王忠靜，張子雄，索 瀅

（1. 清華大學(xué)水利水電工程系，北京 100084；2. 清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3. 青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原木業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧 810016）

1 研究背景

水汽通量是除降水外大氣與陸地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行水分、能量交換的主要方式［1］，不僅有從地表向大氣輸送水分的蒸散發(fā)過程，也還有從大氣向地表輸送水分的凝結(jié)過程。大氣中汽態(tài)水在物體表面凝結(jié)形成的凝結(jié)水，在干旱半干旱區(qū)水循環(huán)中不可忽視［2-3］，是降水的補(bǔ)充形式［4］，可提高干旱區(qū)種子萌發(fā)幾率［5］，是沙漠中土壤結(jié)皮的主要水源［6］，也是昆蟲和小動物的重要水分來源［7］。

凝結(jié)水的直接觀測方式包括Duvdevani法、人造凝結(jié)面法、Hiltner露水平衡儀法、微型蒸滲儀法等。Duvdevani法通過木板裝置收集日落至早晨的凝結(jié)水，并將凝結(jié)水滴的外觀、分布與一系列標(biāo)準(zhǔn)化的凝結(jié)水分級照片進(jìn)行對比從而計(jì)算凝結(jié)水量［8］。Duvdevani法簡單易于操作，且成本較低，在以色列［9-10］、印度［4］等地區(qū)獲得應(yīng)用，但觀測得到的凝結(jié)水量并非實(shí)際地表凝結(jié)水量值，僅可用于不同站點(diǎn)之間對比，應(yīng)用存在局限性［11］。人造凝結(jié)面法對Duvdevani法存在的問題進(jìn)行了改進(jìn)，使用高性能吸水布附著于玻璃板作為凝結(jié)面觀測凝結(jié)水量［12］，在以色列內(nèi)蓋夫沙漠獲得應(yīng)用［10，13-14］，缺點(diǎn)在于無法估算凝結(jié)速率和凝結(jié)持續(xù)時間。Hiltner 露水平衡儀法通過對人造冷凝板的連續(xù)稱重計(jì)算凝結(jié)水量的變化［15］，該方法簡單易用，但由于人造冷凝板與土壤表面的凝結(jié)作用存在差異，被認(rèn)為更適用于測量“潛在凝結(jié)水量”。微型蒸滲儀法被認(rèn)為是測量凝結(jié)水量變化速率和凝結(jié)水總量的有效方法［16］。微型蒸滲儀法通過測定水量平衡變化計(jì)算凝結(jié)水量，在凝結(jié)水觀測研究中獲得廣泛運(yùn)用［11］。由于凝結(jié)水量通常非常小，因此該方法對微型蒸滲儀的精度要求較高。Ninari 和Berliner［17］提出微型蒸滲儀法的埋深需要達(dá)到日內(nèi)土壤溫度穩(wěn)定的深度，已有微型蒸滲儀法測量的結(jié)果可能存在誤差，對裝置的布置要求較高。

相比直接觀測，凝結(jié)水的間接觀測研究則更為活躍。常用的方法包括Penman-Monteith 公式法、渦度相關(guān)法（EC）和波文比能量平衡法（BREB）等。Vermeulen等［18］使用EC法和Gerber PVM-100（微粒體積監(jiān)測器）在荷蘭測量了針葉林的凝結(jié)水；Moro等［19］用渦度相關(guān)法估算了西班牙東南部半干旱環(huán)境下的河床凝結(jié)水，Hao等［20］也采用渦度相關(guān)法，評估了塔克拉瑪干沙漠胡楊林的水通量和能量平衡；Lekouch等［21］更進(jìn)一步，利用試驗(yàn)點(diǎn)的環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)速和云量4個變量數(shù)據(jù)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對摩洛哥東南部干旱區(qū)的主要城市的凝結(jié)水量進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示氣象要素能夠通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬凝結(jié)水量。

