植被热红外辐射特性

100第四章植被热红外辐射特性争论本章针对不同的植被类型，将大气～植被～土壤看作为一连续耦合体，分析用于不同植被掩盖情形。§4.1引言与暴露地表相比，植被外表热红外辐射特性确定要简单的多。一是由于植被遥感数据处理、简单背景下弱小目标检测以及农田水资源调查等。针对不同的需求目的，植被热模型争论已得到了普遍的重视。关于单片植物叶面能量平衡的争论为植被热模型供给了根底理论参数[1，2]。对于比较密集的低矮植被〔如成熟期的小麦〕,通常将植被和下方土壤看作为一连续介质,即植被层温度和土壤外表温度是一样的。这类模型对植被光辐射吸取、植被外表显热及农田蒸发争论[3-12]。有关林冠这样的较高植被，通常将其分为假设干个植被层，首先确定各层的物理温度，最终给出在林冠上方观测到的辐射温度。其根本特点是考虑了植被的形态构造、不同高度层植被组分的相互作用以及植被层内部的潜热和显热交换过程，模型构造比较简单。但是，对于下方土壤影响的处理比较简洁，土壤外表温度是作为参数输入的，因此具有肯定的局限性。这些争论主要用于小气候和植被蒸发领域[13-23]。当植被未完全掩盖地表时，状况就更加简单。由于土壤外表的暴露，必需要考虑土壤和植被的相互作用。文献[24,25]将植被和土壤分为两个相互耦合的介质层，初步解决这一问题。但是，它们只适用于低矮的植被，并且植被掩盖率确实定完全是阅历性的，甚至有人为的因素。文献[26,27]所提出的农田蒸发模型,从原理上讲，不但适用于完全或未完全掩盖地表的低矮植被，而且也适用高大的林冠植被。本章将大气～植被～土壤看作为一连续耦合体，依据植被层热量和水分连续的野外测量，对理论模型赐予验证。本章的主要特点为，针对不同的植被类型，承受不同的建模方法。密集的低方法选择不但能带来问题处理的简化，而且所取得的结果也是令人满足的。本章作者的主要奉献有，首次将剩余阻抗引入到单层植被与大气之间潜热交低太阳角条件下的不稳定性。§4.2密闭植被热模型当植被完全掩盖地面后，称之为密闭型植被。此时，假设从上方进展观测，土壤的热辐射奉献根本上可以无视。同时，在整个交换体系中，土壤与空气间直接的热量和水汽交换也格外小。对于低矮类型植被，如成熟期的小麦、茂盛的草地等，在某一时刻，沿植被竖直方向的温度根本上是常数。所以，对于完全掩盖地面的低矮植被，可以从整体上分析它的热动力学特性，从而给出植被的平均温度[4,11]。这种近似内部的一些细节特征，比较适合于红外辐射特性的推测。§4.2.1根本热平衡方程〔1〕将植被看成是土壤外表上均匀分布、水平无限大的介质层；〔2〕依据试验结果[28]，植被叶片厚度对热红外辐射的响应时间常数约为100～300s300s长得多，所以本争论中，假定每个时间周期里都消灭稳态；〔3〕植物能量的生物化学存储很小，无视不计。依据上述假设，可列出植被层的热平衡方程R R M H LE 0 〔4.1〕sc lc c a a其中，R 为植被层单位面积所吸取的太阳短波辐射能〔W/m2〕；Rsc

为植被层单位面积所吸取的天空长波辐射能〔W/m2〕；M为植被层外表辐出度〔W/m2〕；Hc a为植被层与大气间的显热交换通量〔W/m2〕；LE为植被层与大气间的潜热交换a很小，植被层与下层介质之间的热传导通量被无视。§4.2.2热传输通量计算方程〔4.1〕中的各项涉及到光辐射交换、显热交换以及水汽潜热交换，其层温度的模拟精度。下面分别进展说明。1、辐射量R 的计算可利用其次章所描述的植被辐射吸取模型计算。计算时，叶面积sc指数取植被总叶面积指数LAI 。Rlc通常接近于1，R的计算可以简化为lcR LAI Elc f sky

〔4.2〕其中， 为植被叶面放射率，一般取0.9～1.0。fM为cM LAIT4 〔4.3〕c f cTc

为植被层温度〔K〕。2、显热通量Ha

定单个叶面与空气显热交换的机理，然后乘以总叶面数，并加以修正来计算总的[29]，这种方法最大的局限性就是阅历常数的不确定性。现在普遍承受空气动力学阻抗模式来计算TTH C c a a p ra

