植被熱紅外輻射特性

1、第四章 植被熱紅外輻射特性研究本章針對不同的植被類型，將大氣植被土壤看作為一連續(xù)耦合體，分析 了植被組分與環(huán)境間的光輻射、熱量和水汽交換機理及計算模式，建立了基于熱 量和水分平衡理論的熱紅外輻射模型。探討了植被表面熱紅外輻射特性隨植被覆 蓋率、植被結(jié)構(gòu)和氣象條件的變化規(guī)律。其中首次將剩余阻抗引入到植被與大氣 之間潛熱交換的計算模式中；首次將土壤熱模型和植被熱模型相融匯，模型可適 用于不同植被覆蓋情形。§ 4.1 引言與裸露地表相比，植被表面熱紅外輻射特性確定要復(fù)雜的多。一是因為植被 所包含的種類比較多，有低矮的農(nóng)作物和草地等，也有較高大的林冠類植被。在 不同的生長期，這些植被的形態(tài)結(jié)

2、構(gòu)相差很大，對地面的覆蓋率也不同。二是因 為植被對太陽和天空輻射的吸收，以及植被與大氣間的熱量和水汽交換計算模式 也相當(dāng)復(fù)雜，不但要涉及植被組分的光學(xué)特性、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，甚至還要涉及到 植被的生理特性。因此，植被熱紅外輻射特性研究不但具有重要的理論意義，而 且在實際應(yīng)用中，可以提供許多有價值的紅外波段信息，以便利用這些信息進行 遙感數(shù)據(jù)處理、復(fù)雜背景下弱小目標(biāo)檢測以及農(nóng)田水資源調(diào)查等。針對不同的需求目的，植被熱模型研究已得到了普遍的重視。關(guān)于單片植物 葉面能量平衡的研究為植被熱模型提供了基礎(chǔ)理論參數(shù) 1 ， 2 。對于比較密集的 低矮植被（如成熟期的小麥） , 通常將植被和下方土壤看作為一連續(xù)

3、介質(zhì) , 即植被 層溫度和土壤表面溫度是相同的。這類模型對植被光輻射吸收、植被表面顯熱及 潛熱交換過程的描述比較簡單 , 沒有涉及植被內(nèi)的熱交換過程，主要目的是用于 農(nóng)田蒸發(fā)研究 3-12 。有關(guān)林冠這樣的較高植被，通常將其分為若干個植被層， 首先確定各層的物理溫度，最終給出在林冠上方觀測到的輻射溫度。其基本特點 是考慮了植被的形態(tài)結(jié)構(gòu)、不同高度層植被組分的相互作用以及植被層內(nèi)部的潛 熱和顯熱交換過程，模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。但是，對于下方土壤影響的處理比較簡 單，土壤表面溫度是作為已知參數(shù)輸入的，因此具有一定的局限性。這些研究主 要用于小氣候和植被蒸發(fā)領(lǐng)域 13-23 。當(dāng)植被未完全覆蓋地表時，情

4、況就更加 復(fù)雜。由于土壤表面的暴露，必須要考慮土壤和植被的相互作用。文獻 24,25 將植被和土壤分為兩個相互耦合的介質(zhì)層，初步解決這一問題。但是，它們只適 用于低矮的植被，并且植被覆蓋率的確定完全是經(jīng)驗性的，甚至有人為的因素。 文獻26,27 所提出的農(nóng)田蒸發(fā)模型 , 從原理上講，不但適用于完全或未完全覆蓋 地表的低矮植被，而且也適用高大的林冠植被。本章將大氣植被土壤看作為一連續(xù)耦合體，根據(jù)植被層熱量和水分連續(xù)原理，在分析植被組分與環(huán)境間的光輻射、熱量和水汽交換的基礎(chǔ)上，通過植被 層熱量和水分平衡方程獲得其溫度分布，并由植被形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)、光輻射參數(shù)以 及大氣特征參數(shù)，模擬分析了植被表面熱紅外

5、輻射特性的變化規(guī)律，并進行必要 的野外測量，對理論模型給予驗證。本章的主要特點為，針對不同的植被類型，采用不同的建模方法。密集的低 矮植被，建立單層模型；稀疏的低矮植被，即下方土壤暴露較多的低矮植被，采 用單層植被與土壤熱模型的串聯(lián)模型；而對較高的林冠型植被，多層模型是一種 有效的方法。當(dāng)然，這種方法的選用不是唯一的，其近似假設(shè)和處理方法的難易 程度也不一樣。原理上講，多層方法適用于所有的植被。但是，由于多層方法過 于復(fù)雜，特別是有些植被的特性參數(shù)獲取有限，所以，在大多數(shù)情況下，上述的 方法選擇不但能帶來問題處理的簡化，而且所取得的結(jié)果也是令人滿意的。本章作者的主要貢獻有，首次將剩余阻抗引入到

6、單層植被與大氣之間潛熱交 換的計算模式中，使其概念更完整，計算更準(zhǔn)確；首次將土壤熱模型和植被熱模 型相融匯，模型可適用于不同植被覆蓋情形；在稀疏植被和林冠模型中，提出了 利用漫射輻射透過率確定植被覆蓋率的方法，克服了人為假設(shè)的不足；在多層植 被熱模型中，提出了同時利用風(fēng)和光輻射衰減確定上下層的邊界，克服了弱風(fēng)和 低太陽角條件下的不穩(wěn)定性。§ 4.2 密閉植被熱模型當(dāng)植被完全覆蓋地面后，稱之為密閉型植被。此時，若從上方進行觀測，土 壤的熱輻射貢獻基本上可以忽略。同時，在整個交換體系中，土壤與空氣間直接 的熱量和水汽交換也非常小。對于低矮類型植被，如成熟期的小麥、茂密的草地 等，在某一時