干旱半干旱區(qū)面積約占全球陸地總面積的41%［22］，該區(qū)域下墊面特殊的水熱交換特征使其對人類活動和氣候變化更為敏感［23］。凝結(jié)水作為干旱半干旱區(qū)相對穩(wěn)定的水分來源，其重要性和價值可能超過短暫的降雨過程［24］。Jia等［25］在寧夏沙坡頭騰格里沙漠的研究結(jié)果顯示，不同類型土壤結(jié)皮的凝結(jié)水量在研究時段6月24日至10月23日間，有83 d觀測到凝結(jié)水，觀測期間凝結(jié)水總量為7.22 ～11.13 mm，在此期間測得降雨量63 mm，凝結(jié)水量能夠占降雨量的11.46%～17.67%；新疆準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠不同類型結(jié)皮表面凝結(jié)水量觀測顯示［24］，5月份的累積量為1～1.56 mm，9月為1.14 ～2.23 mm，10月則為3.22 ～4.51 mm，區(qū)域平均年降水量約為79.5 mm；Kidron等［10］在以色列的納蓋夫沙漠于1987年至1989年的研究顯示日凝結(jié)水量為0.07 ～0.31 mm，平均日持續(xù)時間為1.6 ～4.1 h，區(qū)域平均年降水量約為93 mm。這些研究進(jìn)一步表明凝結(jié)水是干旱半干旱區(qū)水循環(huán)的重要組成部分，在生態(tài)水文過程中有著不容忽視的作用。

三要素水量平衡方程（P-R-E+dW=0）是表達(dá)水循環(huán)規(guī)律的最基本方程，當(dāng)時段內(nèi)流域內(nèi)水資源總量處于相對平衡狀態(tài)（dW=0）時，蒸散發(fā)量等于降水量與徑流量之差，在面蒸散發(fā)量不能直接測量時被認(rèn)為等式恒在。然而，隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，小范圍面蒸散量通過蒸滲儀、渦度相關(guān)法等測量，大范圍面蒸散發(fā)量通過遙感反演后，三要素的水量平衡方程的“恒等”經(jīng)?！安坏取?，蒸散發(fā)量常常高于降水量與徑流量之差。Sammis 和Gay［26］利用蒸滲儀法測得干旱沙漠地區(qū)灌木站點(diǎn)的蒸散發(fā)量為259 mm，利用水量平衡法測得植被蒸散發(fā)量和裸土蒸散發(fā)量為242 mm 和231 mm，研究時段內(nèi)降雨為234 mm，且區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)生可觀測的徑流。Malek 等［27］在半干旱區(qū)沙漠山谷中測得蒸散發(fā)為160 mm/a，降雨是該站點(diǎn)區(qū)域的唯一水來源為131mm/a，蒸散發(fā)量比降雨量高29 mm，凝結(jié)水觀測顯示約有14 mm 的凝結(jié)水參與水循環(huán)；在沙漠中的灌溉區(qū)測得蒸散發(fā)量、降雨量、灌溉量分別為1004 mm/a，320 mm/a，和595 mm/a，蒸散發(fā)量比降雨灌溉之和高89 mm，觀測顯示凝結(jié)水貢獻(xiàn)了其中約29 mm/a，其余部分來自微量降雨和地下水。Berkelhammer 等［28］在森林生態(tài)系統(tǒng)使用同位素方法對夜間水循環(huán)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示凝結(jié)水在夜間水循環(huán)中占據(jù)重要地位，約30%的夜晚觀測到凝結(jié)水。上述研究表明除觀測誤差如微量降雨以外，凝結(jié)水可能是“不等”現(xiàn)象的主要原因。

綜合上述蒸散發(fā)高于降水量與徑流量之差的研究以及列舉的干旱半干旱區(qū)凝結(jié)水觀測成果，結(jié)合本文對凝結(jié)水對水量平衡影響的探索研究，本文認(rèn)為，干旱半干旱區(qū)水量平衡存在其特殊性，蒸散發(fā)量“經(jīng)常”大于降水量與徑流量（流出量-流入量）之差現(xiàn)象的可能原因是由于凝結(jié)水的存在且比重不容忽視，應(yīng)考慮將凝結(jié)水顯式表達(dá)在水量平衡方程中，以便能夠更好地認(rèn)識干旱區(qū)生態(tài)水文過程，有助于更恰當(dāng)?shù)刂贫ㄋY源管理政策［29-30］。

