旱荒漠區(qū)為期一個(gè)月或更短時(shí)間尺度的觀測(cè)，觀測(cè)難度大且數(shù)據(jù)序列整體較短，獲取的露水凝結(jié)數(shù)據(jù)非常有限，缺乏連續(xù)可靠的自然露水觀測(cè)，且由于局地下墊面狀況和人工冷凝器表面材質(zhì)的差異，加之操作過程中容易產(chǎn)生誤差，難以開展不同地區(qū)、不同時(shí)間尺度的露水對(duì)比研究。因此，基于較短數(shù)據(jù)建立的露水模型代表性明顯不足。

(2)露水模擬的凝結(jié)表面不同，缺乏對(duì)自然露水的有效測(cè)量與模擬。露水是一種界面問題，它發(fā)生在大氣與凝結(jié)表面之間的邊界處。目前，露水模擬所依托的凝結(jié)表面不同，有人造凝結(jié)面、自然植被、裸土、城市屋頂?shù)?。由于自然凝結(jié)面露水獲取難度大，目前大多是基于人造凝結(jié)面的露水測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行露水凝結(jié)量的建模，但人工露水凝結(jié)表面的材質(zhì)也不同，有仿自然材料(楊木棒、絨布、吸水紙等)或疏水材料(如聚四氟乙烯、耐熱玻璃、不銹鋼的小托盤或平板等)，研究雖然已經(jīng)證明了有些模型在露水凝結(jié)量的模擬中有一定的有效性，但必須認(rèn)識(shí)到模型相關(guān)的局限性。當(dāng)使用具有不同表面幾何形狀或物理特性的凝結(jié)器時(shí)，自身發(fā)射率的不同可能導(dǎo)致同步開展的觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的顯著差異，甚至可以發(fā)現(xiàn)存在400%的差異[43]。因此，人造露水凝結(jié)器收集的露水量有很大的不確定性。大多數(shù)有關(guān)露水的模擬都基于非自然生態(tài)系統(tǒng)的人造凝結(jié)面，且一般遠(yuǎn)離自然陸地表面[41-43]，而露水更多地形成在自然陸地及植被表面，因此，很難在自然下墊面上取得比較理想的露水估算效果。

(3)對(duì)不同下墊面的露水形成物理機(jī)制分析不夠透徹。在自然環(huán)境中，露水受大氣、植被、土壤的質(zhì)量和能量平衡共同影響，其物理機(jī)制十分復(fù)雜。陸地凝結(jié)表面可能是裸露的土壤或植物冠層，涉及到陸面與大氣之間的輻射交換、邊界層底部和植物冠層中的湍流熱量和水氣交換，以及土壤內(nèi)部的水熱能量傳輸?shù)萚1]，然而目前國內(nèi)外對(duì)不同氣候環(huán)境背景下的露水形成主導(dǎo)影響因素和限制因子的研究尚不夠透徹。不同下墊面特征對(duì)露水的影響也還不清楚，并沒有獲得定量化影響參數(shù)。

露水的形成不僅取決于氣候環(huán)境背景，還受到陸地表面的物理?xiàng)l件、凝結(jié)表面特性以及周圍環(huán)境的熱量、水分和動(dòng)力特性的影響。因此，露水不僅與近地表的氣象參數(shù)如氣溫、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速等有關(guān)，還與云層覆蓋度、天空發(fā)射率、空氣特性(密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等)等要素有關(guān)。除此之外，露水還受制于局地小氣候環(huán)境，即使在同一區(qū)域內(nèi)露水也會(huì)有很大變化，地表反照率和凝結(jié)表面的熱導(dǎo)率變化都可能改變露水凝結(jié)量[29-30]，這也大大增加了其精確測(cè)量和模擬的難度[31-33]。

(4)干旱半干旱地區(qū)陸面模型的潛熱通量關(guān)系不合理。研究表明，在干旱季節(jié)以色列北部內(nèi)蓋夫進(jìn)行測(cè)量的整個(gè)時(shí)期，即使土壤比枯萎點(diǎn)更干燥，仍發(fā)現(xiàn)潛熱通量為凈輻射的10%～15%[71]，夜間能達(dá)到凈輻射的20%。因此，即使是干旱半干旱地區(qū)的干旱季節(jié)，地表的潛熱通量仍不可忽略，而干旱半干旱地區(qū)潛熱通量與露水的關(guān)系密不可分。在干旱半干旱荒漠和農(nóng)田都觀測(cè)到可觀的露水凝結(jié)量[37-39]，然而目前大多數(shù)陸面模型都假定在干旱和半干旱環(huán)境中，潛熱通量僅因降水而產(chǎn)生，在干旱季節(jié)潛熱通量很小可被忽略，這種不合理的假設(shè)很可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。