〔4.4〕其中，r[30]在争论植被蒸发时，a从植物小气侯原理动身，也提出了类似的公式H Ca a

TTacr raca bh

〔4.5〕比照〔4.4〕式和〔4.5〕式可以看出，〔4.5〕式中多了r 阻抗，r 称为剩余阻hb hb抗。公式〔4.4〕中无视了r ，这是由于对植被的动量汇高度和热量源汇高度的hb[30]z

和对应o于动量传输的下垫面粗糙度zzo o

0.2z。由该式可知，热量源汇高度o(dzo

)低于动量汇高度(dz)，d为与植被高度有关的零平面位移。虽然这两o个假想高度相差很小，但由于气温随高度呈对数分布，由植被上方的气温廓线外[31,32]。图〔4.1〕给出了动量ln(zln(zd)ln(z)0ln(z)0T(0)T(0)TaraT(0)rbhrbhT(0)T(0)T图〔4.1〕动量汇温度T(0)和 热量源温度T(0)之间的比较

图〔4.2〕植被热量传输阻力模型T(0)为热量源汇温度。图〔4.2〕植被热量传输阻力模型，它表示了动量汇和热量源汇与各阻力间的关系。在〔4.4〕式中，明显将T(0)当作遥测的平均叶面温度Tc

。严格地讲，T0)是动量汇上的气度，也可以看作是冠层内的平均气温，而它是不能被红外说，剩余阻抗是调整叶面温度和冠层内气温之间差异的重要机制，是不能被无视的，它的引入可以明显地提高农作物蒸发的计算精度[33]。在植被辐射温度模似计算中，同样觉察rhb

的作用也是较明显的，包含与不包含rhb

所获得的植被温度T0.6度左右[34]。c3、潜热通量地表蒸发是发生在土壤～植物～大气这个相当简单体系内的连续过程，这个植物与大气间的水汽交换等各个环节进展争论，才能全面了解地表的蒸发过程。近代微气象学、水文学和生物科学的进展，从不同角度推动了地表蒸发的争论，消灭过相当多的计算和测定方法。由于我们的目的是为了确定植被层的温度，因此，在选用潜热蒸发的计算方法时，承受了以植物生理测定技术和能量平衡为根底，并与红外遥感相结合的空气动力学阻抗模式。在植被完全掩盖土壤后，地表总蒸发主要是植被蒸腾，蒸腾是通过植物叶面进展的。植物叶子表皮的气孔起着植物与大气中二氧化碳和水气交换的阀门作用，水气从叶子内向四周空气集中就受到气孔开闭的阻抗作用。Monteith[35]针对完全掩盖地面的低矮植被均匀下垫面，将Penman等人提出的单片叶子气孔阻抗理测定技术所得到的公式Ce(T)eLE a

p.sat cr rac

a 〔4.6〕

sat c c即植物叶面群体气孔阻力的综合效应。同样，不能无视剩余阻抗的作用，式〔4.6〕的完整形式应为Ce(T)eLE

p.sat

a 〔4.7〕a r rrac c bh公式〔4.7〕描述的是叶面内部水分通过叶面气孔而产生的水汽蒸发。当有降雨或水汽分散时，叶面上会包涵肯定量的水分，此时应考虑这局部水分带来或带走的热量。公式〔4.7〕应修正为LE

Ca p[e

(T)e]( w

1w

) 〔4.8〕ca sat c

a r rac

r rrac c bhw

为植被叶面潮湿百分比，定义为[24]c ww( w

)2/3

esat

(T)ec aw rmax 〔4.9〕c 1

sat

(T)ec aw为植被叶面所截获的实际水量〔m〕；wr

为叶面所能包涵的最大水量〔m〕。w受以下方程所掌握rw Er a w w

〔4.10〕t w

r rmax叶面所能包涵的最大水量w

与叶面指数有关[36]wrmax

2104LAI 〔4.11〕4、热量传输阻力eaTaeaTarraraT(0)rhbrce(T)sat cTlcrhbT(0)rgrgrpTsTsrsoils〔4.3〕植被热量传输阻力分布示意由于植被比较密集，阻力rg略。其它阻力描述如下：