本文利用黑河流域生態(tài)水文觀測網(wǎng)的渦度觀測數(shù)據(jù)，分析凝結(jié)水量以及與水量平衡的關(guān)系，旨在提出（1）黑河流域凝結(jié)水量水平；（2）不同下墊面凝結(jié)水量與凝結(jié)時間特征；（3）凝結(jié)水在水量平衡中占據(jù)的比重；（4）考慮凝結(jié)水的水量平衡方案。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源研究區(qū)位于中國西部河西走廊中段的黑河流域。數(shù)據(jù)來源于國家自然科學(xué)基金委員會“黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心”（http：//www.heihedata.org）［31-32］的黑河流域水文氣象觀測網(wǎng)站點(diǎn)，包括阿柔站、大沙龍站、大滿站、花寨子站、荒漠站、混合林站、濕地站、四道橋站、埡口站以及“黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)”的水文氣象網(wǎng)為流域的模型研究提供的驗(yàn)證數(shù)據(jù)［33］。黑河流域水文氣象觀測網(wǎng)覆蓋黑河流域的上、中、下游，對黑河流域人類活動較密集的區(qū)域具有良好的代表性。

研究區(qū)位置、觀測站點(diǎn)分布見圖1及表1。

表1 渦度相關(guān)法觀測站點(diǎn)及站點(diǎn)信息

圖1 研究區(qū)域高程與觀測站點(diǎn)分布

渦度相關(guān)儀的原始觀測數(shù)據(jù)為10 Hz，利用三維超聲風(fēng)速溫度儀觀測風(fēng)速、風(fēng)向和超聲虛溫，CO2/H2O紅外氣體分析儀觀測CO2和水汽濃度。采用Eddypro軟件通過野點(diǎn)剔除、延時校正、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、頻響修正、超聲虛溫修正以及水汽和CO2通量的空氣密度脈動影響校正（WPL）修正等［34］，生成30 min的顯熱通量、潛熱通量、CO2通量等數(shù)據(jù)。水文氣象觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)集的發(fā)布者對各通量值進(jìn)行質(zhì)量評價，主要是大氣平穩(wěn)性和湍流相似性特征的檢驗(yàn)，以及輸出通量值的質(zhì)量控制。

2.2 凝結(jié)水計(jì)算本文的凝結(jié)水觀測采用渦度相關(guān)法（Eddy Covariance Technique，EC）。EC 是由Swinbank于1951年提出的一種微氣象學(xué)測量方法，其通過測量湍流脈動值計(jì)算大氣與下墊面之間的物質(zhì)與能量交換［35］，是一種直接測定通量的標(biāo)準(zhǔn)方法。本研究將潛熱通量的負(fù)值作為凝結(jié)水觀測值。

渦度相關(guān)法能夠在相對大的區(qū)域上測量地表能量通量的變化。日間，渦度相關(guān)法測得的潛熱通量為正值（向上），一般歸因于蒸散發(fā)，地表水汽通過蒸發(fā)作用進(jìn)入大氣；夜間，渦度相關(guān)法測得的潛熱通量有時是負(fù)值（向下），則可歸因于凝結(jié)水，這是由于空氣中的水汽在冷凝作用下凝結(jié)，從而產(chǎn)生向下的潛熱通量［19］。利用能量平衡和渦度協(xié)方差技術(shù)，將可測得的潛熱通量晝夜變化用于估計(jì)凝結(jié)水量。

根據(jù)渦度相關(guān)法，某一物理變量C（如CO2或水汽）的垂直通量F可通過式（1）計(jì)算［36］：

式中：w為垂直風(fēng)速；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；x為C的濃度，為C在空氣中密度與空氣密度之比。根據(jù)Reynolds 分解［37］，可得到其中表示空氣密度、垂直風(fēng)速和物理變量濃度的平均值，ρ′a、w′和x′表示空氣密度、垂直風(fēng)速和物理變量x濃度的脈動值?；诖丝傻玫绞剑?）［38］：