4 未來研究展望

(1)加強(qiáng)對(duì)不同氣候背景、不同自然下墊面上露水凝結(jié)的認(rèn)識(shí)。雖然人類對(duì)露水的描述和認(rèn)識(shí)由來已久，然而一直到20世紀(jì)70年代以前國內(nèi)外很少有露水的系統(tǒng)研究。由于露水主要發(fā)生在夜晚和清晨，露水量微小，人工觀測(cè)難度大，造成這項(xiàng)工作本身起步較晚，發(fā)展較為緩慢。因此，首先要加強(qiáng)對(duì)不同氣候背景、不同下墊面類型的露水觀測(cè)試驗(yàn)研究，選擇干旱、半干旱、半濕潤、濕潤區(qū)的農(nóng)田、荒漠生態(tài)區(qū)、沙漠、草原等典型下墊面，采用可靠的、統(tǒng)一的露水觀測(cè)設(shè)備開展長時(shí)間序列、不同區(qū)域的同步觀測(cè)試驗(yàn)研究。通過對(duì)比觀測(cè)與分析，揭示不同下墊面上露水形成規(guī)律。

(2)加深自然下墊面露水凝結(jié)機(jī)理研究。在自然環(huán)境中，凝結(jié)表面可能是裸露的土壤、巖石或植物冠層，由于不同土壤類型和下墊面的熱力和水力特性差異很大，植物冠層水熱傳輸?shù)膹?fù)雜性，以及受局地小氣候條件的擾動(dòng)影響大，自然下墊面露水的凝結(jié)是非常復(fù)雜的過程。雖然目前對(duì)人造凝結(jié)面的露水影響機(jī)制有了一定認(rèn)識(shí)，但對(duì)不同氣候背景下自然下墊面露水的機(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠系統(tǒng)全面，露水凝結(jié)機(jī)理尚不清晰，所建立的露水凝結(jié)模型往往是對(duì)地表能量平衡關(guān)系的簡化，存在很大的不確定性，地表能量平衡關(guān)系只適用于解釋自然裸土或沙漠的露水，而對(duì)于短草、稀疏植被甚至高大冠層還需考慮多層作物能量平衡關(guān)系。

(3)發(fā)展適用于中國不同氣候背景下露水的凝結(jié)模型。隨著全球水資源的短缺，露水量更應(yīng)開發(fā)利用。國內(nèi)外對(duì)露水的模擬研究主要集中在歐洲、西亞等地的干旱半干旱地區(qū)，而干旱半干旱地區(qū)面積占我國面積的40%[72]，露水對(duì)干旱半干旱區(qū)局地水分平衡有重要貢獻(xiàn)，因此需構(gòu)建適用于我國不同氣候背景下的露水凝結(jié)模型。

5 結(jié)束語

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和全球氣候變化的影響，我國乃至全球均面臨愈來愈緊迫的水資源挑戰(zhàn)[7]。露水是干旱和半干旱地區(qū)的潛在水源，影響土壤-植物-大氣界面的能量平衡[1]，對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和作物生長關(guān)鍵階段的水分補(bǔ)給具有重要作用，露水資源具有很好的研究前景。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，露水的出現(xiàn)可能有積極或消極的方面。一方面，露水導(dǎo)致植物發(fā)病、降低植物產(chǎn)量和質(zhì)量等[73]，另一方面，露水可視為人類和植物的額外水源，在干旱半干旱地區(qū)或濕潤地區(qū)的干旱時(shí)段，為植物提供天然補(bǔ)充水方面發(fā)揮有益作用。露水會(huì)影響陸地表面輻射轉(zhuǎn)換和對(duì)流熱量傳輸關(guān)系，其形成機(jī)理的研究有助于改進(jìn)和完善全球干旱半干旱地區(qū)陸面能量分配方案。大多數(shù)模式模擬結(jié)果表明，在過去60 a，全球干旱地區(qū)持續(xù)擴(kuò)大，尤其是中緯度地區(qū)由于降水減少和(或)蒸發(fā)增加而導(dǎo)致更嚴(yán)重和更大面積的干旱。國內(nèi)外已經(jīng)在土壤水分輸送、陸面蒸散及潛熱通量變化特征等方面取得了大量研究進(jìn)展，然而對(duì)露水作為陸面水分平衡形成的氣候環(huán)境條件認(rèn)識(shí)很不足，無論在大氣數(shù)值模式還是在陸面水分平衡模擬中對(duì)其考慮十分有限甚至根本沒有考慮。這些問題的研究不僅會(huì)對(duì)露水形成理論有新認(rèn)識(shí)，而且有助于改善陸面數(shù)值模型的參數(shù)化方案，服務(wù)于干旱半干旱地區(qū)的減災(zāi)防災(zāi)。