7、刻，沿植被豎直方向的溫度基本上是常數(shù)。所以，對于完全覆蓋地 面的低矮植被，可以從整體上分析它的熱動力學(xué)特性，從而給出植被的平均溫度 和平均熱紅外輻射量。 對大多數(shù)低矮植被， 在相當(dāng)?shù)臅r期， 如生長后期和成熟期，這是一種很好的近似，已在許多植被蒸發(fā)特性研究中得到證實4,11。這種近似的一個突出優(yōu)點是，由于將植被作為一個整體去分析它的平均效應(yīng)，無需關(guān)心其 內(nèi)部的一些細節(jié)特征，比較適合于紅外輻射特性的預(yù)測。§ 4.2.1基本熱平衡方程在建立模型之前，說明以下幾點：（1）將植被看成是土壤表面上均勻分布、 水平無限大的介質(zhì)層；（2）根據(jù)實驗結(jié)果28，植被葉片厚度對熱紅外輻射的 響應(yīng)時間常數(shù)約為

8、100300s，由于此項研究所考慮的時間間隔比 300s長得多， 所以本研究中，假定每個時間周期里都出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)；（ 3）植物能量的生物化學(xué)存 儲很小，忽略不計。根據(jù)上述假設(shè)，可列出植被層的熱平衡方程Rsc +Rlc - Me -Ha - LEa =0（4.1 ）其中，Rse為植被層單位面積所吸收的太陽短波輻射能（W/吊）；Rie為植被層單位面積所吸收的天空長波輻射能（W/rn）; Me為植被層表面輻出度（W/rn）; Ha 為植被層與大氣間的顯熱交換通量（ W/rfi）; LEa為植被層與大氣間的潛熱交換 通量（W/吊）。方程（4.1 ）式中未出現(xiàn)熱傳導(dǎo)項，這是因為植被組分的熱傳導(dǎo)率 很小，植被

9、層與下層介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)通量被忽略。§ 4.2.2熱傳輸通量計算方程（4.1 ）中的各項涉及到光輻射交換、顯熱交換以及水汽潛熱交換，其 計算模式與光裸地表類似，但具有明顯不同之處，計算準(zhǔn)確與否直接影響到植被 層溫度的模擬精度。下面分別進行說明。1、輻射量Rse的計算可利用第二章所描述的植被輻射吸收模型計算。計算時，葉面積 指數(shù)取植被總?cè)~面積指數(shù)LAI。Rie的計算原理上也可利用植被輻射吸收模型，但由于植被葉面的長波發(fā)射率 通常接近于1， R|e的計算可以簡化為Ric = LAI 呂f Esky（4.2 ）其中，；f為植被葉面發(fā)射率，一般取0.91.0。植被層輻出度Me為4Me =LA

10、I ；f（4.3 ）其中，T；為植被層溫度（K）。2、顯熱通量植被與大氣間的顯熱交換Ha是所有植被組分效果的總和。最初的研究是先確 定單個葉面與空氣顯熱交換的機理，然后乘以總?cè)~面數(shù)，并加以修正來計算總的 顯熱交換29，這種方法最大的局限性就是經(jīng)驗常數(shù)的不確定性?，F(xiàn)在普遍采用 空氣動力學(xué)阻抗模式來計算Tc -T；HaaCp-（ 4.4）ra其中，r-是整個植被層與大氣間的空氣動力學(xué)阻力。文獻30在研究植被蒸發(fā)時，從植物小氣侯原理出發(fā)，也提出了類似的公式Tc _TaH- =-Cp C -（ 4.5）r- +hh對比（4.4 ）式和（4.5 ）式可以看出，（4.5 ）式中多了 rhb阻抗，rhb稱為

11、剩余阻 抗。公式（4.4 ）中忽略了 rhb，這是由于對植被的動量匯高度和熱量源匯高度的 混淆所致。根據(jù)文獻30的討論可知，對應(yīng)于熱量傳輸?shù)南聣|面粗糙度Z。和對應(yīng) 于動量傳輸?shù)南聣|面粗糙度 z0的關(guān)系為Zo =0.2z°。由該式可知，熱量源匯高度 （d Zo）低于動量匯高度（d - Zo），d為與植被高度有關(guān)的零平面位移。雖然這兩 個假想高度相差很小，但由于氣溫隨高度呈對數(shù)分布，由植被上方的氣溫廓線外 推所得到的這兩個高度上的溫度可能會相差幾度31,32。圖（4.1 ）給出了動量In(z -d)ln(z(j lnG)T(0)T(0)T圖（4.2 ）植被熱量傳輸阻力模型圖（4.1 ）動

12、量匯溫度T（0 ）和 （z 熱量源溫度T（ 0）之間的比較匯溫度和熱量源匯溫度的比較，其中T(0)為動量匯的溫度，T(0)為熱量源匯溫度。圖(4.2 )植被熱量傳輸阻力模型，它表示了動量匯和熱量源匯與各阻力間 的關(guān)系。在(4.4 )式中，顯然將T(0 )當(dāng)作遙測的平均葉面溫度Tc。嚴(yán)格地講， T(0)是動量匯上的氣度，也可以看作是冠層內(nèi)的平均氣溫，而它是不能被紅外 測溫儀遙測到的，T(0)是有效植被溫度，即是平均葉面溫度或植被層溫度。所以 說，剩余阻抗是調(diào)節(jié)葉面溫度和冠層內(nèi)氣溫之間差異的重要機制，是不能被忽略 的，它的引入可以明顯地提高農(nóng)作物蒸發(fā)的計算精度33。在植被輻射溫度模似計算中，同樣發(fā)

