第五讲-能水平衡-

《陆地表层系统野外实验原理与方法》

第五讲

能量平衡与水量平衡袁国富中科院地理科学与资源所主要内容能量平衡与蒸发水量平衡与SPAC水分运动能量平衡地表辐射平衡及其作用地表获得的净辐射是地表吸收的净短波辐射(太阳辐射)和净长波辐射(地面辐射)的和净辐射是地表获得的主要能量，是驱动地表物质循环的基础辐射平衡方程式：M能量平衡地表能量平衡1.地球表层能量净收入2.能量收入的分配与能量平衡M能量平衡能量平衡方程式1.能量平衡方程式感热(H)由于水的蒸发和凝结所消耗或者放出的能量通过光合作用固定到植物体内的能量，其占净辐射的比率一般不足1％，可以忽略不计在土壤表面以下进行的热量交换。白天土壤吸收热量，晚上土壤放出热量由于温度差导致的地表和大气间通过对流和传导的形式进行的热交换潜热(λE)光合耗能(M)土壤热流(G)能量平衡能量平衡方程式2.能量平衡方程式的简化当植被郁闭时，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.能量的不平衡在实际的野外观测中，很难观测到能量平衡方程式的闭合。能量不平衡的原因很复杂，除去仪器本身的误差之外，近地面层复杂的微气象变化特征和仪器观测所基于的微气象理论本身的不完善都能导致能量的不平衡能量不平衡指数ε一般在80％左右。一般地，如果观测得到的ε低于60％，则往往表明观测方式或者设备有问题。能量平衡叶片尺度的能量平衡1.能量平衡方程式叶片吸收的能量除了极少部分被光合作用固定到植物体内外，绝大部分能量用来进行叶片与大气间的热量交换，包括感热交换和潜热交换(蒸腾作用)，以保持植物正常体温。能量平衡叶片尺度的能量平衡2.感热通量的计算Stomatarsraraes(Tl)ea(Ta)TlTaLeafsurfacera空气动力学阻抗(sm-1)Tl和Ta分别为叶温和参考高度的气温(℃)ρ为空气密度(kgm-3)cp为空气比热(Jkg-1

℃-1)能量平衡叶片尺度的能量平衡2.潜热通量的计算Stomatarsraraes(Tl)ea(Ta)TlTaLeafsurfacers叶片气孔阻抗，单位sm-1es(Tl)为Tl温度下的饱和水汽压(Pa)ea为空气实际水汽压(Pa)γ称为干湿表常数，一般为0.658

hPa℃－1能量平衡冠层尺度的能量平衡1.大叶模型将整个冠层视为一片大叶。大叶模型是对冠层结构的简化，适合植物冠层郁闭情形下使用rac:剩余阻力raa:空气动力学阻力rsc:冠层阻力能量平衡冠层尺度的能量平衡2.双层模型当植被稀疏时，土壤在能量转换过程中就起到明显的作用，这种情况下必须考虑土壤在能量转换过程当中的作用。双层模型将植被冠层视为一层，土壤视为一层Rnc和Rns分别为冠层和土壤接收的净辐射Hc和λEc为冠层与大气之间的感热和潜热交换Hs和λEs为土壤与大气之间的感热和潜热交换能量平衡冠层尺度的能量平衡2.双层模型Shuttleworth&Wallace,1985Choudhury&Monteith,1988QuarterlyJournaloftheRoyalMeteorologicalSociety蒸散过程的物理机制Evapo-TranspirationETisthesumofEvaporation:physicalprocess

fromfreewaterSoilPlantinterceptedwaterLakes,wetlands,streams,oceansTranspiration:biophysicalprocessmodulatedbyplants(andanimals)ControlledflowthroughleafstomataSpecies,temperatureandmoisturedependent蒸散过程的物理机制蒸散的几个概念在充分供水条件下，矮的绿色植物充分覆盖地面，对蒸发没有或者仅有微小阻力的一个广阔表面上，单位时间的蒸发量。又称蒸发力参考蒸散(referenceevapotranspiration)在一定的气候条件下，充分供水时，受植物的发育与生理限制的地表最大蒸散量。最大蒸散(maximumevapotranspiration)特定气候和水分条件下，某一下垫面实际的蒸发蒸腾量实际蒸散(actualevapotranspiration)蒸散过程的物理机制参考蒸散量的计算:Penman公式根据参考蒸散的定义，地表面能量平衡可以表述为：定义饱和水汽压随温度变化斜率ΔPenman公式蒸散过程的物理机制Penman公式的物理意义热力项动力项Penman原式干燥力蒸散过程的物理机制实际蒸散量的计算:Penman-Monteith公式考虑地表对蒸发的阻力，引入表面阻力项rs如何获取表面阻力？Penman-Monteith公式用Penman公式计算参考蒸发量掌握用气象数据结合Penman公式计算参考蒸散(蒸发力)的方法用Penman公式计算参考蒸散量Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式计算参考蒸散FAOIrrigationandDrainagePaperNo.56,CropEvapotranspirationET0:参考蒸散量[mmday-1]Rn:作物表面净辐射[MJm-2day-1]G:土壤热通量[MJm-2day-1]T:2m高处日平均气温[℃]u2:2m高处日平均风速[ms-1]es:饱和水汽压[kPa]ea:实际水汽压[kPa]es-ea:饱和差[kPa]Δ:饱和水汽压随温度的斜率[kPa℃-1]γ:干湿表常数[kPa℃-1]FAONo.56,pp26FAO56方法:Penman-Monteith公式计算参考蒸散FAOIrrigationandDrainagePaperNo.56,CropEvapotranspirationET0:参考蒸散量[mmhour-1]Rn:作物表面净辐射[MJm-2hour-1]G:土壤热通量[MJm-2hour-1]T:2m高处小时平均气温[℃]u2:2m高处小时平均风速[ms-1]es:饱和水汽压[kPa]ea:实际水汽压[kPa]es-ea:饱和差[kPa]Δ:饱和水汽压随温度的斜率[kPa℃-1]γ:干湿表常数[kPa℃-1]FAONo.56,pp74每小时可能蒸散量Penman-Monteith公式Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式计算参考蒸散(1)干湿表常数(γ