格外大，土壤外表与植被内空气之间的热传输可以忽植被与大气间的空气动量学阻力公式为ur aa u2*

〔4.12〕ua

为参考高度处的风速〔m/s〕；u*

为摩擦风速〔m/s〕。在中性层结下，风速随高度呈对数分布，摩擦风速为uau ka* 0

ln[(za

d)/z]0

〔4.13〕za

为参考高度〔m〕；d为零平面位移〔m〕；z0

为粗糙度〔m〕。对于低[4]d0.56h 〔4.14〕z 0.3(hd) 〔4.15〕0所以，在中性层结下ln2[(z d)/z]r a 0a k2u0 a

〔4.16〕rr订证的是否合理,关系a a到显热交换和潜热交换的计算精度，所以围围着这一问题，已有很多学者开放了争论，比较著名的有Monteith[35]模式和Hafield[37]模式。Monteith的订正公式为r r

n(z0

〔4.17〕ac a

ln[(z -d)/z]a 0Hatfield的订正公式为 n(zd)g(T

T)r r1

c a 〔4.18〕ac a

Tu2a a式〔4.17〕和式〔4.18〕中，r 为非中性层结时的空气动力学阻力；n为阅历系ac为Monin-Obukhov混合长度〔m〕；g为重力加速度〔m/s2〕。然而，由于Monteith和Hatfield的订正模式实际上是承受了Webb[38]提出的稳定层结到微弱不稳定层结时的订正函数形式，计算说明，当TT 0，且差值很大，而风c a时会消灭r 0ac ac的不合理数值谢贤群[39]在引进了影响湍流交换强度的热量稳定度函数 并H在不同的稳定度状况下取不同的函数形式，从而获得了合理的结论及较高的计算精度，其具体的公式为r r

H 〔4.19〕ac a

ln[(z d)/z]a 0 1H

z z a aa

0.03 〔4.20〕zad0 1nzad

〔4.21〕H

z d0.03 a 0 其中，n为阅历系数，在(Za的计算公式为

d)/0时，n4.5；(Za

d/0时，n5.2。a u*Ta

〔4.22〕kg(T0 a

T)/uc a剩余阻抗公式的一般形式为[30]lur 75 lubh〔对小麦，l=0.3〕；u为植被层内的平均风速。在小气侯资料缺乏时，可近似地计算r4 bhr 〔4.24〕bh u*植被冠层阻力〔叶面气孔阻力〕的估算是蒸发计算领域的另一个重要方面，也是Penman-Monteith[40]。因此，气孔运动的效果[41-43]。由于气孔阻力随植物种类、叶子生长状况等均有变化，加之很多[44]，目前的争论还停留在半定量的根底上。〔如成熟期的小麦、草地〕，其冠层阻力可以通过叶Choudhury[45]针对小麦提出的冠层阻力计算模式为r

10001(

/230.8)5.51

〔4.25〕c

net

(1)c

为叶面水势〔m〕，Rf

net

为植被净辐射吸取〔W/m2〕；c

因此，在利用〔4.25〕式时，必需同时考虑叶片水势随时间的变化。依据水输送可类似电流流淌那样表示为与土壤水势和叶片水势的梯度成正比E Lfs 〔4.26〕a L r rw soil p其中，L 积蒸发热〔=2.47×109J/m3〕；w

为土壤水势〔m〕；r 为从颗粒soil状土壤到植物根系表皮的水流阻力〔s〕；r为从植物根系表皮到叶片气孔的水p流阻力〔s〕。r 与土壤中植物根系的密度和土壤的导水率有关[5]sol0013r 〔4.27〕soil zKr r

=1.5zr

=0.35～0.43。r通常比rp

高一个数量级，其计算公式为[46]a

/240

〔4.28〕计算时，可先利用初值计出潜热Ea，并由〔4.26〕式给出叶片水势fLE f s

r rsoil pL

〔4.29〕w§4.2.3外表热红外辐射特性模拟与分析通过联立求解上述方程组，我们模拟计算了成熟期小麦的外表辐射温度，同时进展了实地测试，以验证理论的正确性。测量地点为西安南郊杜陵镇，测量设备和气象测式结果如§3.230×40cm2、其次块为40×40cm2，植被高度、叶面指数以及植被叶面倾角分布依据定义承受抽样求平均的方法计算。植被有关特征数据如下：LAI=3.5h=0.75〔m〕； f〔4.4〕所示。由图〔4.4〕可以看出，除去两三个时刻外，模拟结果与实测结果吻合的是比较好的。另外，模型灵敏度分析说明，对于密闭植被，模型所依靠的E