13、現(xiàn)rhb的作用也是較明顯的，包含與不包含rhb所獲得的植被溫度Tc，最大可相差0.6度左右34。3、潛熱通量地表蒸發(fā)是發(fā)生在土壤植物大氣這個相當(dāng)復(fù)雜體系內(nèi)的連續(xù)過程，這個 過程不斷需要有水分供應(yīng)和能量來源， 所以只有對土壤水分運動、植物水分傳遞、 植物與大氣間的水汽交換等各個環(huán)節(jié)進行研究，才能全面了解地表的蒸發(fā)過程。 近代微氣象學(xué)、水文學(xué)和生物科學(xué)的發(fā)展，從不同角度推動了地表蒸發(fā)的研究， 出現(xiàn)過相當(dāng)多的計算和測定方法。由于我們的目的是為了確定植被層的溫度，因 此，在選用潛熱蒸發(fā)的計算方法時，采用了以植物生理測定技術(shù)和能量平衡為基 礎(chǔ)，并與紅外遙感相結(jié)合的空氣動力學(xué)阻抗模式。在植被完全覆蓋土壤后

14、，地表總蒸發(fā)主要是植被蒸騰，蒸騰是通過植物葉面 進行的。植物葉子表皮的氣孔起著植物與大氣中二氧化碳和水氣交換的閥門作用，水氣從葉子內(nèi)向周圍空氣擴散就受到氣孔開閉的阻抗作用。Monteith35針對完全覆蓋地面的低矮植被均勻下墊面，將 Penma等人提出的單片葉子氣孔阻抗 概念推廣到植物冠層表面，建立了計算植被總蒸發(fā)量的阻抗公式，即根據(jù)植物生理測定技術(shù)所得到的公式LEaCp esat(Tc) _ 魚7.% 十 rc(4.6)84其中，esat(Tc)為平均葉面溫度下的飽和水汽壓(mbar),匚為植被冠層阻力(s/m)， 即植物葉面群體氣孔阻力的綜合效應(yīng)。同樣，不能忽略剩余阻抗的作用，式(4.6

15、)的完整形式應(yīng)為#LE(4.7 )Cp esat (I ) - ea 'rac ' rc rbh公式(4.7 )描述的是葉面內(nèi)部水分通過葉面氣孔而產(chǎn)生的水汽蒸發(fā)。當(dāng)有降雨或水汽凝結(jié)時，葉面上會包容一定量的水分，此時應(yīng)考慮這部分水分帶來或帶走的熱量。公式（4.7 ）應(yīng)修正為(4.8)PaCpWc1 - WcLEa 二一esat(Tc)-ea(c)Yrac +bh rac 十 rc 十血其中,Wc為植被葉面濕潤百分比，定義為24/ Wr 、2/3z-.-、()esat(T；h>eaWr max(4.9)86#wrmax為葉面所能包容的最大水量（4.10）(4.11)TT(0)

16、T(0)rgQs-T 777777777屮s（4.3 ）植被熱量傳輸阻力分布示意<777777777777777I sesat ( Tc )： ea其中，wr為植被葉面所截獲的實際水量（m（m）。 wr受下列方程所控制;wrEawr wr max-t:w葉面所能包容的最大水量wrmax與葉面指數(shù)有關(guān)36_4wmax = 2 10 LAI4、熱量傳輸阻力對于完全覆蓋地表的密閉植被群體，其熱量傳輸阻力分布如圖（4.3 ）所示。ea9s由于植被比較密集，阻力rg非常大，土壤表面與植被內(nèi)空氣之間的熱傳輸可以忽 略。其它阻力描述如下：植被與大氣間的空氣動量學(xué)阻力公式為a 一其中，Ua為參考高度處的

17、風(fēng)速（m/s）; u*為摩擦風(fēng)速（m/s）在中性層結(jié)下，風(fēng)速隨高度呈對數(shù)分布，摩擦風(fēng)速為u* 二 koUln（ Za -d） / zo(4.12)(4.13)其中，Za為參考高度（m）； d為零平面位移（m ； Zo為粗糙度（m。對于低 矮植被，有4d =0.56h(4.14)zo =0.3(h -d)所以，在中性層結(jié)下In2(Za -d)/z0ra = k0(4.15)(4.16)在非中性層結(jié)下，必須對ra進行穩(wěn)定度訂證。由于對ra訂證的是否合理，關(guān)系 到顯熱交換和潛熱交換的計算精度，所以圍繞著這一問題，已有許多學(xué)者展開了 研究，比較著名的有Monteith35模式和Hafield37模式。

18、Monteith的訂正公式為1+J)Ia Aln (Za-d)/z°_(4.17)Hatfield的訂正公式為acrfLn(z-d)g(Tc-Ta)TaU；(4.18)式（ 4.17 ）和式（4.18 ）中，rac為非中性層結(jié)時的空氣動力學(xué)阻力； n為經(jīng)驗系 數(shù)；上為Monin-Obukhov混合長度（m ； g為重力加速度（m/s；）。然而，由于Monteith和Hatfield的訂正模式實際上是采用了Webb38提出的穩(wěn)定層結(jié)到微弱不穩(wěn)定層結(jié)時的訂正函數(shù)形式，計算表明，當(dāng)兀-Ta0，且差值很大，而風(fēng)速又很小的強烈不穩(wěn)定狀況下，由式（4.17 ）和式（4.18 ）計算rac時，會出

19、現(xiàn)rac :：: 0 的不合理數(shù)值。謝賢群39在引進了影響湍流交換強度的熱量穩(wěn)定度函數(shù)，并在不同的穩(wěn)定度情況下取不同的函數(shù)形式，從而獲得了合理的結(jié)論及較高的計算 精度，其具體的公式為0(4.19)(4.20)(4.21 )其中，n為經(jīng)驗系數(shù)，在（Za_d）/o時，n=45 上的計算公式為U*TaA =kog（Ta -Tc）/Ua(Za -d)/上 0時，n -52。(4.22)剩余阻抗公式的一般形式為30其中，丨為作物的特征尺寸（對小麥,氣侯資料不足時，可近似地計算rbh4rbhu*（4.23）l =0.3）； u為植被層內(nèi)的平均風(fēng)速。在小（4.24）植被冠層阻力（葉面氣孔阻力）的估算是蒸發(fā)計

