第五講-能水平衡-

《陸地表層系統(tǒng)野外實驗原理與方法》

第五講

能量平衡與水量平衡袁國富中科院地理科學(xué)與資源所主要內(nèi)容能量平衡與蒸發(fā)水量平衡與SPAC水分運動能量平衡地表輻射平衡及其作用地表獲得的凈輻射是地表吸收的凈短波輻射(太陽輻射)和凈長波輻射(地面輻射)的和凈輻射是地表獲得的主要能量，是驅(qū)動地表物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)輻射平衡方程式：M能量平衡地表能量平衡1.地球表層能量凈收入2.能量收入的分配與能量平衡M能量平衡能量平衡方程式1.能量平衡方程式感熱(H)由于水的蒸發(fā)和凝結(jié)所消耗或者放出的能量通過光合作用固定到植物體內(nèi)的能量，其占凈輻射的比率一般不足1％，可以忽略不計在土壤表面以下進行的熱量交換。白天土壤吸收熱量，晚上土壤放出熱量由于溫度差導(dǎo)致的地表和大氣間通過對流和傳導(dǎo)的形式進行的熱交換潛熱(λE)光合耗能(M)土壤熱流(G)能量平衡能量平衡方程式2.能量平衡方程式的簡化當(dāng)植被郁閉時，G可以忽略能量平衡能量平衡方程式DaytimeEnergyBalanceNighttimeEnergyBalanceRnLEHRnGLEHG能量平衡能量平衡方程式3.能量的不平衡在實際的野外觀測中，很難觀測到能量平衡方程式的閉合。能量不平衡的原因很復(fù)雜，除去儀器本身的誤差之外，近地面層復(fù)雜的微氣象變化特征和儀器觀測所基于的微氣象理論本身的不完善都能導(dǎo)致能量的不平衡能量不平衡指數(shù)ε一般在80％左右。一般地，如果觀測得到的ε低于60％，則往往表明觀測方式或者設(shè)備有問題。能量平衡葉片尺度的能量平衡1.能量平衡方程式葉片吸收的能量除了極少部分被光合作用固定到植物體內(nèi)外，絕大部分能量用來進行葉片與大氣間的熱量交換，包括感熱交換和潛熱交換(蒸騰作用)，以保持植物正常體溫。能量平衡葉片尺度的能量平衡2.感熱通量的計算Stomatarsraraes(Tl)ea(Ta)TlTaLeafsurfacera空氣動力學(xué)阻抗(sm-1)Tl和Ta分別為葉溫和參考高度的氣溫(℃)ρ為空氣密度(kgm-3)cp為空氣比熱(Jkg-1

℃-1)能量平衡葉片尺度的能量平衡2.潛熱通量的計算Stomatarsraraes(Tl)ea(Ta)TlTaLeafsurfacers葉片氣孔阻抗，單位sm-1es(Tl)為Tl溫度下的飽和水汽壓(Pa)ea為空氣實際水汽壓(Pa)γ稱為干濕表常數(shù)，一般為0.658

hPa℃－1能量平衡冠層尺度的能量平衡1.大葉模型將整個冠層視為一片大葉。大葉模型是對冠層結(jié)構(gòu)的簡化，適合植物冠層郁閉情形下使用rac:剩余阻力raa:空氣動力學(xué)阻力rsc:冠層阻力能量平衡冠層尺度的能量平衡2.雙層模型當(dāng)植被稀疏時，土壤在能量轉(zhuǎn)換過程中就起到明顯的作用，這種情況下必須考慮土壤在能量轉(zhuǎn)換過程當(dāng)中的作用。雙層模型將植被冠層視為一層，土壤視為一層Rnc和Rns分別為冠層和土壤接收的凈輻射Hc和λEc為冠層與大氣之間的感熱和潛熱交換Hs和λEs為土壤與大氣之間的感熱和潛熱交換能量平衡冠層尺度的能量平衡2.雙層模型Shuttleworth&Wallace,1985Choudhury&Monteith,1988QuarterlyJournaloftheRoyalMeteorologicalSociety蒸散過程的物理機制Evapo-TranspirationETisthesumofEvaporation:physicalprocess

