陆面露水凝结预估模型研究进展及面临的主要科学问题与展望

王 兴，张 强，王 胜，王 帆

(1.兰州区域气候中心，甘肃 兰州 730020；2.中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃 兰州 730020)

引 言

在自然生态环境下，露水是指近地面空气在晴朗无风或微风的夜晚冷却下冷却到露点以下时，地表或地面物体表面水汽过饱和部分凝结而形成的水滴[1]。人类对露水的描述和认识由来已久，早在19世纪初，WELLS就对露水的形成进行了科学阐述[2]，之后MONTEITH提出了露水的定义[3]。20世纪60年代，世界气象组织(WMO)给出了露水的正式定义：露水是指水汽通过辐射冷却降温至干净空气的露点以下而在某一表面形成的凝结物。

露水发生在大气边界层最底层，在陆地水资源研究中往往被忽视，然而大量研究已经证实其在陆地生态系统水分收支平衡中的重要性[4-11]。露水事件比降水事件更频繁，因为它更少受特定气候和地理条件限制[12-20]，如果大气水汽条件合适，形成露水的地表热力条件更容易达到，因此露水在许多地区经常出现。研究发现地中海半干旱区43%的夜晚会产生露水，露水可以显著影响夜间土壤水分超过3%[5]。干旱半干旱地区，露水量可以长时间达到甚至超过自然降水量[21-22]，特别在极端干旱时期，露水可将植物生长维持到下一个湿润期[10]。在内盖夫山区每年记录到195个早晨出现露水和雾，露水年凝结量达33 mm，甚至超过极端干旱时期的降雨量[16-17]。研究表明在干旱半干旱地区自然生态系统中，露水作为重要的水分输入，在水分胁迫最大时期是植物生长最主要甚至唯一的水源[10，13，20]。在极端干旱区，露水量和持续时间对地衣分布及其生长形式有决定性影响[17-18]。然而，露水也有利于一些病菌的滋生繁殖，易造成作物病虫害的发生发展[17-20，23-25]，从而对农业生产造成严重损害。

近年来，随着露水测量方法和技术的发展，全球范围内相继开展了一些短期的露水观测试验[26-43]，然而，由于自然下垫面露水获取难度大，试验往往是在自然下垫面上设置人造凝结表面来测量潜在露水，这无疑会影响环境气象要素与自然下垫面露水之间关系的可靠性。大型蒸渗计表面是目前最接近自然露水的下垫面，我国西北地区采用大型蒸渗计对露水开展了连续观测[29-40]，从而使我国对自然下垫面真实露水的客观规律有了更科学、可信的认识。目前，基于对近地层露水时间分布特征和规律的认识，露水预估模型也得到一定发展，然而露水的模拟所依据的数据测量方法千差万别，理论和方法也有很大差异，尤其对典型下垫面露水凝结过程的研究存在诸多问题，至今尚未形成一套完善的露水凝结预估模型，而且缺乏这方面工作的综述性文章。本文试图回顾近几十年露水的国内外研究进展，凝练露水凝结模拟所面临的难点和瓶颈问题，进一步指出未来该领域的研究发展方向，以期为今后露水凝结预估模型研究提供一定参考。

1 露水的形成与测量

1.1 露水形成的气象条件

露水是大气水汽由气态凝结成液态水滴的相变过程[1]，作为大气的凝结物，其形成过程主要在于核化和小滴增长，这两个环节决定露水发生强度和持续时间，可分为3个阶段：形成、增长与消散阶段。露水的产生是水分条件、热量条件及动力扰动条件共同作用的结果。

(1)水分条件。增加空气中的水汽含量至饱和或过饱和状态才能形成露水，近地层相对湿度越大就越容易形成露水。空气中水汽含量的增加主要有两种途径：①当存在空中水汽来源时，随着水汽通量增大，大气相对湿度随之增加；②在具有陆面蒸发源且蒸发表面温度高于气温的条件下，才有可能增加空气中的水汽含量。大气逆湿对露水的形成也有重要作用，张强等[35]在研究绿洲的荒漠表层土壤逆湿和对水分的呼吸过程时，发现夜间大气逆湿可以到达地表，有时后半夜的逆湿不仅可贴地表，而且还可以深入到浅层土壤。