20、算領(lǐng)域的另一個重要方面， 也是Penman-Monteith類模式能夠大范圍推廣應(yīng)用的前提 40。因此，氣孔運動 與環(huán)境因素間的內(nèi)在關(guān)系一直被許多學(xué)者所關(guān)注。在綜合各種環(huán)境因素對氣孔影 響的基礎(chǔ)上，許多計算氣孔阻力的數(shù)學(xué)模式已相繼建立，并在實用中顯示出較好 的效果41-43。由于氣孔阻力隨植物種類、葉子生長狀況等均有變化，加之許 多生理因素及植物內(nèi)部前期水分狀況對當(dāng)時氣孔運動的影響，使得氣孔對環(huán)境因 素變化的反應(yīng)具滯后性和不確定性44，目前的研究還停留在半定量的基礎(chǔ)上。 對于矮小、密閉的植物群體（如成熟期的小麥、草地），其冠層阻力可以通過葉 面指數(shù)和葉片氣孔阻力近似計算出來。Choudhury

21、45針對小麥提出的冠層阻力計算模式為1000 1（- f /2308）5.51 IL-（ 4.25）05LAI 0.021Rnet（1 - J其中，f為葉面水勢（m，它是葉片含水量的表征值；Rnet為植被凈輻射吸收（w/m）； -c為植被光輻射透過率。由于葉片含水量隨植被的水蒸發(fā)而發(fā)生變化，因此，在利用（4.25 ）式時，必須同時考慮葉片水勢隨時間的變化。根據(jù)水輸送 的連續(xù)性原理，植被所蒸發(fā)的水分應(yīng)等于植物根系從土壤中所抽吸的水，而后者可類似電流流動那樣表示為與土壤水勢和葉片水勢的梯度成正比Lw-'-srsoii- rp(4.26)92其中，Lw為容積蒸發(fā)熱（=2.47 X 109J/

22、m3）；-為土壤水勢（m） ; g為從顆粒 狀土壤到植物根系表皮的水流阻力（s）; rp為從植物根系表皮到葉片氣孔的水 流阻力（S ） osoil與土壤中植物根系的密度和土壤的導(dǎo)水率有關(guān)50.0013soilZrg其中,Zr為植物有效根系深度（4.27）（m，對于麥田，Zr=1.5 ;對于草地Zr =0.350.43#rp通常比rsoii高一個數(shù)量級，其計算公式為469(4.28)16 10rp1LEa/240計算時，可先利用初值計算出潛熱蒸發(fā)Ea，并由（4.26 ）式給出葉片水勢f(4.29)LE a rsoil r pLw§ 4.2.3表面熱紅外輻射特性模擬與分析通過聯(lián)立求解上述

23、方程組，我們模擬計算了成熟期小麥的表面輻射溫度，同 時進行了實地測試，以驗證理論的正確性。測量地點為西安南郊杜陵鎮(zhèn)，測量設(shè) 備和氣象測式結(jié)果如§ 3.2所述。植被取樣在兩塊區(qū)域進行，第一塊為30X 40cm2、 第二塊為40X 40cm2，植被高度、葉面指數(shù)以及植被葉面傾角分布根據(jù)定義采用 抽樣求平均的方法計算。植被有關(guān)特征數(shù)據(jù)如下：LAI =3.5; h =0.75 （ m）;=0.98;葉面傾角分布類型為球面型。植被輻射溫度模擬值和實測值結(jié)果如圖（4.4）所示。由圖（4.4）可以看出，除去兩三個時刻外，模擬結(jié)果與實測結(jié)果 吻合的是比較好的。另外，模型靈敏度分析表明，對于密閉植被，

24、模型所依賴的 關(guān)鍵氣象參數(shù)仍為太陽輻射Esun、大氣溫度T；和風(fēng)速Ua ；植被特征參數(shù)為植被葉 面發(fā)射率；f、葉面指數(shù)LAI和植被高度h o26.024.b。度溫射輻121416182022242468101214時間(hours)圖(4.4 )密閉植被表面輻射溫度模擬值與實測值比較§ 4.3非密閉植被熱模型如果植被葉面比較稀疏而未能完全覆蓋地表時，土壤與大氣間的熱量和水汽 交換就會在整個交換體系中占有一定的份額，此時由于植被和土壤表面的能量收 支不同，植被葉面與土壤表面的溫度將會有較大的差別，正是由于這種溫度差別 和土壤表面的暴露，所觀測到的輻射應(yīng)是植被葉面和土壤表面輻射的共同貢獻

25、。 對于這種情況，本節(jié)通過分析植被層和土壤表面與大氣間的熱量交換和水量交 換，并充分考慮植被與土壤間的相互影響，從而建立基于植被層和土壤表面能量 平衡的串聯(lián)熱模型。§ 4.3.1表面熱平衡方程由于植被層和土壤表面在顯熱交換、潛熱交換以及輻射吸收間的相互影響， 熱模型的建立是一個比較復(fù)雜的過程，有些參數(shù)的確定也是比較困難的。針對這 種非密閉植被，仍只考慮低矮植被。為了描述方便，我們將大氣植被土壤體 系分為三個部分，最上方為大氣，中間為單一植被層，下方為土壤。假定植被層為覆蓋率在01之間、組分均勻分布的介質(zhì)層，并認(rèn)為整個植被層溫度沿豎直沒 有變化。圖（4.5 ）示意了這一體系中所發(fā)生的主

