2017–2019 年寧夏蘭山驕子葡萄園日蒸散發觀測數據集

熊育久，林曉雨，馮房觀，張清濤

1.中山大學土木工程學院，珠海 519082

2.中山大學水資源與環境研究中心，廣州 510275

引 言

蒸散發是水分相態變化過程，包括植物蒸騰、截流蒸發、土壤蒸發和自由水面蒸發[1-2]。因蒸散發同時關聯水文過程、能量過程、蒸騰與光合過程，深刻影響地球水、熱、碳三大過程，準確量化蒸散發是相關領域研究的關鍵基礎[3-4]。尤其對農田生態系統，精準掌握蒸散發逐日變化，是認知農作物耗水與需水規律、提高作物水分利用效率的理論依據，為精準農業、農業水資源管理與高效利用提供基礎數據[5-7]。

目前田間尺度蒸散發觀測方法主要有渦動相關法、波文比能量平衡法、蒸滲儀法等[1-2]。其中：渦動相關法是國際通量觀測網絡的常規方法，適用下墊面類型廣、數據質量較高，但觀測系統價格昂貴、維護成本高[8]；波文比能量平衡法基于常規氣象要素，價格相對渦動相關系統便宜，但觀測精度受溫濕度梯度差異和下墊面異質性影響大[2,9]；大型稱重式蒸滲儀（直徑≥2m、深度超過1 m）觀測精度高，但造價高[2,10]。國內已發表的蒸散發觀測數據主要來自中國通量網絡[11]，但農田生態系統的逐日蒸散發數據較少，主要集中在玉米，采用渦動相關法觀測[12]和稱重式蒸滲儀觀測[13]，其他觀測方法和葡萄等經濟作物的逐日蒸散發數據鮮有報道。

本數據集提供的葡萄園日蒸散發觀測數據集，覆蓋2017–2019 年。蒸散發結果利用波文比能量平衡法與高頻溫度法觀測，經過質量控制與評估，不僅可為掌握葡萄耗水、需水提供依據，還能為評價不同觀測方法在高異質葡萄園的適用性提供數據支持。

1 數據采集和處理方法

1.1 數據采集地點

觀測實驗于2017–2019 年在寧夏回族自治區銀川市永寧縣、賀蘭山東麓玉泉營農場的蘭山驕子葡萄園（106°1′44.66″E、38°14′17.54″N）開展。該區域地處黃河上游，屬于溫帶大陸性氣候，干旱少雨（多年平均約200 mm）、日照時數長（多年平均約2900 h）、晝夜溫差大。

觀測葡萄園呈矩形，面積約10 畝（6666.67 m2），土壤為沙壤土，田間持水量平均為13%–14%。種植的品種為摩爾多瓦（Vitisvinifera L.cv.Moldova）、樹齡7 年，行距3.5 m、株距0.5 m，成熟期冠層高度在1.5 m 左右。葡萄通常在4 月下旬種植，生育期大致劃分為：萌芽期（4 月下旬至5 月20日）、開花坐果期（5 月21 日至7 月初）、果實膨大期（7 月初至8 月初）、成熟期（8 月中旬至8月底）、落葉期（9 月初至10 月初）。葡萄出土后開始第一次漫灌（4 月中下旬），隨后每隔20 天左右滴灌一次（每畝灌水量約50 m3），直至果實采收前30 天結束滴灌；待葡萄剪枝后灌冬水（漫灌，11 月中旬）、埋土。葡萄種植后通常施肥2 次，每次施肥量10–15 kg/畝。

1.2 數據觀測與采集方法

2017 年夏季在葡萄園中部安裝波文比觀測系統（如圖1 所示），傳感器包括凈輻射、土壤熱通量板、雙層溫濕度和數據采集器（具體型號與制造商見圖1c）。傳感器每5 s 采樣一次，采集器每10 min 自動記錄該期間平均值。2018 年在波文比系統上增加高頻溫度觀測（采樣頻率10 Hz），構成高頻溫度觀測系統。

圖1 波文比與高頻溫度采集系統示意圖（a、b）及傳感器信息（c）Figure 1 Schematics of the dataset observation systems: Bowen ratio energy balance method (a) and the surface renewal method b), along with sensor information (c)

1.3 數據處理方法

本數據集最終提供日尺度蒸散發數據，來源于各日7:00–19:00 點間每10 min 觀測值累加。若因傳感器故障或計算結果異常引起的瞬時數據缺失（每10 min），利用缺失前后鄰近時刻蒸散發結果線性插值獲得。波文比能量平衡法與高頻溫度法計算公式介紹如下。

1.3.1 波文比能量平衡法

根據波文比能量平衡法（公式1），瞬時蒸散發（ETBR_10）等于可利用能量（Rn-G）與波文比（β）的比值。

式中：Rn、G分別為每10 min 觀測的凈輻射和土壤熱通量（W m–2）；L為汽化潛熱系數（2.49×106J kg-1）；β值利用每10 min 觀測的溫濕度梯度計算（公式2）。

式中：ΔT、Δe分別為每10 min 上下層溫度差和實際水汽壓差；γ為干濕表常數。各層實際水汽壓和γ均可根據聯合國糧農組織發布的第56 號文檔計算（FAO paper 56）[14]，詳細可參考文獻[15]。