(2)热量条件。露水是相变过程，通过大气降温实现。大气降温过程主要分为平流降温和辐射降温，平流降温伴随较大的降温天气过程发生，发生范围大、面积广；辐射降温范围小且局地性强，由陆面长波辐射冷却造成。刘文杰等[28]通过对云南勐仑稀疏矮草地测得的夜间近地层温度层结变化探讨降露水的形成机制，发现露水大多伴随逆温层出现。

(3)动力条件。动力条件是水分、热量条件发挥作用的催化剂。在大气中主要表现为风，风速的大小直接决定水分子紊动扩散的强度，风速在地表凝结水形成过程中可以起正负两方面的作用[29]，微风可以将湿空气带到地面，但风速过大会导致凝结完全停止，强风增加了凝结表面与空气之间的对流热交换，并降低了可实现的温差和达到露点温度的可能性。

通常，露水的凝结过程需要一定的水分来源，当近地层相对湿度条件满足时才能形成露水，而风速和温度层结的作用相对比较复杂，强风和强不稳定层结均有利于水汽交换，但却不利于辐射冷却形成的低地表温度状态维持。适当的逆温和风速强度正好保持了比较恰当的近地层大气湍流扩散状态，既能使近地层水汽通过湍流输送得到不断补充，又能够保证维持较低的夜间地表温度，容易达到结露条件。

1.2 露水的测量

自然露水的研究一直受制于露水的有效测量，与雨水相比，测量露水显然更具挑战性[5]。目前全球各地特别是干旱半干旱区露水的观测已开展很多，然而对露水的测量还存在不少技术问题，虽然大量研究表明露水是自然生态系统的重要水分来源，但至今没有真正标准的露水测量方法，缺乏比较客观真实的陆面露水观测资料[1,36]，这严重影响了露水形成物理机制和变化规律的深入研究。

在全球水资源紧缺情况下，作为干旱半干旱地区的潜在水源，露水的定量化研究显得非常重要。目前代表性的露水测量方法大体分为7种[31,34，43-66]：人造凝结面露水收集测量法、悬空挂式或掩埋式电子天平直接称重测量法、利用陆面水分平衡原理的平衡测算法、利用传感器热传导能力的电子传导测量法、利用微波辐射计等的遥感测量法、不同深度梯度层的土壤湿度推算法和利用陆面通量观测进行推算的涡动相关法。研究表明当使用不同几何形状表面或特性的凝结器时，凝结表面的不同可能导致同步观测的数据之间存在显著差异[7]，有时在没有刮擦的情况下测量露水，也会显著降低收集露水的体积，因此，露水收集测量法在测量精度要求不太高时可以使用；平衡测算法和土壤湿度推算法在露水量较大的条件下比较适用，当露水量较小时往往会被累计误差掩盖，具有一定的局限性；电子传导测量法必须考虑一些不确定干扰因素引起的误差；由于在夜间测量露水量存在相当大的离散性和不确定性，涡动相关法严重低估了低风速干燥环境的夜间陆面水汽通量[64]，而露水在低风速时更常见，因此不适合用于露水测量。比较而言，直接称重测量法中的大型蒸渗计比较适合连续的露水定量观测，JACOBS等[12]曾用微蒸渗计对以色列沙漠的露水进行了测量，NINARI等[25]和UCLÉS等[67]也通过试验验证了称重式蒸渗计是测定露水的最好方法，这为露水的进一步研究提供了可靠的数据基础。目前张强等[39-40]结合GRIEND等[52]的研究成果，指出测量露水最可靠的方法是大型称重式蒸渗计，不过也需要与微气象和常规气象观测数据相结合以区分蒸渗计重量变化的露水贡献，并提出利用大型蒸渗计测量露水的规范流程(图1)，标志着露水观测试验体系逐渐发展成熟。

图1 计算非降水性水分的数据识别系统(RH为相对湿度，Ts为地表温度，Tdew为露点温度)[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 露水凝结预估模型

由于露水的凝结量小、局地性强，人工观测难度大，对测量仪器的精度要求极高，因此开展长期广泛且直接的露水观测试验不易实现，这就需要开展露水的发生机理研究并发展完善的数值模拟方法。