sun

、大气温度Ta

和风速ua

；植被特征参数为植被叶面放射率f

LAI和植被高度h。计算值测量值计算值测量值24.0(温射辐

22.020.018.016.014.012.012 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10 12 14(hours)图〔4.4〕密闭植被外表辐射温度模拟值与实测值比较§4.3非密闭植被热模型假设植被叶面比较稀疏而未能完全掩盖地表时，土壤与大气间的热量和水汽对于这种状况，本节通过分析植被层和土壤外表与大气间的热量交换和水量交平衡的串联热模型。§4.3.1外表热平衡方程由于植被层和土壤外表在显热交换、潜热交换以及辐射吸取间的相互影响，～植被～土壤体0～1之间、组分均匀分布的介质层，并认为整个植被层温度沿竖直没有变化。图〔4.5〕示意了这一体系中所发生的主要能量传输过程，其中R 表示s

表示长波辐射〔W/m2〕；H为显热通量〔W/m2〕；LE为潜l热通量〔W/m2〕；下标hg表示土壤外表的值。SSshRlhRshRlhHLEhhSRlgRsgRlgHLEsggg土壤外表图〔4.5〕非密闭植被层中的能量传输对于植被层，能量平衡方程为(R

R)(R

R)(R

R)(R

R)sh sh

lh

sg

lg lg(Hg

H)(LEh g

LEh

)0 〔4.30〕对于土壤外表，能量平衡方程为(RR)(RR)H LE

0 〔4.31〕sg sg lg lg g g gGg

为土壤热传导通量；Rsh

Esun

；Rlh

E 。sky§4.3.2热传输通量计算由于植被比较稀疏且下方土壤的暴露，方程〔4.30〕和〔4.31〕式中各项的下面分别进展说明。1、辐射通量对于短波辐射，由于植被叶面比较稀疏，可承受近似的处理方法。需要说明的是，文献[24,25]在处理植被光辐射遮挡率时，假定了它与叶面积指数成正比关系 f cs

LAI/7 〔4.32〕将没有足够的光线供层内的叶子生长。这一假设用来处理显热和潜热的计算是比较便利的，但计算光辐射时会代来一些误差。本节用光辐射理论来描述植被光辐射遮挡率。令

cs

表示漫射辐射穿过cd整个植被层的透过率，有 exp(LAIKcs

) 〔4.33〕 exp(LAI) 〔4.34〕cd由此可分别定义植被层对直射和漫射辐射的遮挡率 和 1cs

1exp(Kf

LAI)

cs

〔4.35〕所以有

1cd

1exp(LAI) 〔4.36〕Rsg cs

Esun

cs

)Esun

〔4.37〕RRsg g

)cs

Esun

〔4.38〕Rsh cs

Esun

Rcs

cs

Esun

cs

)g

Esun

〔4.39〕其中， 为土壤外表短波反射率； 为植被叶面短波反射率。g f对于长波红外辐射，承受类似于两平行平板热辐射交换的分析方法，有R(1lg

)[

g g

)Esky

]cd

[T4(1)g g g

T4]/fR(1lg

)Esky

[cd

〔4.40〕)T4]/ 〔4.41〕gR(1lh cd

)[

g g

)Esky

] [cd

4(1f

)Esky

]〔4.42〕f

g f g

〔4.43〕g

为植被叶面长波放射率；Tg

为土壤外表温度〔K〕；Tf

为植被叶面温度〔K〕。2、显热和潜热通量依据显热和潜热通量的连续性方程，有H H Hh c g

〔4.44〕LE LE LEh c g

〔4.45〕其中，H

、LEc

分别为植被组分与四周空气间的显热和潜热交换，也就是植被层自身和空气间的显热和潜热交换。对于单片叶子外表，其显热交换通量为[29]Hleaf

Caf

T Tf afraf

〔4.46〕其中 为植被内的空气密〔kg/m3r 为植被层内的空气动力学阻〔s/m；af afT 为植被层中的空气温度〔K〕。整个植被组分的显热交换通量为afH

T TC f af 〔4.47〕c af p raf其中因子1.1是考虑除叶面以外的其它组成局部，如茎、杆等，这些组分只交换热，但不蒸发。土壤外表的显热交换H 为gH

T TC g af 〔4.48〕ag p ragag

〔kg/m3〕；rag

为接近土壤外表处的空气动力学阻力〔s/m〕。H为hH C

T Taf a 〔4.49〕a p ra其中，为参考高度处的大气密度〔kg/m3〕；T为参考高度处的大气温度〔K〕；a ar为植被层内空气与大气之间的动力学阻力〔s/m〕。a非密闭情形下，植被层潜热交换通量确实定更为困难，由于如何将植被层的准确性也就难于验证。这里我们仍用边界层阻抗模式LE

