4蒸散发过程模拟

, , , , , ,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西安理工大学水文水资源,第四章 蒸散发过程模拟,主要内容,水面蒸发,土壤蒸发,冰雪蒸发,植物散发,蒸发的影响因素,流域蒸散发,潜在蒸散发量估算,实际蒸散发量的估算,一 水面蒸发,1,水面蒸发机理,两个过程：水分汽化与水分扩散,水分汽化,：水分子逸出水面，在水面附近产生一层饱,和水汽层；双向运动,水汽扩散,：饱和水汽层中的水分子进入大气层,3,种形式,：,（,1,）分子扩散：水分子从水汽压高处向低处输送,（,2,）对流扩散：下层暖湿空气上升，上层冷干空气下沉,（,3,）紊动扩散：由于刮风，水分子随风吹离,2,水面蒸发量的确定方法,5,种方法：经验公式法,水量平衡方法,空气动力学方法,波文比,-,能力平衡法,综合方法,方法一：经验公式法,基本形式：,E,：单位时间的蒸发量； ：水平风速 的函数；,e,s,：蒸发表面温度,T,s,的水汽压；,e,d,：空气露点温度,T,d,的水汽压,方法二：水量平衡法,水量平衡方程：,水量平衡法对长时段（至少,1,个月，最好,1,年）可获得合理的蒸发估计，但对短时段（,1,天或更短）则完全不能用。水量平衡法确定的蒸发是各项的差值，如果蒸发相对其他项较小，则其受制于测量误差,方法三：空气动力学法,K,：涡动交换系数；,u,：水平风速；,z,：高度；,x,：水平距离 ；,V,：由下向上传输的物质量或物理量,根据空气近地层中风速及涡动交换系数随高度变化的,特征，并采取适当的边界条件，求解下列微分方程,方法三：空气动力学法,根据扩散理论，利用空气动力学中的关系式，可得基,于扩散理论的水面蒸发计算公式,K,w,：,大气紊动扩散系数,；,K,m,：,紊动粘滞系数,；,：水面以上,z,2,高度处的水平风速；,P,：气压；,f,：函数,关系；,k,s,：表面糙度的线量度；,e,0,：饱和水汽压；,e,2,：,z,2,高度处的水汽压,方法三：空气动力学法,1939,年，桑斯威特,(,Thornthwatie,),和霍尔兹曼,(,Holzman,),利用近地面边界层相似理论，提出计算蒸,发的空气动力学方法,假定：下垫面均匀，动量、热量和水汽传输系数相等,这一假定是蒸发理论的又一突破,但是，假定也将此方法的应用局限在较小的范围内，,因为实际中大部分下垫面都是非均一的，粗糙的下,垫面必定对湍流场产生复杂影响，所以计算中往往,存在较大误差,方法四：波文比,-,能量平衡法,1926,年，波文,(Bowen),提出,以能量守恒为基础，即考虑水体得到、损耗和储存的,能量。对任一水体，能量平衡方程可写为：,R,w,：水体储能的增量；,R,s,：到达水面的总太阳辐射；,R,r,：反射的太阳辐射；,R,l,：大气和水体之间的净长波,辐射交换；,R,h,：从水体到大气的干热交换；,R,e,：用,于蒸发的能量；,R,v,：蒸发水体带走的能量平流；,Ra,：,进入水体的净能量平流,方法四：波文比,-,能量平衡法,波文比的计算：,蒸发量计算公式：,Bowen,（,1926,）将水汽从水面进入空气的蒸发和扩散过,程类比于单位热能从水表面进入空气的传导过程，引入,了波文比（,Bowen Ratio,）的概念,:,干湿表常数；,T,：温差；,e,：气压差,方法四：波文比,-,能量平衡法,蒸发量计算公式：,波文比,-,能量平衡法适用于空气温度和湿度垂直轮,廓一致的情况，在常规观测中精度较好，长期以来得,到了广泛的应用。,但在下垫面,很潮湿或很干燥,的条件下，计算结果,往往偏低，精度下降,方法五：综合方法,能量平衡法,考虑了影响水面蒸发的热量条件，而影响,水面蒸发的动力条件只考虑了水汽扩散的作用,空气动力学法,考虑了影响水面蒸发的主要动力条件,风速和水汽扩散，但对太阳辐射未考虑,Penman,（,1948,）综合考虑了能量平衡法和空气动力学,方法的长处，取长补短，将二者较好的结合起来提出,了确定水面蒸发的,综合方法,二 冰雪蒸发,冰雪蒸发是水面蒸发的一种特殊情况，是一个经历着,固态,-,液态,-,气态的变化过程,当冰雪上空的水汽压小于当时温度下的饱和水汽压,时，冰雪蒸发就会发生,多用经验公式估算冰雪蒸发,库兹明公式,:,10m,高度处的平均风速,雪面温度的饱和水汽压,2m,高度处水汽压,二 冰雪蒸发,美国中央西拉雪实验室（,Central,Sirra,Laboratory,）,公式,雪面温度下的水汽压,Z,b,高度处的平均风速,Z,a,高度处的水汽压,三 