根據公式1，β值接近-1 時計算的蒸散發異常，本數據集根據文獻[16]剔除-3.000 至-0.333 之間的β值，剔除后的蒸散發數值通過插值獲得；此外，若早晚時刻計算的瞬時蒸散發為負，不符合蒸散發過程，直接賦0 值。對于以上兩類蒸散發數據，以及因傳感器缺測引起的數據缺失，均標記為無效數據，根據各日無效數據占比進行數據質量等級賦值（表1）。

表1 數據質量等級Table 1 Quality classification of the daily ET dataset

1.3.2 高頻溫度法

高頻溫度法（surface renewal method），亦翻譯為表面更新法[2]，其原理是利用高頻溫度斜坡式升降變化結構函數描述湍流運動、計算顯熱通量（HSR_10，公式3），再通過能量平衡余項法獲得潛熱通量和蒸散發（ETSR_10，公式4）。

式中：α為校正系數，本文計算取1；z為高頻溫度傳感器觀測高度；ρ、Cp分別為空氣密度（g m-3）和空氣定壓比熱（J g-1K-1）；a為高頻溫度斜坡變化幅度（K）；τ為斜坡變化周期（s）。a、τ均可利用高頻溫度結構函數求解，詳細可參考文獻[15]。

對于高頻溫度法，無效數據包括早晚時刻計算的瞬時蒸散發負值、10 min 內高頻溫度缺測引起的數據缺失或結構方程無解，同理可根據表1 的無效數據比例判定各日數據質量。

2 數據樣本描述

2.1 數據集命名與數據庫結構

本數據集為寧夏蘭山驕子葡萄園日尺度蒸散發觀測值，時間覆蓋2017 年8 月至2019 年10 月，共計1 個EXCEL 數據文件，約74 KB，文件命名為“2017–2019 年寧夏蘭山驕子葡萄園日蒸散發觀測數據集”，內含1 個數據表，命名為“蒸散發觀測日值”，由10 列屬性組成，分別為序號、觀測日期、基于波文比能量平衡法的蒸散發及其質量等級、基于高頻溫度法的蒸散發及其質量等級，以及反映對應日期氣象特征的凈輻射、氣溫、飽和水汽壓差（VPD）、降水量，共724 行（如表2 所示）。

表2 數據樣本展示Table 2 Data sample of the daily ET dataset

2.2 數據缺失情況

對波文比法，因傳感器、采集器等設備故障引起的數據缺失，在日內已經進行無效數據標記，在日尺度無缺失值。由于高頻溫度法主要在生長季觀測，未觀測期日期的數據用“NAN”表示，部分因高頻溫度傳感器損壞引起的日值缺測（占比13.4%），同樣用“NAN”標注。

3 數據質量控制和評估

數據觀測與采集均按照業內標準和規范進行，各傳感器均由業內著名生產商制造，且定期維護，采集人員均通過專業培訓、了解觀測原理和掌握儀器操作與采集程序，數據觀測質量可靠。本數據集在研制過程中，根據各日內缺測或方法局限性引起的數據缺失，進行了數據質量標定，各蒸散發日值有對應的質量評估等級，加強了數據質量控制。此外，基于本數據集的蒸散發方法對比研究成果已通過同行專家評審，發表在業內權威期刊《Journal of Hydrology》（見文獻[15]），表明數據具有較高的可信度。

4 數據價值

本數據集提供了葡萄園日尺度蒸散發觀測數據，有望為經濟作物葡萄的需水規律研究提供科學數據，為干旱區農業水資源高效利用提供數據支持。此外，高頻溫度法在歐美國家獲得廣泛應用，觀測精度可媲美渦度相關法，且高頻溫度法觀測成本比波文比系統還略低，但在中國鮮有應用報道，本數據集提供的高頻溫度觀測數據還能為評價該方法在高異質葡萄園的適用性提供數據支持，豐富我國地表蒸散發觀測方法。

5 數據使用方法和建議

本數據集從觀測、處理到質量評估均采用國際通用的方法，數據集時間跨度約3 年，觀測對象是典型的經濟作物葡萄，可為葡萄需水灌溉和農業水資源高效利用提供數據支持，也可用于驗證其他模型或遙感反演的蒸散發。

本數據集格式為常見的EXCEL 文件，可直接利用EXCEL 或WPS 等辦公軟件打開。本數據集提供了逐日蒸散發數值及其數據質量等級，建議在應用中考慮數據質量等級。

數據作者分工職責

熊育久（1982—），男，貴州省麻江縣人，博士，教授，研究方向為生態水文。主要承擔工作：野外實驗設計與觀測系統總體運行，數據處理、質量控制與數據集構建等。

林曉雨（1998—），女，廣東省茂名市人，碩士研究生，研究方向為生態水文。主要承擔工作：數據整理與計算。

馮房觀（1999—），男，廣東省清遠市人，碩士研究生，研究方向為生態水文。主要承擔工作：數據整理與計算。

張清濤（1975—），男，山東省濟寧人，博士，副教授，研究方向為農業水資源高效利用。主要承擔工作：觀測系統安裝與維護。