4蒸散发过程模拟解析

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()()sdEfuee基本形式：E：单位时间的蒸发量；：水平风速的函数；es：蒸发表面温度Ts的水汽压；ed：空气露点温度Td的水汽压)(ufu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--EIOSi0PEAQQ=dS/dt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VVuKxzz方法三：空气动力学法2202ln/wsmKuEfzkeeKp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Kw：大气紊动扩散系数；Km：紊动粘滞系数；：水面以上z2高度处的水平风速；P：气压；f：函数关系；ks：表面糙度的线量度；e0：饱和水汽压；e2：z2高度处的水汽压2u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：wsrlhevaRRRRRRRRRw：水体储能的增量；Rs：到达水面的总太阳辐射；Rr：反射的太阳辐射；Rl：大气和水体之间的净长波辐射交换；Rh：从水体到大气的干热交换；Re：用于蒸发的能量；Rv：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：eREL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（BowenRatio）的概念heRBRTBeγ: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：1esrlawRRRRRRELLB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0000{[()]}pnaaCERGkeeee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:10020.180.098Euee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（CentralSirraLaboratory）公式1/600.0063ababEzzeeu雪面温度下的水汽压Zb高度处的平均风速Za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qMN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000PDDEeeDD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00PDEEDD植物散发能力三植物散发简化形式：根据水量平衡原理，有：PdWqEdt0dWdtPqE00DEMNDD0PEE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aETcT1123ETcdTcch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：rsETCwRrnETCwR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oaEETHE20.350.5/100aadEuee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1psanasaCeeRGrETrr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ETpETCE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/AETETfSMTSMC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ETa的常用模型有三个2pawETETET水分不足水分充足2wETwETaETpET五实际蒸散发量的估算CARE模型（CoplementaryRelationshipArealEvapotranspiration）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2nnaccsaRMRFETtteeLLL0.660.44nMBR10.50.5/10.26/hhRR34273aTF五实际蒸散发量的估算平流-干旱模型（Advection-AridityModel，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：21ansaETRGMfuee1.52ansaETRGMfuee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/1anaETRRGRER1211.0exp()RbbD/anaDERGE100lnlnpsaashsmhmkCueeEzdzdzz20.262.47021asaEeecu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