)(2)大气压(P)Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式计算参考蒸散(3)饱和水汽压随温度变化的斜率(Δ)(4)平均空气温度(T，℃)Tmax和Tmin分别为时段内最大气温和最小气温，为常规气象数据Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式计算参考蒸散(5)某时刻饱和水汽压(es)(6)某时段饱和水汽压(es)Tmax和Tmin分别为时段内最大气温和最小气温，为常规气象数据Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式计算参考蒸散(7)某时段实际水汽压(ea,kPa

)RHmax和RHmin分别为时段内最大相对湿度和最小相对湿度，为常规气象数据Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式计算参考蒸散uz：z高度平均风速，常规气象观测获得(8)2m高处平均风速(u，m/s)Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式计算参考蒸散R0：大气上界太阳辐射(通过经纬度和日期计算获取)T：气温(K)(常规气象数据获取)ea：实际水汽压(KPa)(常规气象数据获取)n/N：日照百分率(常规气象数据获取)α：地面返照率(取值0.23)(9)净辐射(MJm-2day-1)表1：a，b系数的取值表气候区 a b 冷温带区 0.18 0.55 干热带区 0.25 0.45 湿润热带区 0.29 0.42 R0的计算方法详见FAO56Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式计算参考蒸散(10)土壤热通量(MJm-2day-1)Penman-Monteith公式FAO56方法:Penman-Monteith公式计算参考蒸散用气象数据和Penman-Monteith公式计算北京市各月参考蒸散量

平均最高气温平均最低气温相对湿度10m风速日照百分率大气上边界辐射

℃℃%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)水量平衡区域水量平衡(RegionalWaterBalance)水量平衡田间水量平衡(FieldWaterBalance)水量平衡田间尺度水量平衡1.田间尺度的含义

是一块面积不大(一般大于10m×10m，但小于一个小流域面积)的区域，在农田，则指一块完整的农田大小，在野外，多指一块用于水文观测的样地。田间尺度的水循环过程观测是研究水循环水资源的基本单元田间尺度又可以称为局地尺度水量平衡田间尺度水量平衡2.水量平衡方程式某一田块某一时段内水分含量的变化量等于其收入的水量与支出的水量之差P：降水量I：灌溉量M：下层土壤或地下水上升补给量收入项E：土壤蒸发量T：植物蒸腾量R：地表径流量Q：土壤水分渗漏量支出项ΔW：土壤水分变化量水量平衡田间尺度水量平衡3.蒸散量(evapotranspiration,ET)土壤蒸发与植物蒸腾之和总称为蒸散量，又称为腾发量地表面蒸散量是水分循环的重要组成部分，也是很难测定和估算的部分。从水资源的角度看，地表面蒸散过程是最主要的耗水过程，有效遏制蒸发是提高水资源利用率的途径之一。地表面蒸散的估算和观测是水文水资源研究最活跃的领域之一。水量平衡田间尺度水量平衡4.水量平衡方程式的简化当地下水位很深，地面平坦情形下：对于农田来说，ET就是农田实际耗水量土壤水分变化量ΔW是指时段末的土壤水分含量减去时段初的土壤水分含量水量平衡例子已知观测获得某一田块4月10日的土壤水分含量为560mm，4月20日的土壤水分含量为550mm，在此期间发生了10mm的降雨，用水量平衡方法估算这一时段该田块的总的蒸散量和平均每天的蒸散量解：这一田块的水量平衡公式可以近似地表达为：时段土壤水分含量的变化为：ΔW＝550－560＝-10(mm)则时段总蒸散量为：ET

＝10－(-10)＝20(mm)平均每天的蒸散量为：ETd

＝20/10＝2(mm/d)其中，P为降水量，ET为时段总的地表蒸散量，ΔW为时段土壤水分含量的变化值。则有SPAC水分运动过程及其模拟Soil-Plant-AirContinuum(SPAC)SPAC水分运动过程及其模拟