露水的数值模拟研究以观测数据为基础，对露水的持续时间、凝结量和同步的气象、环境、地理等常规业务观测要素进行分析研究，获取露水凝结与各要素的对应关系，以便利用常规观测或预测资料估算或预测露水。目前研究较多的是露水估算模型，是指利用当前时段已掌握的与露水相关的影响要素推算同一时段的露水；而露水预测是通过当前时段的影响要素变化趋势预测后一时段露水的发生，是目前亟待解决的难点问题和发展方向。模型分为经验模型、半经验半物理模型和物理模型3种。经验模型就是通过露水与气象环境变量的相关性建立模型；物理模型是从露水发生机理出发，通过表面能量平衡关系模拟露水的凝结过程；半经验半物理模型是对物理模型中某些参数进行简化或通过经验关系来替代。

随着对露水影响因子研究的不断深入，国内外已陆续开展了露水凝结量和持续时间的模拟研究[53-68]，发展出了多种露水凝结模型，表1列出目前较为常用的几种露水预估模型的特点和适用性。露水持续时间决定表面保持湿润的时间，以往研究仅关注植物叶面的湿润时间，因为叶面湿润时间不仅直接影响植物的生存能力，还是植物病虫害发生的重要影响因子。露水凝结量的多少直接影响自然生态系统获得的额外水分，露水量是干旱半干旱地区植物、微生物等的重要水源，是处于水分临界阈值区域的重要水分补给。随着对露水形成机理认识的加深及观测、诊断等技术的发展，露水凝结模型也有所发展，从最初的经验模型逐渐发展到利用能量平衡关系建模，其发展过程大致归纳为3个阶段(图2)。

表1 目前较为常用的几种露水预估模型的特点和适用性Tab.1 Characteristics and applicability of several dew prediction models commonly used at present

图2 露水凝结预估模型发展的3个阶段Fig.2 Three stages of development of dew condensation prediction model

2.1 统计回归模型

20世纪70年代末MONTEITH等[53]就开始尝试模拟露水的持续时间。通过与气象变量的相关性强弱来估算露水是较为常用的方法，也就是通过筛选对露水形成有较大贡献的气象因子建立经验模型，气象因子通常包括空气温度、相对湿度、露点温度、云量和风速等要素。PEDRO等[54]采用标准气象站对气温、露点温度、风速和云量的测量来估算3种不同作物冠层露水持续时间，平均误差约60 min。GLEASON等[55]建立了与风速、温度露点差、相对湿度相关的CART/SLD分类树经验模型，通过对3个要素逐小时阈值判断是否有露水产生从而估算露水持续时间。WANG等[56]利用微型气候系统(包括介电叶面湿度传感器、相对湿度传感器及雨量计)结合相对湿度模型和露点温度下降模型2种回归经验模型估算每日露水持续时间。MAESTRE-VALERO等[57]对西班牙东南部半干旱气候区人造被动式露板表面上的露水凝结开展研究，分别利用露点温度差、饱和水汽压力与实际水汽压力差作为自变量进行露水凝结量的计算，模拟结果与观测数据趋势一致，但效果并不满意，指出需引入净辐射数据以便给出令人满意的露水凝结量预测。JANSSEN等[58]对夜间陆面能量平衡方程进行简化并开发了一个简单模型，将红外辐射通量、感热和潜热对人造被动式露板能量平衡的贡献进行了参数化，仅用云量、相对湿度、气温和风速数据估算露水的发生和持续时间。LEKOUCH等[59]利用神经网络方法模拟露水量，用人造被动式冷凝器收集摩洛哥西南部的屋顶露水，发现屋顶上的露水仅与4个气象参数密切相关，即气温、相对湿度、风速和云量，首先对4个因子进行均一化处理，通过循环检验预估结果与实际观测露水之间的最小差异来确定不同因子的权重关系，最终开发了基于人工神经网络的露水量估算模型。