依據(jù)上式，則顯熱通量（H），潛熱通量（LE）可分別表示為式（4）、式（5）［36］：

其中：Cp為濕空氣的定壓比熱容，Cp=1004.64()1+0.84q ，q 為比濕；Lv為汽化潛熱，Lv=(2.501-0.00237T )×106，單位為J/kg，T為氣溫；ρv為水汽絕對密度（kg/m3）；Ts為實(shí)際空氣的超聲虛溫。

渦度相關(guān)法觀測得到的潛熱通量往往存在缺失值，在應(yīng)用前需對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。本研究中通量數(shù)據(jù)缺失值小于等于1.5 h的缺失數(shù)據(jù)使用線性內(nèi)插法插補(bǔ)，大于1.5 h且小于等于24 h使用平均晝夜變化法插補(bǔ)（mean diurnal variation method）［20，39-40］，大于24 h則視為無效數(shù)據(jù)不予使用。

3 結(jié)果與討論

3.1 凝結(jié)天數(shù)、歷時及水量根據(jù)上述方法，計(jì)算2016年黑河水文氣象觀測網(wǎng)站點(diǎn)的凝結(jié)水特征如表2所示。其中每日凝結(jié)時長表示在凝結(jié)水發(fā)生的天數(shù)中平均每日的凝結(jié)發(fā)生時長，凝結(jié)發(fā)生時長通過統(tǒng)計(jì)負(fù)值潛熱通量的時間長度確定。日均凝結(jié)水量通過凝結(jié)水總量與凝結(jié)水總天數(shù)計(jì)算得到。2016年總天數(shù)為366 d，但由于各站點(diǎn)缺測、漏測問題，導(dǎo)致具有完整24 h觀測數(shù)據(jù)的可用天數(shù)存在不同，因此表2中各站點(diǎn)的觀測總天數(shù)存在不同。

從表2可知，黑河流域的9個觀測站普遍觀測到凝結(jié)水。利用可用的觀測數(shù)據(jù)計(jì)算凝結(jié)水發(fā)生天數(shù)占觀測天數(shù)的比例得到阿柔站100%的天數(shù)產(chǎn)生凝結(jié)，埡口站、大沙龍站、花寨子站、荒漠站和四道橋站有97% ～99.7%的天數(shù)產(chǎn)生凝結(jié)水，濕地站和混合林站凝結(jié)水發(fā)生比例分別為76.3%和75.6%?？梢哉J(rèn)為，該區(qū)域凝結(jié)現(xiàn)象普遍發(fā)生且頻繁發(fā)生。

計(jì)算產(chǎn)生凝結(jié)作用的日子里凝結(jié)的持續(xù)時間可知，荒漠站的每日凝結(jié)時長最長為每天10.2 h，考慮是因荒漠下墊面土壤含水量較低所致；濕地站每日凝結(jié)時長最短僅為1.3 h，考慮是因濕地站下墊面較為濕潤的緣故；其余站點(diǎn)的每日凝結(jié)時長在3.1 ～9.4 h不等。各站點(diǎn)觀測到的潛熱通量負(fù)值通常發(fā)生在傍晚至清晨，表明黑河流域的夜晚通常會有水汽通過凝結(jié)回到地表，形成夜間的水汽循環(huán)。比較凝結(jié)水發(fā)生的天數(shù)比例和每日凝結(jié)時長如圖2所示。從圖2可以看出，凝結(jié)水的發(fā)生比例與每日凝結(jié)時長存在一定關(guān)系，凝結(jié)水的每日凝結(jié)時長較高的站點(diǎn)如埡口站、大沙龍站、阿柔站、花寨子站、荒漠站和四道橋站，其凝結(jié)水發(fā)生的天數(shù)比例較高。兩者的相關(guān)性表明這些站點(diǎn)具有較高的凝結(jié)水發(fā)生頻率使得每日凝結(jié)時長和凝結(jié)水發(fā)生的天數(shù)比例均具有較高的水平。

表2 凝結(jié)水總量與持續(xù)時間統(tǒng)計(jì)