fromfreewaterSoilPlantinterceptedwaterLakes,wetlands,streams,oceansTranspiration:biophysicalprocessmodulatedbyplants(andanimals)ControlledflowthroughleafstomataSpecies,temperatureandmoisturedependent蒸散過程的物理機制蒸散的幾個概念在充分供水條件下，矮的綠色植物充分覆蓋地面，對蒸發(fā)沒有或者僅有微小阻力的一個廣闊表面上，單位時間的蒸發(fā)量。又稱蒸發(fā)力參考蒸散(referenceevapotranspiration)在一定的氣候條件下，充分供水時，受植物的發(fā)育與生理限制的地表最大蒸散量。最大蒸散(maximumevapotranspiration)特定氣候和水分條件下，某一下墊面實際的蒸發(fā)蒸騰量實際蒸散(actualevapotranspiration)蒸散過程的物理機制參考蒸散量的計算:Penman公式根據(jù)參考蒸散的定義，地表面能量平衡可以表述為：定義飽和水汽壓隨溫度變化斜率ΔPenman公式蒸散過程的物理機制Penman公式的物理意義熱力項動力項Penman原式干燥力蒸散過程的物理機制實際蒸散量的計算:Penman-Monteith公式考慮地表對蒸發(fā)的阻力，引入表面阻力項rs如何獲取表面阻力？Penman-Monteith公式用Penman公式計算參考蒸發(fā)量掌握用氣象數(shù)據(jù)結(jié)合Penman公式計算參考蒸散(蒸發(fā)力)的方法用Penman公式計算參考蒸散量Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式計算參考蒸散FAOIrrigationandDrainagePaperNo.56,CropEvapotranspirationET0:參考蒸散量[mmday-1]Rn:作物表面凈輻射[MJm-2day-1]G:土壤熱通量[MJm-2day-1]T:2m高處日平均氣溫[℃]u2:2m高處日平均風(fēng)速[ms-1]es:飽和水汽壓[kPa]ea:實際水汽壓[kPa]es-ea:飽和差[kPa]Δ:飽和水汽壓隨溫度的斜率[kPa℃-1]γ:干濕表常數(shù)[kPa℃-1]FAONo.56,pp26FAO56方法:Penman-Monteith公式計算參考蒸散FAOIrrigationandDrainagePaperNo.56,CropEvapotranspirationET0:參考蒸散量[mmhour-1]Rn:作物表面凈輻射[MJm-2hour-1]G:土壤熱通量[MJm-2hour-1]T:2m高處小時平均氣溫[℃]u2:2m高處小時平均風(fēng)速[ms-1]es:飽和水汽壓[kPa]ea:實際水汽壓[kPa]es-ea:飽和差[kPa]Δ:飽和水汽壓隨溫度的斜率[kPa℃-1]γ:干濕表常數(shù)[kPa℃-1]FAONo.56,pp74每小時可能蒸散量Penman-Monteith公式Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式計算參考蒸散(1)干濕表常數(shù)(γ

)(2)大氣壓(P)Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式計算參考蒸散(3)飽和水汽壓隨溫度變化的斜率(Δ)(4)平均空氣溫度(T，℃)Tmax和Tmin分別為時段內(nèi)最大氣溫和最小氣溫，為常規(guī)氣象數(shù)據(jù)Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式計算參考蒸散(5)某時刻飽和水汽壓(es)(6)某時段飽和水汽壓(es)Tmax和Tmin分別為時段內(nèi)最大氣溫和最小氣溫，為常規(guī)氣象數(shù)據(jù)Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式計算參考蒸散(7)某時段實際水汽壓(ea,kPa