2.2 潜热通量关系模型

在某种意义上结露与蒸发是相反的物理过程，因此彭曼公式也可用于计算夜间露水的凝结过程。MONTEITH等[53]和BUTLER[60]将可可豆荚简化为均热特性的等温体，认为当冠层中空气的露点温度上升快于豆荚表面温度时即可开始产生露水，利用空气的露点温度与植被或陆地表面温度比较来大概估算露水形成的开始和结束时间，从而获得露水持续时间，进一步预测豆荚的真菌病害发生程度。随后的研究利用陆面-植被-土壤能量平衡中的潜热通量关系来估算露水持续时间，如PEDRO等[61]利用能量收支平衡模拟3种不同作物冠层叶片的潜热通量关系来评估露水持续时间，并将模型估算的露水持续时间与裸露和遮蔽的叶片进行观测对比。裸露叶子上总露水的持续时间计算值与观测值相差不到30 min，而遮蔽的叶子上估算的露水持续时间不太准确，与观测值平均相差60 min，该误差可能是使用冠层外部测得的散射辐射来估算遮蔽叶子上的入射辐射造成的。GARRATT等[62]通过从空气到植物叶面的水汽通量关系来尝试模拟露水凝结时间，然而陆面潜热的变化不只受露水影响，还有其他要素如土壤水分蒸馏、植物本身的呼吸作用等的干扰，因此该模型模拟效果并不理想。QIN等[63]利用陆面能量平衡开展针对夜间沙漠裸土的潜热通量模拟，但没有明确区分露水在潜热通量中的贡献率。JACOBS等[64]通过简化水蒸气冷凝的单源Penman-Monteith蒸发模型，发现潜在露水与实际露水之间存在一致性，随后利用该模型进行逐小时判断潜热的负值量来计算夜间累积露水量[65]。2008年JACOBS等[66]又分别利用表面能量平衡和空气动力学(CFD)模型模拟2种人造露水收集器上的露水量，第一种模型可以模拟出2种露水收集器的露水量，但结果空间离散度大，模拟效果偏差；第二种模型并不能很好地预测2种露水收集器的露水量。UCLÉS 等[67]对以上方法进行改进，开发了针对半干旱区稀疏植被表面的组合露水估算方法CDEM，利用简化的Penman-Monteith蒸发模型的潜热通量结合湿度传感器、土壤表面温度和露点温度来辅助计算露水持续时间，该方法高度依赖湿度传感器对露水的感应能力，结果还是无法估算露水的凝结量。综上可见，利用潜热通量关系模拟露水凝结必须结合其他能够明确区分露水在潜热通量中的贡献率的仪器设备，这样才能对露水凝结进行有效模拟。

2.3 简化的云物理/能量平衡模型

已有研究使用通过简化的能量收支法来模拟冠层叶片的湿润持续时间或冷凝器表面的露水凝结量。如WEI等[68]开发了基于热量传导方程来描述果实的能量平衡关系，用于模拟温室植物上露水的发生，该模型预测的露水持续时间很短，可能是模型所使用的空气露点和气温的测量误差所致。NIKOLAYEV等[7]研究露水冷凝器的历史和功能，利用露水人工冷凝器的表面能量平衡关系，对天空发射率、冷凝器的发射率和短波吸收率、大气传输常数等物理参数进行简化，建立了基于人工冷凝器模拟露水凝结量的物理模型。BEYSENS等[42]通过基本气象要素来拟合和预测露水凝结，基于PEDRO等[61]和NIKOLAYEV[7]等的数值模拟，对冷凝器的热量和质量平衡方程简化，通过调节2个可调参数即热交换系数k和质量交换系数g进行露水凝结量的模拟。此模型有一定限制，长时间弱风情况下模拟效果很差，并且无法估算短波和长波辐射的实际能量收支情况(因其使用云量估算辐射)。2016年BEYSENS等[43]对以上模型进一步发展，基于日出之前收集的至少一次的云量、风速、空气和露点温度等气象数据，结合人造被动式冷凝器的露水凝结量，建立了一种简便易行的露水经验推算模型，在不同地区与不同气候背景下的测试结果表明，推算值与露水测量值趋势一致，但误差超过30%，由于人造表面与自然植被的差异性，只能用来粗略估算潜在露水量，而且模型本身固有的对表面能量平衡的简化有低估露水量的趋势，之后TOMASZKIEWICZ等[6]对该模型进行了订正，并预测了地中海沿岸的露水凝结量。