圖2 比較凝結(jié)水發(fā)生天數(shù)比例與每日凝結(jié)時長

與發(fā)生凝結(jié)的天數(shù)及每日時長一樣，凝結(jié)水總量及日均凝結(jié)水量在不同站點(diǎn)也是不同。凝結(jié)水量最大的是埡口站為24.66 mm，最小的是大滿站為6.33 mm，阿柔站和花寨子站為19.88 ～21.44 mm不等，而大沙龍站、濕地站、荒漠站、混合林站和四道橋站為6.68 ～16.06 mm不等。各站點(diǎn)具有不同的日均凝結(jié)水量，其中日均凝結(jié)水量最高的是四道橋站為0.0791 mm，埡口站日均凝結(jié)水僅次于四道橋站為0.0699 mm。最低的是大滿站為0.0225 mm，與凝結(jié)水總量的最低值站點(diǎn)一致。阿柔站和花寨子站為0.0551 ～0.0591 mm 不等，而大沙龍站、濕地站、荒漠站和混合林站為0.0353 ～0.0454 mm不等。凝結(jié)水速率通過日均凝結(jié)水量和每日凝結(jié)時長計(jì)算得到，表示發(fā)生凝結(jié)水的時段中每小時產(chǎn)生的凝結(jié)水量。凝結(jié)水速率在各站點(diǎn)間差異較小，凝結(jié)水速率最高為濕地站3.15×10-2mm/h，最低為荒漠站為0.40×10-2mm/h，其余站點(diǎn)凝結(jié)水速率在0.58×10-2～1.29×10-2mm/h不等。

3.2 凝結(jié)水量與降水及蒸散發(fā)量對比將9個站點(diǎn)渦度儀在可用觀測天數(shù)期間得到的潛熱通量正值作為蒸散發(fā)量，負(fù)值作為凝結(jié)水量，以及雨量計(jì)觀測的降雨量列在一起，并計(jì)算凝結(jié)水量與蒸散發(fā)量和降水量的比例列于表3。

由表3可知，蒸散發(fā)量最大的是濕地站為854.09 mm，蒸散發(fā)量最低的是荒漠站為51.42 mm。埡口站、大沙龍站、阿柔站、大滿站和混合林站的蒸散發(fā)量為420 ～730 mm不等，花寨子站和四道橋站的蒸散發(fā)總量分別為293.22 mm 和190.64 mm，處于較低的蒸散發(fā)水平。黑河流域降雨量差異較大，降雨量最高的是埡口站為462.0 mm，大沙龍站和阿柔站的降雨量為355 ～465 mm不等，荒漠站和四道橋站降雨量最少，分別為36.1 mm和11.7 mm。整體而言，站點(diǎn)降雨量具有隨站點(diǎn)高程的降低而減少的趨勢。對比降雨量和蒸散發(fā)量可知，除埡口站以外其余站點(diǎn)的蒸散發(fā)量均高于降水量。在蒸散發(fā)量高于降雨量的8個站點(diǎn)中，大沙龍站、阿柔站、大滿站、濕地站、混合林站和四道橋站均有良好的植被覆蓋，蒸散發(fā)量高于降雨量和凝結(jié)水量之和的原因是受到徑流補(bǔ)給。花寨子站下墊面為荒漠草原，同樣由于徑流補(bǔ)給使得蒸散發(fā)量高于降雨量與凝結(jié)水量之和?；哪镜南聣|面為荒漠，極端干旱且無灌溉活動和地表水補(bǔ)給通道，這一站點(diǎn)蒸散發(fā)量高于降雨量的情況與本文提出的“蒸散發(fā)量大于降水量與徑流量之差現(xiàn)象”相符。