26、要能量傳輸過程，其中Rs表示短波輻射（W/rn）； Ri表示長波輻射（W/m）; H為顯熱通量（W/rn）； LE為潛 熱通量（W/rn）；下標(biāo)h表示植被頂端的值；下標(biāo)g表示土壤表面的值。圖（4.5 ）非密閉植被層中的能量傳輸對于植被層，能量平衡方程為代-只“（Rih-%） （Rsg-Rsg） （% -?。℉g -Hh） （LEg -LEh） =0（4.30）對于土壤表面，能量平衡方程為（Rsg-Rsg） （Rg -Rlg）-Hg -LEg-Gg =0（ 4.31）其中，Gg為土壤熱傳導(dǎo)通量；Rsh二Esun ； Rh，Esky。§ 4.3.2熱傳輸通量計算由于植被比較稀疏且下方土

27、壤的暴露，方程（4.30 ）和（4.31 ）式中各項的 計算模式明顯不同于密閉植被和光裸地表，每一項都會包含有互相影響的成分。 下面分別進行說明。1、輻射通量對于短波輻射，由于植被葉面比較稀疏，可采用近似的處理方法。需要說明 的是，文獻24,25在處理植被光輻射遮擋率時，假定了它與葉面積指數(shù)成正比 關(guān)系二 f = ； cs = ； cd - LAI / 7（ 4.32）其根據(jù)是，各類作物的葉面指數(shù)最大不可能超過7,當(dāng)超過7時，葉子會過于密集, 將沒有足夠的光線供層內(nèi)的葉子生長。這一假設(shè)用來處理顯熱和潛熱的計算是比較方便的，但計算光輻射時會代來一些誤差。本節(jié)用光輻射理論來描述植被光輻 射遮擋率。

28、令 cs表示直射輻射穿過整個植被層的透過率，.cd表示漫射輻射穿過整個植被層的透過率，有cs =exp（-LAIKf）.cd 二 exp（ -LAI ）由此可分別定義植被層對直射和漫射輻射的遮擋率二cs和二cd匚 csCSexp（- K f LAI ）-cd =1 - cd = 1 - exp( - LAI )(4.33)(4.34)(4.35)(4.36)(4.37)(4.38)c f E sun - cs Rsgcs " f Esun (1 cs ) -> g - cs Esun(4.39)所以有95#其中，:為土壤表面短波反射率；亍f為植被葉面短波反射率。對于長波紅外輻射

29、，采用類似于兩平行平板熱輻射交換的分析方法，有R =（1 7d） Eg4 （1 - ；g）Esky 6d ©Tg4 （1 - ；g） ；fTf4/ ；(4.40)R= (1 %d)Esky +bcd2f 町：+(1 引)bTg4/ 名(4.41)R H(1 Ycd)子 Tg4(1 - ；g)Esky二 cd ；fTf4(1 - ；f)Esky(4.42)(4.43)其中，；g為土壤表面長波發(fā)射率；f為植被葉面長波發(fā)射率；Tg為土壤表面溫 度（K）； Tf為植被葉面溫度（K）。2、顯熱和潛熱通量根據(jù)顯熱和潛熱通量的連續(xù)性方程，有Hh 十 Hg（4.44）LEh =LEc +LEg（ 4

30、.45）其中，Hc、LEc分別為植被組分與周圍空氣間的顯熱和潛熱交換，也就是植被層 自身和空氣間的顯熱和潛熱交換。對于單片葉子表面，其顯熱交換通量為29H leaf : af CpTf -Taf(4.46)其中，嘉f為植被內(nèi)的空氣密度（kg/m3） ； raf為植被層內(nèi)的空氣動力學(xué)阻力（s/m）； Taf為植被層中的空氣溫度（K）。整個植被組分的顯熱交換通量為Tf -TafHe =1.1LAI 訂f Cp（ 4.47）其中因子1.1是考慮除葉面以外的其它組成部分，如莖、桿等，這些組分只交換 熱，但不蒸發(fā)。土壤表面的顯熱交換Hg為Tg -f HgagCp （ 4.48）rag其中，ag為植被層內(nèi)

31、接近土壤表面的空氣密度（kg/m3）； rag為接近土壤表面處 的空氣動力學(xué)阻力（s/m）。植被層內(nèi)空氣與大氣之間的顯熱交換Hh為Hh = CpTaLa（ 4.49）p ra其中，為參考高度處的大氣密度（kg/m3）； Ta為參考高度處的大氣溫度（K）； ra為植被層內(nèi)空氣與大氣之間的動力學(xué)阻力（s/m）。非密閉情形下，植被層潛熱交換通量的確定更為困難，因為如何將植被層的 蒸發(fā)和土壤表面的蒸發(fā)區(qū)分開來，在實驗上有一定的難度，因此各種計算模式的 準(zhǔn)確性也就難于驗證。這里我們?nèi)杂眠吔鐚幼杩鼓Ｊ絘f CpWe1-WeLEe 二一-esat（Tf）-esat（Taf）（ -）（4.50）rafraf

32、- r-其中，esat為飽和水汽壓（mbar）； we為植被葉面濕潤百分比。 土壤表面的潛熱交換LEg為°agCp wsesat （Tg） - esat （Taf ） LEg =- （4.51 ）-ag 十surf其中，Ws為土壤表面含水率，按第三章所描述計算。 植被內(nèi)空氣與大氣之間的潛熱交換 LEh為°ag C p esat （Taf _ ea （Ta ） LEh 二 （4.52）ra其中，ea為參考高度處的水汽壓（mbar）。根據(jù)文獻24和25，上述各式中的空氣密度：；f和訂為98二 0.348旦Taf-0.348Pa(Taf Tg)/2(4.53)(4.54)其中,P