MADEIRA等[69]还发展了基于云物理能量平衡关系间接模拟露水持续时间的模型，使用简化的能量平衡/云物理模型估计湿度传感器表面的露水，模型结合了辐射、云量和云的高度、空气温度和风速进行估算，使用2种不同方法计算向下长波辐射，第一种是用云量和云层高度计算天空温度的EBI模型，而第二种是基于云量估计天空辐射率的EBII模型。2种模型均依赖于可靠的云量观测数据，还取决于云高度数据的可用性，而且用于对比的湿度传感器表面物理特性与陆面典型下垫面有较大差别，湿度传感器上的露水持续时间难以反映真实陆地下垫面的露水发生情况。

3 面临的主要科学问题

目前，大部分露水观测试验都是基于单一固定地点、某个特定的试验时段，且利用人造冷凝表面来测量露水，采样时间短、数据量小。尽管对露水的形成机理有了一定认识，露水的数值模拟研究也取得了一些阶段性成果，但至今还没有较为完善的自然露水模拟方案，露水的观测和模拟仍然存在问题。

(1)露水观测数据序列短，难以开展不同地区的对比研究，模型的代表性不足。以往研究大多集中在欧洲、西亚的地中海沿岸及其他大洲的局部地区，以干旱半干旱地区为主，而且受露水测量方法和手段不同的限制，往往开展的是局限于某一固定地点且在特定采样时间段内的短期试验[70]，如对半干旱草地或干旱荒漠区为期一个月或更短时间尺度的观测，观测难度大且数据序列整体较短，获取的露水凝结数据非常有限，缺乏连续可靠的自然露水观测，且由于局地下垫面状况和人工冷凝器表面材质的差异，加之操作过程中容易产生误差，难以开展不同地区、不同时间尺度的露水对比研究。因此，基于较短数据建立的露水模型代表性明显不足。

(2)露水模拟的凝结表面不同，缺乏对自然露水的有效测量与模拟。露水是一种界面问题，它发生在大气与凝结表面之间的边界处。目前，露水模拟所依托的凝结表面不同，有人造凝结面、自然植被、裸土、城市屋顶等。由于自然凝结面露水获取难度大，目前大多是基于人造凝结面的露水测量数据并进行露水凝结量的建模，但人工露水凝结表面的材质也不同，有仿自然材料(杨木棒、绒布、吸水纸等)或疏水材料(如聚四氟乙烯、耐热玻璃、不锈钢的小托盘或平板等)，研究虽然已经证明了有些模型在露水凝结量的模拟中有一定的有效性，但必须认识到模型相关的局限性。当使用具有不同表面几何形状或物理特性的凝结器时，自身发射率的不同可能导致同步开展的观测数据之间的显著差异，甚至可以发现存在400%的差异[43]。因此，人造露水凝结器收集的露水量有很大的不确定性。大多数有关露水的模拟都基于非自然生态系统的人造凝结面，且一般远离自然陆地表面[41-43]，而露水更多地形成在自然陆地及植被表面，因此，很难在自然下垫面上取得比较理想的露水估算效果。

(3)对不同下垫面的露水形成物理机制分析不够透彻。在自然环境中，露水受大气、植被、土壤的质量和能量平衡共同影响，其物理机制十分复杂。陆地凝结表面可能是裸露的土壤或植物冠层，涉及到陆面与大气之间的辐射交换、边界层底部和植物冠层中的湍流热量和水气交换，以及土壤内部的水热能量传输等[1]，然而目前国内外对不同气候环境背景下的露水形成主导影响因素和限制因子的研究尚不够透彻。不同下垫面特征对露水的影响也还不清楚，并没有获得定量化影响参数。

露水的形成不仅取决于气候环境背景，还受到陆地表面的物理条件、凝结表面特性以及周围环境的热量、水分和动力特性的影响。因此，露水不仅与近地表的气象参数如气温、露点温度、相对湿度、风向风速等有关，还与云层覆盖度、天空发射率、空气特性(密度、导热系数、比热等)等要素有关。除此之外，露水还受制于局地小气候环境，即使在同一区域内露水也会有很大变化，地表反照率和凝结表面的热导率变化都可能改变露水凝结量[29-30]，这也大大增加了其精确测量和模拟的难度[31-33]。