表3 黑河生態(tài)水文觀測站網(wǎng)站點(diǎn)2016年凝結(jié)水量、蒸散發(fā)量及降水量對比

凝結(jié)水量占蒸散發(fā)總量之比平均為6.62%，其中荒漠站凝結(jié)水與蒸散發(fā)之比最高為28.82%，濕地站凝結(jié)水與蒸散發(fā)之比最低為0.78%。埡口站、阿柔站、花寨子站和四道橋站的凝結(jié)水占蒸散發(fā)比例為4%～9%不等，大沙龍站、大滿站和混合林站的凝結(jié)水與蒸散發(fā)比為1%～2.3%不等，可知不同下墊面凝結(jié)水與蒸散發(fā)之比差別較大。由于干旱半干旱區(qū)荒漠覆蓋面積大，荒漠站凝結(jié)水與蒸散發(fā)之比最高，因此凝結(jié)水對干旱半干旱區(qū)的重要性不可忽視。

凝結(jié)水與降雨總量之比平均為27.03%，其中四道橋站凝結(jié)水與降雨量之比最高為137.28%，凝結(jié)水超過降雨在可用觀測時段期間成為主要的水來源；荒漠站次之為41.05%，凝結(jié)水與降雨量之比最低的是大沙龍站為3.14%?；ㄕ诱?、混合林站和濕地站凝結(jié)水占降雨量之比為10%～20%不等，埡口站、阿柔站和大滿站的凝結(jié)水占降雨量之比為4%～7%。整體而言，凝結(jié)水占降雨量比例具有隨高程降低而增大的趨勢。凝結(jié)水是黑河下游不可忽視的水來源。由此可知，當(dāng)水量平衡忽略凝結(jié)水時，由于缺少凝結(jié)水的水量輸入，水量平衡中的水量輸入項(xiàng)較實(shí)際情況少，可能會出現(xiàn)蒸散發(fā)量高于降水量與徑流量之差的現(xiàn)象。

3.3 凝結(jié)水量與水量平衡方程閉合度上述數(shù)據(jù)與分析表明，凝結(jié)水在干旱區(qū)水循環(huán)要素中的比例并不很低，在有些下墊面情況下甚至很大，應(yīng)在水量平衡方程中顯式表達(dá)。

一個區(qū)域的水量平衡方程的一般形式可以表述為：

式中Win、Wout、ΔS 分別為計(jì)算區(qū)域的入流量、出流量和儲量變化值。

不同尺度、不同區(qū)域的水量平衡計(jì)算公式通常有不同變型。對于閉合流域且無跨流域調(diào)水時，水量平衡公式為：

流域的入流量為降水量P，出流量為垂向蒸散發(fā)量ET 及橫向地表水及地下水出流量之和R，儲存量的變化為土壤水、地表水、地下水的儲量變化之和ΔS［41］。儲存量中，地表水儲量可以通過對水位和地形的觀測得到，土壤水和地下水儲量既可以通過埋設(shè)土壤墑情傳感器和地下水觀測網(wǎng)進(jìn)行點(diǎn)尺度觀測，也可以通過遙感衛(wèi)星進(jìn)行面尺度觀測［42］。但由于地表徑流觀測的難度，以及土壤墑情傳感器和地下水點(diǎn)尺度觀測存在的誤差，對儲存量的精確估算往往存在難度。而長時間尺度上，流域的總儲水量通常變化不大，可將儲存量視為趨近于0［43］。以上水量平衡公式是水資源評價的基本出發(fā)點(diǎn)。

在計(jì)入凝結(jié)水量后，水量平衡要素增加為4項(xiàng)，水量平衡方程變?yōu)椋?/p>

式中N為凝結(jié)水量，單位mm。

本文計(jì)算了9個站點(diǎn)的降雨量、蒸散發(fā)量、凝結(jié)水量。其中，荒漠站最為典型?；哪疚挥趦?nèi)蒙古額濟(jì)納旗，下墊面是荒漠，自2015年4月開始觀測至今。該站觀測范圍內(nèi)，無地表徑流補(bǔ)給，地表產(chǎn)流及地下徑流較少，所在區(qū)域土壤水、地表水和地下水的儲量總量也較小，水循環(huán)過程主要是降雨、蒸發(fā)、凝結(jié)。