Caf p[e

)e

w(T )](

1w

) 〔4.50〕c sat

sat af raf

r raf c其中，e 为饱和水汽压〔mbar〕；wsat

为植被叶面潮湿百分比。土壤外表的潜热交换LE 为LE

Cag

gwe (T) ssat g

e (T )sat af

〔4.51〕g rag

rsurf其中，w为土壤外表含水率，按第三章所描述计算。shLE为hLE

Cag

e (T sat

)ea

(T)a

〔4.52〕h rae为参考高度处的水汽压〔mbar〕。a依据文献[24]和[25]，上述各式中的空气密度af

和 为aga 0.348Paaf TafP

〔4.53〕 0.348

a 〔4.54〕ag (Taf

T)/2gP为参考高度处的大气压〔mbar〕。a3、热传输阻力植被层内的空气动力学阻力r 为afr 1 〔4.55〕af u Caf f其中，C 为无量纲传输系数；u f af到植被的遮挡因子，即外表植被掩盖率。有[42]u af f

)uCHhCHh1

〔4.56〕C f uaf

) 〔4.57〕其中，f

为植被掩盖率；CHh

为植被完全掩盖时的热传输系数；ua

为参考高度处的风速〔m/s〕。有k2C 0 〔4.58〕Hh ln2((za

z)/z)d 0掩盖率

的计算可承受〔4.32〕式，而文献[47]供给了较为一般的表示式f 1exp(0.4LAI) 〔4.59〕f接近土壤外表处的空气动力学阻力r 为agr 1 〔4.60〕ag u Caf HgC (1 )CHg f

Cf Hh

〔4.61〕CH0

为无植被掩盖时的热传输系数k2C 0 〔4.62〕H0 zln2( a)z0s应当说明，公式至有明显的人为假设局部，例如式和式〔4.61〕中加权平均的权重因子，式〔4.62〕中的热传输系数取的是中性层疏植被，这种处理是比较便利的。植被层内空气与大气之间的动力学阻力r仍取u ar aa u2

〔4.63〕摩擦风速u取uku

0 〔4.64〕[ln(za

z)/zd

)]是稳定度订正因子。取c1

(1cR2

)c3 〔4.65〕ccc1 2

Ri

为里查森常数。它们满足以下关系gz(TR a

T)f

〔4.66〕i [(Ta

T)/2](u

u )2afc 2.0, R01 2 3 i

〔4.67〕c 15.0,c 0.8, R01 2 3 iza

i i文献[25]所使用的植被外表阻抗公式比较简洁，没有考虑植物叶片水势的影响，并假定它与叶子气孔阻力成正比，与植被叶面积指数成反比rr s 〔4.68〕c LAIr 1 〔4.69〕s 0.050.0021(RR)sh sh〔4.68〕式，但叶子气孔阻力取以下关系[4] 400

R]

fsh sh

400r [1.691012(

)2.1 ] 5106s

1.5RR f

sh sh[197.7] 5106 sh

R sh

〔4.70〕其中叶面水势 的单位水势的单位换算式为。f对于小麦，则取文献[6]供给的公式计算植被外表阻力25.27450/(5.7IP)r

〔4.71〕c 1exp[0.7(f

)]mIP为入射的光合有效辐射能，可取短波辐射的一半；m

为常数〔－3.7×106Pa〕； 的单位仍取〔Pa〕。f§4.3.3热红外辐射特性模拟Tf

和土壤外表温度T，而外表辐射温度应分别考虑植被层和土壤外表的奉献。当观测角取g时，表露给探测器的植被层局部由〔4.35〕式可知为o 1exp[Kof

()LAI] 〔4.72〕oKf

()为按观测角o

所计算的植被直射辐射衰减系数。而暴露给探测器的土壤外表局部为 1og

exp[Kf

()LAI] 〔4.73〕o而植被层的辐射为M f~ 1 2土壤外表的辐射为M

212

M (Tb M (T

)d 〔4.74〕)d 〔4.75〕g~1 2

b g1探测器所承受到辐射为M~1 2

of

f~1

og

g~1 2

〔4.76〕等效黑体辐射温度为M4~M4~1 2r图〔4.6〕给出的是利用上述理论，针对低矮草地所进展的模拟计算结果。为了验证模型，图中还给出了试验结果，试验地点和局部气象数据如§3.2.3所g