(4)干旱半干旱地区陆面模型的潜热通量关系不合理。研究表明，在干旱季节以色列北部内盖夫进行测量的整个时期，即使土壤比枯萎点更干燥，仍发现潜热通量为净辐射的10%～15%[71]，夜间能达到净辐射的20%。因此，即使是干旱半干旱地区的干旱季节，地表的潜热通量仍不可忽略，而干旱半干旱地区潜热通量与露水的关系密不可分。在干旱半干旱荒漠和农田都观测到可观的露水凝结量[37-39]，然而目前大多数陆面模型都假定在干旱和半干旱环境中，潜热通量仅因降水而产生，在干旱季节潜热通量很小可被忽略，这种不合理的假设很可能会导致错误的结果。

4 未来研究展望

(1)加强对不同气候背景、不同自然下垫面上露水凝结的认识。虽然人类对露水的描述和认识由来已久，然而一直到20世纪70年代以前国内外很少有露水的系统研究。由于露水主要发生在夜晚和清晨，露水量微小，人工观测难度大，造成这项工作本身起步较晚，发展较为缓慢。因此，首先要加强对不同气候背景、不同下垫面类型的露水观测试验研究，选择干旱、半干旱、半湿润、湿润区的农田、荒漠生态区、沙漠、草原等典型下垫面，采用可靠的、统一的露水观测设备开展长时间序列、不同区域的同步观测试验研究。通过对比观测与分析，揭示不同下垫面上露水形成规律。

(2)加深自然下垫面露水凝结机理研究。在自然环境中，凝结表面可能是裸露的土壤、岩石或植物冠层，由于不同土壤类型和下垫面的热力和水力特性差异很大，植物冠层水热传输的复杂性，以及受局地小气候条件的扰动影响大，自然下垫面露水的凝结是非常复杂的过程。虽然目前对人造凝结面的露水影响机制有了一定认识，但对不同气候背景下自然下垫面露水的机理认识还不够系统全面，露水凝结机理尚不清晰，所建立的露水凝结模型往往是对地表能量平衡关系的简化，存在很大的不确定性，地表能量平衡关系只适用于解释自然裸土或沙漠的露水，而对于短草、稀疏植被甚至高大冠层还需考虑多层作物能量平衡关系。

(3)发展适用于中国不同气候背景下露水的凝结模型。随着全球水资源的短缺，露水量更应开发利用。国内外对露水的模拟研究主要集中在欧洲、西亚等地的干旱半干旱地区，而干旱半干旱地区面积占我国面积的40%[72]，露水对干旱半干旱区局地水分平衡有重要贡献，因此需构建适用于我国不同气候背景下的露水凝结模型。

5 结束语

伴随着社会经济的快速发展和全球气候变化的影响，我国乃至全球均面临愈来愈紧迫的水资源挑战[7]。露水是干旱和半干旱地区的潜在水源，影响土壤-植物-大气界面的能量平衡[1]，对自然生态系统和作物生长关键阶段的水分补给具有重要作用，露水资源具有很好的研究前景。

在农业生产中，露水的出现可能有积极或消极的方面。一方面，露水导致植物发病、降低植物产量和质量等[73]，另一方面，露水可视为人类和植物的额外水源，在干旱半干旱地区或湿润地区的干旱时段，为植物提供天然补充水方面发挥有益作用。露水会影响陆地表面辐射转换和对流热量传输关系，其形成机理的研究有助于改进和完善全球干旱半干旱地区陆面能量分配方案。大多数模式模拟结果表明，在过去60 a，全球干旱地区持续扩大，尤其是中纬度地区由于降水减少和(或)蒸发增加而导致更严重和更大面积的干旱。国内外已经在土壤水分输送、陆面蒸散及潜热通量变化特征等方面取得了大量研究进展，然而对露水作为陆面水分平衡形成的气候环境条件认识很不足，无论在大气数值模式还是在陆面水分平衡模拟中对其考虑十分有限甚至根本没有考虑。这些问题的研究不仅会对露水形成理论有新认识，而且有助于改善陆面数值模型的参数化方案，服务于干旱半干旱地区的减灾防灾。