在研究時段內(nèi)，荒漠站降雨量P 為36.1 mm，蒸散發(fā)量ET 為51.42 mm，根據(jù)傳統(tǒng)水量平衡公式，計(jì)算可得R+ΔS為-15.32 mm。這一結(jié)果表明荒漠站所在區(qū)域受地表水、地下水、儲量的補(bǔ)給為15.32 mm。但該站地處干旱區(qū)，降水量稀少，下墊面為荒漠，無灌溉活動，無地表水補(bǔ)給通道，因此這一結(jié)果存在明顯的誤差。

考慮新的水量平衡方程，將荒漠站凝結(jié)水量14.82 mm代入方程，計(jì)算可得R+ΔS僅為-0.5 mm，平衡關(guān)系基本成立，與該地區(qū)極端干旱狀況相符。此外，由于干旱半干旱區(qū)降雨易產(chǎn)生觀測誤差，同時渦度相關(guān)法觀測得到的蒸散發(fā)及凝結(jié)水量同樣存在觀測誤差，因此-0.5 mm的R+ΔS值可認(rèn)為是誤差、地表地下徑流、以及儲量變化的總和。綜合誤差因素、當(dāng)?shù)貧夂蛞蛩?，這一結(jié)果與實(shí)際情況更為相符。

對比前后兩項(xiàng)水量平衡公式可知，傳統(tǒng)的水量平衡公式未考慮凝結(jié)水因素，因此由于凝結(jié)作用導(dǎo)致的計(jì)算誤差都被考慮在R+ΔS 中，在凝結(jié)作用活躍的區(qū)域會錯誤估計(jì)地表地下水徑流和儲量變化，這一誤差取決于凝結(jié)水量在總水資源量中占據(jù)的比重。而研究中存在的蒸散發(fā)高于降水量的狀況，其中的部分原因也是由于通過蒸散發(fā)從地表進(jìn)入大氣的水汽在凝結(jié)作用下回到地表，使得這部分水資源量的計(jì)算出現(xiàn)誤差。新水量平衡解決了凝結(jié)水導(dǎo)致的誤差，有效提高水量平衡方程閉合度。3.4 凝結(jié)水估算的不確定性及能量閉合度分析 諸多研究表明能量不閉合問題在渦度相關(guān)法觀測中普遍存在，顯熱通量與潛熱通量之和（H+LE）通常低于可用能量（Rn-G）［44］，也有研究指出基于渦度相關(guān)法的凝結(jié)水量估算誤差問題，半小時尺度的凝結(jié)水量估算誤差要高于日尺度和月尺度的誤差水平［19］。能量閉合度的測定可通過（H+LE）與（Rn-G）的線性回歸進(jìn)行評價［31，45］，各站點(diǎn)半小時尺度的（H+LE）與（Rn-G）線性擬合如圖3。

圖3 各站點(diǎn)2016年可用觀測天數(shù)期間的渦度相關(guān)法能量閉合程度

圖3的斜率代表能量閉合度水平。各站點(diǎn)能量閉合度平均為0.69，最大值為混合林站0.93，最小值為埡口站0.44，花寨子站、濕地站和四道橋站的能量閉合度為0.70至0.77不等，大沙龍站、阿柔站、大滿站和荒漠站的能量閉合度為0.62至0.67不等?？梢姡芯繀^(qū)域的渦度觀測也存在能量不閉合問題。其影響因素多種多樣，如有研究認(rèn)為風(fēng)速對凝結(jié)水的形成有影響，微風(fēng)有利于凝結(jié)水的形成，較大風(fēng)速則不利于水分凝結(jié)［2，46-47］，而在微風(fēng)的夜晚渦度相關(guān)法會因能量不閉合問題而低估潛熱通量［40］，導(dǎo)致凝結(jié)水被低估。根據(jù)這一點(diǎn)，本文估算的凝結(jié)水量或低于實(shí)際凝結(jié)水量，能量閉合度0.69相應(yīng)的凝結(jié)水低估值占（Rn-G）的比例在0%至31%之間，進(jìn)一步說明凝結(jié)水在水量平衡中不可忽視，后續(xù)研究需要更高精確度的凝結(jié)水量觀測與估算。