)RHmax和RHmin分別為時段內(nèi)最大相對濕度和最小相對濕度，為常規(guī)氣象數(shù)據(jù)Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式計算參考蒸散uz：z高度平均風(fēng)速，常規(guī)氣象觀測獲得(8)2m高處平均風(fēng)速(u，m/s)Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式計算參考蒸散R0：大氣上界太陽輻射(通過經(jīng)緯度和日期計算獲取)T：氣溫(K)(常規(guī)氣象數(shù)據(jù)獲取)ea：實際水汽壓(KPa)(常規(guī)氣象數(shù)據(jù)獲取)n/N：日照百分率(常規(guī)氣象數(shù)據(jù)獲取)α：地面返照率(取值0.23)(9)凈輻射(MJm-2day-1)表1：a，b系數(shù)的取值表氣候區(qū) a b 冷溫帶區(qū) 0.18 0.55 干熱帶區(qū) 0.25 0.45 濕潤熱帶區(qū) 0.29 0.42 R0的計算方法詳見FAO56Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式計算參考蒸散(10)土壤熱通量(MJm-2day-1)Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式計算參考蒸散用氣象數(shù)據(jù)和Penman-Monteith公式計算北京市各月參考蒸散量

平均最高氣溫平均最低氣溫相對濕度10m風(fēng)速日照百分率大氣上邊界輻射

℃℃%m/s%MJm-2day-1一月1.6-9.442.82.96815.78二月4-6.947.12.96620.97三月11.3-0.646.73.16427.93四月19.97.246.93.46335.08五月26.413.251.32.96540.08六月30.318.258.62.46242.36七月30.821.675.11.85140.92八月29.520.477.91.55537.17九月25.814.268.81.86630.72十月197.3642.16723.47十一月10.1-0.4592.56517.22十二月3.3-6.9502.76613.92水量平衡全球水量平衡(GlobalWaterBalance)水量平衡區(qū)域水量平衡(RegionalWaterBalance)水量平衡田間水量平衡(FieldWaterBalance)水量平衡田間尺度水量平衡1.田間尺度的含義

是一塊面積不大(一般大于10m×10m，但小于一個小流域面積)的區(qū)域，在農(nóng)田，則指一塊完整的農(nóng)田大小，在野外，多指一塊用于水文觀測的樣地。田間尺度的水循環(huán)過程觀測是研究水循環(huán)水資源的基本單元田間尺度又可以稱為局地尺度水量平衡田間尺度水量平衡2.水量平衡方程式某一田塊某一時段內(nèi)水分含量的變化量等于其收入的水量與支出的水量之差P：降水量I：灌溉量M：下層土壤或地下水上升補給量收入項E：土壤蒸發(fā)量T：植物蒸騰量R：地表徑流量Q：土壤水分滲漏量支出項ΔW：土壤水分變化量水量平衡田間尺度水量平衡3.蒸散量(evapotranspiration,ET)土壤蒸發(fā)與植物蒸騰之和總稱為蒸散量，又稱為騰發(fā)量地表面蒸散量是水分循環(huán)的重要組成部分，也是很難測定和估算的部分。從水資源的角度看，地表面蒸散過程是最主要的耗水過程，有效遏制蒸發(fā)是提高水資源利用率的途徑之一。地表面蒸散的估算和觀測是水文水資源研究最活躍的領(lǐng)域之一。水量平衡田間尺度水量平衡4.水量平衡方程式的簡化當(dāng)?shù)叵滤缓苌睿孛嫫教骨樾蜗拢簩τ谵r(nóng)田來說，ET就是農(nóng)田實際耗水量土壤水分變化量ΔW是指時段末的土壤水分含量減去時段初的土壤水分含量水量平衡例子已知觀測獲得某一田塊4月10日的土壤水分含量為560mm，4月20日的土壤水分含量為550mm，在此期間發(fā)生了10mm的降雨，用水量平衡方法估算這一時段該田塊的總的蒸散量和平均每天的蒸散量解：這一田塊的水量平衡公式可以近似地表達為：時段土壤水分含量的變化為：ΔW＝550－560＝-10(mm)則時段總蒸散量為：ET

＝10－(-10)＝20(mm)平均每天的蒸散量為：ETd

＝20/10＝2(mm/d)其中，P為降水量，ET為時段總的地表蒸散量，ΔW為時段土壤水分含量的變化值。則有SPAC水分運動過程及其模擬Soil-Plant-AirContinuum(SPAC)SPAC水分運動過程及其模擬