33、a為參考高度處的大氣壓（mbar）3、熱傳輸阻力植被層內(nèi)的空氣動力學(xué)阻力raf為1uaf Cf(4.55)99其中，Cf為無量綱傳輸系數(shù)；Uaf為植被層中的風(fēng)速（m/s）。它們的計算將涉及 到植被的遮蔽因子，即表面植被覆蓋率。有42Uaf =083 二 f Ua.CHh （1 一二f ）Ua（ 4.56）1Cf -0.01（1 0.3）（4.57）Uaf其中，二f為植被覆蓋率；CHh為植被完全覆蓋時的熱傳輸系數(shù)；Ua為參考高度處 的風(fēng)速（m/s）。有-koHh =2Hh ln2（Za -Zd）/Z。）覆蓋率二f的計算可采用（4.32 ）式，而文獻47提供了較為一般的表示式；f = 1-exp（

34、-04 LAI）接近土壤表面處的空氣動力學(xué)阻力rag為1rag 二ag(4.58)(4.59)Uaf CHgCHg = （1 - f ）Ch0 二 f CHh其中，Ch0為無植被覆蓋時的熱傳輸系數(shù)(4.60)(4.61)#(4.62)CH 0zIn 2(嚴(yán))z0s應(yīng)該說明，公式（4.55 ）至（4.62 ）有明顯的人為假設(shè)部分，例如式（4.56 ） 和式（4.61 ）中加權(quán)平均的權(quán)重因子，式（4.62 ）中的熱傳輸系數(shù)取的是中性層 結(jié)情況，沒有考慮穩(wěn)定度的因素。然而，在沒有充分的實驗數(shù)據(jù)條件下，對于稀 疏植被，這種處理是比較方便的。(4.63)(4.64)(4.65)植被層內(nèi)空氣與大氣之間的動

35、力學(xué)阻力 ra仍取摩擦風(fēng)速U .取UakoIn (Za Zd)/Zo)其中，丨是穩(wěn)定度訂正因子。取c1、c2、c3是訂正常數(shù)；R為里查森常數(shù)。它們滿足以下關(guān)系gZa （Ta - Tf ）R =2（ 4.66）（Ta Tf）/2（Ua -Uaf）G = 10,c2 = 5.0, Q = 2.0, R >0*（ 4.67）$ = 12 , c2 = 15.0, c3 = 0.8, R 蘭 0其中，Za為參考高度（m ； g為重力加速度（m/s2）。按（4.66）式計算里查森 系數(shù)時，若R 一 0.99，則取R =0.99。(4.68)(4.69)文獻25所使用的植被表面阻抗公式比較簡單，沒有

36、考慮植物葉片水勢的影 響，并假定它與葉子氣孔阻力成正比，與植被葉面積指數(shù)成反比二 LAI1-0.05 0.0021( Rsh - Rsh)本文所采用的計算公式如下：對于一般的低矮草地，仍采用（4.68 ）式，但葉子氣孔阻力取下列關(guān)系440032*1.5 + Rs*-R二169 102(-)2.1t 40015 R - Rshf _ -0.7 106-0.7 106f-5 106197.740015 Rsh - Rshf 一 -5 106（4.70）其中，葉面水勢匸f的單位?。≒a），水勢的單位換算式為1 （m =9.8 x 103（ Pa） 對于小麥，則取文獻6提供的公式計算植被表面阻力(4.

37、71 )2527450/(5.7 IP) 1 -exp0.7C f 一 -其中，IP為入射的光合有效輻射能，可取短波輻射的一半；'-'m為常數(shù)（3.7x 106 Pa ）；- f的單位仍?。≒a）。§ 4.3.3熱紅外輻射特性模擬根據(jù)上面的討論，在聯(lián)立求解上述方程組后，可以獲得植被層溫度Tf和土壤 表面溫度Tg，而表面輻射溫度應(yīng)分別考慮植被層和土壤表面的貢獻。當(dāng)觀測角取 丸時，表露給探測器的植被層部分由（4.35 ）式可知為% =1-exp-Kf （氏）LAI（4.72 ）其中，Kf （入）為按觀測角 入所計算的植被直射輻射衰減系數(shù)。而暴露給探測器 的土壤表面部分為(

38、4.73)-og =1一6 =exp-Kf （x）LAI 而植被層的輻射為M f l '2土壤表面的輻射為f . , Mb.(Tf )d-'1(4.74)M g -1 -2探測器所接受到輻射為等效黑體輻射溫度為二；g .Mb.(Tg )d A(4.75)(4.76)103#M，i，2(4.77)圖（4.6 ）給出的是利用上述理論，針對低矮草地所進行的模擬計算結(jié)果。 為了驗證模型，圖中還給出了實驗結(jié)果，實驗地點和部分氣象數(shù)據(jù)如§3.2.3所述。其中主要參數(shù)如下：g =0.14 ； ；g=0.98 ； LAI =2.0 ； ；f=0.98 ； : f =0.21 ； 乙=

39、二/4。由圖可以看出，除了幾個時刻外，絕大多數(shù)時刻的模擬值與實測值相 耦合的是比較好的，這說明本文所建立的理論模型是正確的。為了尋求模型所依 賴的最敏感參數(shù)，我們還進行了模型靈敏度分析。分析表明，模型所依賴的最敏 感的氣象參數(shù)為Esun、Ta和Ua ；最敏感的植被和土壤特征參數(shù)為 LAI > : f和；f， 部分分析結(jié)果如圖（4.7）所示。正如所預(yù)計的那樣，植被層、土壤表面和表面輻 射溫度隨太陽輻射和大氣溫度增加而升高，隨著風(fēng)速的增大而降低。但是，植被 層、土壤表面和表面輻射溫度會隨著葉面指數(shù)和土壤表面反射率增大而降低，隨著植被葉面發(fā)射率增大而升高。另外，由于這些參數(shù)在植被層和土壤表面中