此外，本研究直接使用渦度相關(guān)法觀測得到的潛熱通量負(fù)值計(jì)算凝結(jié)水量，但在實(shí)際觀測中其仍可進(jìn)一步細(xì)分為3部分：（1）溫度低于露點(diǎn)溫度時氣態(tài)水在地面表層凝結(jié)；（2）氣態(tài)水在植被表面凝結(jié)；（3）氣態(tài)水進(jìn)入土壤，在土壤顆粒表面變?yōu)橐簯B(tài)水［20］。凝結(jié)水觀測方法，例如渦度相關(guān)法、蒸滲儀法，通常同時觀測這3部分的總和。后續(xù)研究可根據(jù)露點(diǎn)溫度和土壤中凝結(jié)的發(fā)生條件，對凝結(jié)水的3部分進(jìn)行細(xì)分，分別研究3者在水量平衡中的地位。

4 結(jié)論

凝結(jié)水是干旱半干旱區(qū)的重要水來源之一，凝結(jié)作用是蒸散發(fā)的逆向運(yùn)動，在干旱半干旱區(qū)忽視凝結(jié)水可能導(dǎo)致較大的水量平衡計(jì)算誤差。為此，本文利用渦度相關(guān)法觀測凝結(jié)水量，并提出考慮凝結(jié)水的水量平衡方程，主要得出以下結(jié)論：（1）黑河流域的9 個觀測站普遍在夜間觀測到凝結(jié)水，埡口站、大沙龍站、阿柔站、花寨子站、荒漠站和四道橋站均具有97%以上的天數(shù)觀測到凝結(jié)水，凝結(jié)水作用在以上站點(diǎn)頻繁發(fā)生，黑河流域具有普遍且頻繁的凝結(jié)作用。每日凝結(jié)時長最高的是荒漠站為10.2 h，而最低的是濕地站為1.3 h。（2）2016年凝結(jié)水總量在不同站點(diǎn)差距較大，凝結(jié)水量最大的是埡口站為24.66 mm，最小的是大滿站為6.33 mm，阿柔站、花寨子站為19.88 ～21.44 mm不等，而大沙龍站、濕地站、荒漠站、混合林站和四道橋站為6.68 ～16.06 mm不等。對日均凝結(jié)水于每日凝結(jié)時長分析得知，日均凝結(jié)水是對凝結(jié)水總量的主要影響因素。能量不閉合分析可知渦度相關(guān)法估算得到的凝結(jié)水量可能低于實(shí)際凝結(jié)水量，凝結(jié)水量在水量平衡中的地位不可忽視。（3）凝結(jié)水量占蒸散發(fā)總量之比平均為6.62%，比例最高的是荒漠站為28.82%，比例最低的是濕地站為0.78%。埡口站、阿柔站、花寨子站和四道橋站的凝結(jié)水占蒸散發(fā)比例為4%～9%不等，大沙龍站、大滿站和混合林站的凝結(jié)水與蒸散發(fā)比為1%～2.3%不等。凝結(jié)水與降雨總量之比平均為27.03%，其中四道橋站凝結(jié)水與降雨量之比最高為137.28%，荒漠站次之為41.05%，比例最低的是大沙龍站為3.14%。花寨子站、混合林站和濕地站，凝結(jié)水占降雨量比例為10%～20%不等，其余站點(diǎn)比例為4%～7%。整體而言，凝結(jié)水占降雨量比例具有隨高程降低而增大的趨勢。（4）考慮凝結(jié)水的水量平衡方程包含降水項(xiàng)、蒸散發(fā)項(xiàng)、凝結(jié)水項(xiàng)、徑流項(xiàng)、儲量變化項(xiàng)，通過五項(xiàng)變量表征干旱半干旱區(qū)的水循環(huán)。在多年平均的尺度上，當(dāng)流域的總儲水量變化不大，可概括為四要素的水量平衡方程，即P+N-ET-R=0?；哪镜膽?yīng)用表明新水量平衡方程與實(shí)際更為相符。新的水量平衡方程充分考慮了從地表進(jìn)入大氣后再次回到地表的水量，減少凝結(jié)水導(dǎo)致的閉合度誤差，從而有效提高了水量平衡方程的精確度。