植物散发,植物散发规律：,根系吸收水分类似达西定律描述,单位时间内吸收的水分,土壤导水系数,植物导水系数,叶片吸力,使水分保持在土壤中的吸力,由,Dolton,定律可知：叶面和大气间的水量交换即散发,量，应与饱和差成正比，即,植物叶面与大气间的水份交换系数,植物细胞薄膜面与叶面之间的水份交换系数,植物散发能力,三 植物散发,简化形式：,根据水量平衡原理，有：,土壤含水量的函数,反应植物生理特性对,散发影响的系数,四 潜在蒸散量的估算,定义,平坦地面被矮秆绿色作物全部遮蔽，土壤充分湿润情,况下的蒸散量，也称可能蒸散量或最大可能蒸散量,方法,气候学方法：基于气温、基于太阳辐射、,Peman,法、,Peman-monteith,四类,微气象学方法：质量守恒、空气动力学、波文比,-,能量平衡法,同水面蒸发计算方法,蒸发皿方法,基于气温估算方法,适用,气象气候资料缺乏，用气温来估算潜在蒸散发,时间尺度：周、月,基本形式,其余为经验参数,气温,湿度,基于太阳辐射估算方法,基于太阳辐射估算陆面潜在蒸散量的经验公式通常是,以能量平衡为基础，大多数基于太阳辐射的公式采用,如下形式：,蒸发,潜热,与相对湿度和,风速有关的系数,与温度和高程有,关的权重系数,太阳总辐射,太阳净辐射,Peman,法,1948,年，,Peman,提出,物理基础：质量守恒和能量平衡方程,综合法,后来有学者修正了,Penman,方程，使其可以应用气象学参数和气象站实测资料,饱和水汽压与温度,散点图上的曲线斜率,可利用能量,湿度计常数,2m,高处风速,水汽压差,Penman-,Monteith,方法,1963,，,1964,，,Monteith,将阻抗引入,ET,的估算，进一步,发展了,Penman,方法,净辐射,土壤热通量,空气密度,空气定压,比热,水汽传输的空气,动力学阻抗,水汽传输的地表,（冠层）阻,水体蒸发潜热,蒸发皿方法,蒸发皿便宜、易于维护与操作，其应用型非常广泛,在湿润地区，蒸发皿可以较精确的估算潜在蒸散,系数，取值范围为,0.5-1.0,，与蒸,发皿型号、观测地点和季节有关,观测值,五 实际蒸散发量的估算,1,概念性水文模型中的蒸散发模拟,采用,Penman-,Menteith,方法,缺点：变量多，难确定,处理：将实际蒸散发看作潜在蒸散与土壤干燥度的函数,即,缺点：极端条件时误差大,五 实际蒸散发量的估算,2,互补相关模型,互补相关理论：局地蒸散发潜力与实际蒸散发之间不是成正比，而是成负指数关系。,假设：区域上得到的太阳辐射量保持不变，无平流影响，下垫面均匀等,Bouchet,提出：,计算,ET,a,的常用模型有三个,水分不足,水分充足,2,五 实际蒸散发量的估算,CARE,模型,（,Coplementary,Relationship Areal,Evapotranspiration,）,引入平衡温度概念，即在此温度下，对于一个湿润的陆面，由能量平衡与水汽传输推算的蒸散发量相等,五 实际蒸散发量的估算,平流,-,干旱模型（,Advection-Aridity Model,，,AA,）,根据,Penman,公式与,Priestley-Taylor,公式计算的蒸散发相等推出：,考虑平流能量与土壤热通量，推出精确公式：,五 实际蒸散发量的估算,Granger,模型,重新定义了可能蒸散和湿润环境蒸散，选择表面饱和、大气参量和表面温度不变时的蒸散量为潜在蒸散量，运用,Dolton,蒸发定律，建立了一个依据能量平衡和空气动力学原理的方程，并引入相对蒸散，以区别饱和表面，认为相对蒸散与相对干燥力之间存在唯一关系，最终推导出估算陆面实际蒸散的关系,五 实际蒸散发量的估算,简化估算,五 实际蒸散发量的估算,3,区域遥感蒸散发模拟,理论基础：地表热量平衡与水分平衡,三种情况：,（,1,）与传统计算方法相结合的模型,计算蒸散发模型的参数来自遥感反演的地表参数,五 实际蒸散发量的估算,（,2,）数值模型,利用遥感资料及时更新土壤,-,植被,-,大气传输（,SVAT,）模型、大气环流模式（,GCM,）中的陆面过程模型（,LSM,）等,数值模型充分考虑了土壤,-,植被,-,大气间能量传输的物理特性，借助于内部和边界条件，可以模拟能量通量变化的连续过程,缺点：大多数数学模型需要连续的气象资料，或是可以模拟近地表气象状况的资料，或需要输入很多与土壤、植被属性有关的参数等，实际上几乎没有可以用于区域尺度上的应用遥感数据的数值模型，离实际应用还有一段距离。,五 实际蒸散发量的估算,（,3,）基于地表能量平衡方程的模型,单层模型：大叶模型,双层模型：,多层模型：,未解决的问题：,遥感反演温度与空气动力学温度的差异,阻抗问题,平流问题,尺度问题,结果验证问题,