40、的物 理過程作用不同，所以它們的變化對植被層、土壤表面和表面輻射溫度的影響程 度是不一樣的。所以，在不同的應(yīng)用場合，應(yīng)選擇不同參數(shù)精度。30.10.0121416182022242468101214時間(hours)圖（4.6 ）非密閉植被表面輻射溫度模擬值與實測值比較105#6 4 20 0 0o 20 040-0.6-0.8-1.0葉面指數(shù)變化(a),co-3.0-3.5-4.0-4.50.0 0.20.40.60.8葉面反射率5 O 5 O 5 Q1 1 a a 0 r5.o 52 2b)1.0106-6-4-50.850.900.95植被葉面發(fā)射率1.00O-1-2-3)co 化變度溫

41、,co (ft變度溫-2-3-40-2002040太陽輻射變化率 （）3 2O1717d-2-46 4 2 0>c 化變度溫O化變度溫-6-20-1001020大氣溫度變化率（）-0.5°-1.0-40-2002040風(fēng)速變化率(%)108#(e)（f）圖（4.7 ）參數(shù)靈密度分析#4.4 多層植被熱模型在單層植被熱模型中，假設(shè)沿植被豎直方向沒有溫度分布，整個植被層處于 一平均溫度，這種假設(shè)對于低矮植被，如生長初期的農(nóng)作物及草地是合適的。然 而，對于較高的植被，如林冠，上述假設(shè)則會暴露出一些問題。一是植被的形態(tài) 結(jié)構(gòu)和葉面密度分布沿豎直方向會有較大的變化；二是大氣特征參數(shù)（風(fēng)速

42、、氣 溫、濕度等）沿植被豎直方向存在明顯的梯度，相應(yīng)的傳輸系數(shù)則會有較大的差 別；三是光輻射分布，特別是短波輻射的較快衰減，葉片氣孔阻力會明顯不同。 這些因素均會導(dǎo)致不同高度植被組分的溫度具有較大的起伏。因此，在植被的不 同高度，植被組分所表現(xiàn)出的各種作用是不同的，若仍象低矮植被那樣，用一平 均特征參數(shù)來描述植被的整體效應(yīng)，給出平均植被層溫度，必將會出現(xiàn)較大的誤 差。同時，對于較高的植被，其表觀輻射溫度基本上是植被豎直溫度分布、下方 土壤表面溫度和觀測角的函數(shù)。所以，必須建立能夠描述不同高度植被組分的作 用為，能夠確定植被豎直溫度分布以及表觀輻射溫度與不同高度植被組分作用特 征和溫度分布關(guān)系的

43、熱輻射模型。針對較高的林冠植被， Kimes13 將其分為三 個子植被層，分別建立能量平衡方程，以確定不同高度子植被層的溫度，初步解 決了這一問題。以后，又有幾位學(xué)者對這一模型在算法 20 、短波吸收計算 21 以及表觀輻射溫度方向特征 22 等問題上進行了不斷完善 , 但物理思想仍是基于 Kimes模型。必須指出的是，Kimes類模型有以下的不足：（1）沒有建立植被內(nèi) 微氣象屬性（如風(fēng)速、氣溫等）沿植被高度變化計算的模型，而采用實測數(shù)據(jù)； （ 2）植被葉片氣孔阻力是基于實時測量數(shù)據(jù)，利用反演技術(shù)得到，并取一不變 的平均值；（ 3）植被下方土壤表面溫度作為已知參數(shù)，由實測的數(shù)據(jù)提供。將 這些實

44、測數(shù)據(jù)作為模型的輸入?yún)?shù)，在植物蒸發(fā)量的模擬計算中是十分有利的， 并可獲得較高的精度。但是，若將此方法用來模擬計算植被紅外輻射特性，特別 是預(yù)測植被紅外輻射特性隨環(huán)境條件的變化， 是不切實際的， 或者說是行不通的。 Yamazaki23和Griend26在探討如何利用遙感信息來估算植被蒸發(fā)量、含水量 和熱慣量與氣象環(huán)境關(guān)系時所作的工作，為克服上述不足提供了可能性。本節(jié)以大氣、植物、土壤體系中的能量平衡、熱量和水汽連續(xù)為基礎(chǔ)，以植 物微氣象學(xué)為手段，研究了太陽及天空輻射、空氣溫度、濕度和風(fēng)速等要素在植 被群體中的分布規(guī)律，并通過描述植被群體中湍流交換、輻射交換以及土壤中熱 量和水分運動，確定了植

45、被豎直溫度分布和下層土壤溫度分布，建立了植被熱模 型。模擬了復(fù)雜植被覆蓋地表時的輻射溫度與植被結(jié)構(gòu)、氣象環(huán)境和觀測角之間 的關(guān)系。這種模型不但適用于高大植被，也可以用于低矮植被。由于環(huán)境輸入?yún)⒘烤侵脖豁敳康挠^測值，所以比較適合于遙感應(yīng)用和植被紅外輻射特性的預(yù) 測。§ 441能量體系分布在大氣、植被、土壤這一體系中，存在著兩個基本的輸運過程：水分輸運和 熱量輸運。為了研究方便，我們將植被冠層分為三個子層。由于三層模式已可以 完整地描述所發(fā)生的物理過程，具有一般性，可以很方便地擴展為多層模式。圖（4.8）示意了三個子層模式下的水分和熱量傳送過程。其中，Taf1（ Taf2、Taf3 ）

46、、TaHfiTfi , eR|n1LEfiLEH af 12Hf 2Rsn21r12 ,Rsn3Rln2LEaf 12LEf2TgTf3, eR|n3RlngRsng1r1LE af 3gLEf3H f 3LEaf 23H af 3 geg圖（4.8 ）水分和熱量傳輸示意圖eafi（ eaf2、eaf3）分別為子植被層內(nèi)的氣溫和水汽壓；T（ Tf2、Tf3八efl（ ef2、 ef3 ）分別為子植被層的葉面溫度和飽和水汽壓；Tg、eg分別為土壤的表面溫度、表層內(nèi)部空氣水汽壓；Rsn1（ Rsn2、Rsn3、Rsng）為凈短波吸收；R|n1（R|n2、R|n3、Ring ）為凈長波吸收 ；H （