=0.14；g

=0.98；LAI=2.0；f

=0.98；f

=0.21；/4。由图可以看出，除了几个时刻外，绝大多数时刻的模拟值与实测值相o耦合的是比较好的，这说明本文所建立的理论模型是正确的。为了寻求模型所依赖的最敏感参数，我们还进展了模型灵敏度分析。分析说明，模型所依靠的最敏E

sun

、T和Ua

LAI、f

和 ，f度是不一样的。所以，在不同的应用场合，应选择不同参数精度。模拟值测量值模拟值测量值(温射辐

25.020.015.010.012 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10 12 14时间(hours)图〔4.6〕非密闭植被外表辐射温度模拟值与实测值比较植被层温度土壤外表植被层温度土壤外表外表辐射温度植被层温度外表辐射温度植被层温度0.40.2

1.00.50.0-0.5-1.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.50.00.20.40.60.81.0o变o( -0.2 C变o度 (温 变度-0.4 温-0.6-0.8-1.0

0.3 0.6 0.9 1.2叶面指数变化

1.5 1.8

叶面反射率〔a〕 〔b〕外表辐射温度植被层温度外表辐射温度植被层温度外表辐射温度植被层温度0 2-11)C -2 )Co o(变度温 -3

( 0变度温-1-4-2-5-3-60.85 0.90 0.95 1.00 -40 -20 0 20 40植被叶面放射率 太阳辐射变化率(%)〔c〕 〔d〕植被层温度土壤外表温度植被层温度植被层温度土壤外表温度植被层温度土壤外表温度1.042 0.5)Co( 0变度温

化变度 0.0温-2-0.5-4-6-20 -10 0 10 20大气温度变化率(%)

-1.0

-40 -20 0风速变化率(%)

20 40〔e〕 〔f〕图〔4.7〕参数灵密度分析§4.4多层植被热模型在单层植被热模型中，假设沿植被竖直方向没有温度分布，整个植被层处于〔风速、气〕沿植被竖直方向存在明显的梯度，相应的传输系数则会有较大的差异Kimes[13]将其分为三决了这一问题。以后，又有几位学者对这一模型在算法[20]、短波吸取计算[21]以及表观辐射温度方向特征[22]等问题上进展了不断完善,但物理思想仍是基于KimesKimes类模型有以下的缺乏：〔1〕没有建立植被内〔如风速、气温等〕沿植被高度变化计算的模型，而承受实测数据；〔2〕植被叶片气孔阻力是基于实时测量数据，利用反演技术得到，并取一不变的平均值；〔3〕植被下方土壤外表温度作为参数，由实测的数据供给。将这些实测数据作为模型的输入参数，在植物蒸发量的模拟计算中是格外有利的，并可获得较高的精度。但是，假设将此方法用来模拟计算植被红外辐射特性，特别Yamazaki[23]和Griend[26]在探讨如何利用遥感信息来估算植被蒸发量、含水量和热惯量与气象环境关系时所作的工作，为抑制上述缺乏供给了可能性。本节以大气、植物、土壤体系中的能量平衡、热量和水汽连续为根底，以植。§4.4.1能量体系分布在大气、植被、土壤这一体系中，存在着两个根本的输运过程：水分输运和〔4.8〕示意了三个子层模式下的水分和热量传送过程其中，T 〔T 、T 、af1

af2

af3TTaeaHRRHsn1ln1LELETaf1f1T,ef1ef1f1af1Haf12RRLEsn2 ln2 af12HTaf2f2LET,ef2ef2 f2 af2HRaf23sn3Rln3LEHTaf3f3T,eLEaf23f3ef3f3af3HRRlngLETgaf3gsngaf3gegGhGs图〔4.8〕水分和热量传输示意图e 〔e

、e 分别为子植被层内的气温顺水汽压；T〔T

、T 、e 〔e 、af1

af2

af3

f1 f2 f3

f1 f2e 〕分别为子植被层的叶面温度和饱和水汽压；Tf3 g

、e分别为土壤的外表温度、g表层内部空气水汽压；R

〔Rsn1

sn2

、Rsn3

、Rsng

为净短波吸取；R

ln1

〔Rln2

、R 、ln3Rlng

〕为净长波吸取；H〔H 、Hf1 f2

、H 、Hf3

af21

、H 、Haf32 g

〕为显热交换通LE〔LEf1

LEf2

LE

LEf3

af21

LE

af32

LEg

〕潜热交换通量；G为热hG为水集中通量。s对每一个子层和土壤外表，其能量平衡方程为Rsn1

Rln1

H LEf1

0 〔4.78〕Rsn2R

Rln2R

H LEf2 f2H LE

0 〔4.79〕0 〔4.80〕sn3Rsng

ln3Rlng

f3 f3H LE Gg g

0 〔4.81〕由显热通量和潜热通量的连续性，可得HHf1

Haf12

〔4.82〕Haf12H

H Hf2H H

af23

〔4.83〕〔4.84〕af23 f3 af3gLELE LEf1 af12

〔4.85〕LEaf12LE

LEf2LELE

af23

〔4.86〕〔4.87〕af23 f3 af3gE Gg s

0 〔4.88〕§4.4.2热通量计算对于较高大的林冠植被，入射辐射通量〔如太阳短波辐射〕以及气象参数值如风速〕沿植被高度会有明显的衰减，而且这种衰减与植被高度和植被叶面指算模式又明显不同与密闭植被和单层植被。下面分别进展说明。1、辐射通量R

〔Rsn1

sn2

、Rsn3

、Rsng

〕可由其次章§2节中的吸取模型计算，导热通量Gh

和导水通量G由第三章中的公式〔3.52〕和〔3.54〕给出。长波辐射吸取则利用各层漫射穿透率di式〔4.29〕和式〔4.31〕一样

和遮挡率di

和di di

的计算式与 exp(LAIdi

) 〔4.89〕 1di di

〔4.90〕假设各层叶面长波吸取率f

一样，土壤外表长波吸取率为g

，则有Rln1

f

(Ed1

d2

T4f2

d2 d3

T4f3

〔4.91〕 d2 d3

T4)2g g

T4d1 f1Rln2

f

( d1

sky

d1

T4f1

d2

T4f3

〔4.92〕 d3

T4)2g g

T4d2 f2Rln3

( d1

Esky

d2 d1

T4f1

〔4.93〕 d2 f

T4f2

T4)2g

T4d3 f3Rlng

(g

d1 d2

Esky

d2 d3 d1

T4f1

〔4.94〕 d3 d2 f

T4f2

d2

T4)3

T4g g2、显热和潜热通量〔4.9〕所示的热流和水流阻抗分布进展计算，图中，T和ez处的气温顺水汽压；h为植被高度；h〔h、h〕a a a 1 2 3和z 〔z 、zf1 f2 f3

〕分别为子层的下边界高度和等效高度；rbulk

为参考高度至第一zzTaeaarbulkrbulkhrzf1Taf1f1rs1rT ,ef1f1ef1af1h1raf12rraf12rzf2Taf2f2rT,es2f2ef2f2af2h2raf23rrs3rraf23zf3Taf3f3T,ef3ef3 f3 af3h3raf3graf3grrgprgrsurfTgrsoilegs图〔4.9〕显热和潜热交换阻力示意图子层间的空气动力学阻力；raf12

〔raf23

为两个子层间的空气动力学阻力；r 为af3g第三子层至杆层间的空气动力学阻力；r 〔rf1 f2

、r 〕为子层叶面与层内空气间f3的边界层阻力；r、r 分别为土壤外表的边界层阻力和潜热通量阻力；r〔r 、g surf s1 s2r 〕rs3

、r分别为土壤和植物的水抽运阻力。相应的p显热和潜热通量密度表示式为HC

T Ta af1 〔4.95〕a p rbulkT THaf12

a

C p raf12

af2 〔4.96〕Haf23

Ca

Taf2r

Taf3

〔4.97〕H C

Taf3

af23Tg

〔4.98〕af3g

a prg

raf3gH Cfi a

T Tfi r

i1,2,3 〔4.99〕CLE a

fie a

af1

〔4.100〕LE

rbulkC ep af1

eaf2 〔4.101〕af12

raf12CLE a

eaf2

eaf3 〔4.102〕af23

raf23CLE a

e eaf3

C a

e3

wes

sat

(T)g

〔4.103〕af3gC

r r rg surfw

af3g1w

r rg

raf3gLE fi

a p(efi

e )( ciafi r rfi

ci)rsiC a p[e

w](

) i1,2,3 〔4.104〕 sat fi

afi rfi

r rfi siwci

(i1,2,3)为植被子层叶面潮湿百分比。3、传输阻力空气动力学阻力rbulk

、raf12

〔raf23

〕、raf3g

、r(i1,2,3和rfi

可依据植被上方和植被内的风速廓线，利用空气动力学方法求出。粗糙边界上方的空气层可以分为二个子层：惯性层和粗糙层。如图〔4.10〕所示，惯性层和粗糙层的边界z 由wzw