47、 Hfi、H f2、H f3、H af 21、H af 32、H g ）量；LE（ LEf1、LEf2、LEf3、LEaf 21、LEaf 32、LEg ）潛熱交換通量；Gh 為熱 傳導(dǎo)通量；Gs為水?dāng)U散通量。對每一個子層和土壤表面，其能量平衡方程為Rsni' Rini- H f i - LE f i = 0(4.78 )Rsn2'R|n2- H f2 - LE f2 = 0(4.79)Rsn3R|n3- H f3 - LE f3 = 0(4.80)Rsng+Rlng一 H g LEg Gh = 0( 4.81 )由顯熱通量和潛熱通量的連續(xù)性，可得H =Hfi Hafi2(4.

48、82)Haf12 二 Hf2 ' H af 23( 4.83 )Haf23 = Hf3 H af3g( 4.84 )LE =LEfLEaf12(4.85)LEaf 12 - LE f 2 LEaf 23( 4.86 )LEaf23 - LE f 3 LEaf3g( 4.87 )EgGs =0(4.88)§ 4.4.2 熱通量計算對于較高大的林冠植被，入射輻射通量（如太陽短波輻射）以及氣象參數(shù)值（如風(fēng)速）沿植被高度會有明顯的衰減，而且這種衰減與植被高度和植被葉面指 數(shù)以及植被葉面光輻射特征參數(shù)有關(guān)。另外，由于將植被冠層分為若干子層，各 子層之間以及子層與土壤表面之間的光輻射和熱

49、傳輸通量必有明顯的影響，其計 算模式又明顯不同與密閉植被和單層植被。下面分別進行說明。1、輻射通量短波輻射吸收Rsn1 （ Rsn2、&n3、Rsng ）可由第二章§ 2節(jié)中的吸收模型計算， 導(dǎo)熱通量Gh和導(dǎo)水通量由第三章中的公式（3.52）和（3.54）給出。長波輻射 吸收則利用各層漫射穿透率-di和遮擋率 J （i二1,2,3）計算。-di和匚di的計算式與 式（4.29）和式（4.31 ）相同(4.89).90)(4.91 )(4.92)di =exp( - LAI i)°di = 1 - Tdi若各層葉面長波吸收率“相同，土壤表面長波吸收率為；g，則有4 丄

50、4Rln1 = ；f dt ( Esky ；-d2 ； f Tf 2，d 2 d 3 ； f Tf 3.44'd2 d3 ©兀)一2 ；宀1；6.4,4R|n2 二；f ；d2( d1Esky ；_1 ；廠61 飛 d2 ；f；Tf3.44'-d3 E ) -2 ；f fF 2112Ring-；f ；d3(d1 d2 Esky d2 ；di ； f ；Tf 1444+ CTd2 Ef bTf 2 + Eg bTg ) 2 Ef CTd3CrTf 3-;g ( di d2 d3Esk -d 2 d 3；d1 ； f ；Tf 1444d3；d2 ；f；Tf2 Cd2 ；

51、f ；T3 ) _ ；g ；Tg(4.93)(4.94)2、顯熱和潛熱通量顯熱和潛熱交換通量可利用圖（4.9 ）所示的熱流和水流阻抗分布進行計算， 圖中，Ta和ea分別為參考高度za處的氣溫和水汽壓；h為植被高度；h1（ h2、h3） 和Zfi（ Zf2、Zf3）分別為子層的下邊界高度和等效高度；£ik為參考高度至第一TaeaZfiraf12af12hiZf2h2raf23 -Zf3h3If 2 , ef 2rf 2斗eaf 2raf 23f 3raf3grf 3rprg'segeaf 3raf3grgr surf圖（4.9）顯熱和潛熱交換阻力示意圖113子層間的空氣動力學(xué)阻

52、力；012 （ G23 ）為兩個子層間的空氣動力學(xué)阻力；Qsg為第三子層至桿層間的空氣動力學(xué)阻力；rfi （rf2、rf3）為子層葉面與層內(nèi)空氣間的邊界層阻力；rg、Grf分別為土壤表面的邊界層阻力和潛熱通量阻力；G（ Q、S3）為子層葉面的氣孔阻力； Gil、rp分別為土壤和植物的水抽運阻力。相應(yīng)的 顯熱和潛熱通量密度表示式為H - - -CpTa - Taf1H af 12-;?aCpH af 23Taf 2 - Taf 3 iCp fHaf 3g-:?aCprgraf 3gTfi TafiHfi 汽CpT j = 1,2,3LELEaf 12LEaf 23:a C p ea - eaf

53、1rbulk:a C p eaf 1 - eaf 2'raf 12:a Cp eaf2 eaf 3LEaf 3gOCpLEfiy- （efieaf 3 - egrg surf r af 3gWcWe:aC p eaf 3 Wsesat （Tg ） rgGfaf 3g-eafi ）（）rfirfirsi'aCpWci1-Wciesat （）（；二）rfi - sii 7 2,3（4.95）（4.96）（4.97）（4.98）（4.99）（4.100）（4.101）（4.102）（4.103）（4.104）其中，Wci（i =1,2,3）為植被子層葉面濕潤百分比3、傳輸阻力空氣動力學(xué)阻力rbulk、raf 12 （ raf 23 ）、raf 3g、rfi（i =1,2,3）和心可根據(jù)植被上方 和植被內(nèi)的風(fēng)速廓線，利用空氣動力學(xué)方法求出。粗糙邊界上方的空氣層可