(hd)d 〔4.105〕其中，为阅历常数〔对于大多数植被1.5〕；d为零平面位移〔m〕；z为植0uazauazaKku(zd)*Kku(z d)* wKku(z)Khuhh3zsorbulkh3zsorbulkrf1Tf1raf12rf2Tf2raf23rf3Tf3raf3gd h 2k2 c h 2k2

0)exp

*

3) 0

〔4.106〕h h c*

2k2 h c0 *z d d c

10(1 )exp(1 )f

*1

) 〔4.107〕h h

h 2k20

osc*

为无量纲植被密度。惯性层中的风速廓线为[48]u〔z)

u zd*ln( ) 〔4.108〕k z0 0u*

为摩擦风速〔m/s〕；u(z)为高度z处的风速〔m/s〕，粗糙层内的风速uaf1uaf2uafuaf1uaf2uaf3zwhh1h2uhu(z)u

zdu (1 ) 〔4.109〕uw k z d0 w其中，u 为惯性层和粗糙层边界zw

植被密度c*c*

cnd

hcd

LAI 〔4.110〕ccd

0.2。当c*

0，即植被叶面格外稀疏时，植被内风速廓线为对数形式u(z)u

ln(z/z )os

〔4.111〕hln(h/z )osuh

为植被层顶端〔zh〕zs0

为土壤外表的粗糙高度。当c较大*时，植被层内的风速廓线呈指数形式c zu(z)uh

exp[ *2k20

)] 〔4.112〕h当cu(z)应随c*

平滑的变化[23]u(z)

fexp[c

ln(z/z )z)](1f) osz

〔4.113〕u 2k2h 0

h ln(h/z )osf是关于c*

的权重因子，c*1

为调整因子，当叶面积密度为常数，且大局部叶面集中在h3

/2和h之间时，有f 0.37 3x1 〔4.114〕xlog10

c*

〔4.115〕logc*1

0.3 3x1 〔4.116〕2在植被冠层下方和土壤外表上方的杆层空间，由于叶面稀小，风速廓线仍取对数形式u(z)u(h)

ln(z/z )os

〔4.117〕3 ln(h3

/z )os空气动力学阻力ra

〔s/m〕定义为r a

1dz 〔4.118〕K内的集中率分别为Kku0*

(zd) 〔4.119〕Kku(z0* w

d) 〔4.120〕K kuh 0*K

(hd) 〔4.121〕Ku(z) huh

〔4.122〕由图〔4.10〕可知，从植被层到参考高度z

处的动力学阻力由三局部组成：惯性a层阻力、粗糙层阻力以及植被层上半局部阻力。由式〔4.118〕有r za1

dzzw

dzh 1

dz 〔4.123〕bulk

z K h K (hh

Kw 1 2利用式〔4.119〕至式〔4.122〕，有rbulk

rrr 〔4.124〕1 zdr ln( ) 〔4.125〕ku z d0* wr

1 z zw h

〔4.126〕ku z d0 * wr

uhKh

h 1h/2u(z)

dz 〔4.127〕由式〔4.118〕知，从土壤外表到植被层内的动力学阻力r 为uaf3gur

h/2 13

dz 〔4.128〕af3g

k zh

u(z)植被层叶面与四周空气间的动力学阻力r(i1,2,3以及土壤外表与上方空气间fi的动力学阻力r可通过考察植被内的动量交换来确定。整个边界层内的总动量变g化为 u20 a*

〔4.129〕且可分为以下几项 0 f1 f2

f3 g

〔4.130〕

、 f1 f2

和f3

分别为植被层叶面和土壤外表所吸取的动量，定义为 fi a

u(z fir

〔4.131〕 g a

fiu(z )f3rg

〔4.132〕式〔4.131〕和〔4.132〕u(zfi

fi

(i1,2,3处的风速。动量吸取[49]

、 f1 f2

和f3

(z)a

K(z)

u(z)z

〔4.134〕从而有

(hf1 1

)(h) 〔4.135〕 (hf2 (hf3 3

)(h1)(h2

) 〔4.136〕) 〔4.137〕 g

fii1

u2a *

[(h3

)(h)] 〔4.138〕相应的阻力为r

u(z )f1

u(z )f1

〔4.139〕f1 a f1

a(h1

)(h)r

u(z )f2

u(z )f2

〔4.140〕f2 a f2

a(h2

)(h)1r

u(z )f3

u(z )f3

〔4.141〕f3 a f3

a(h3

)(h)2r

u(zf3

/2)

u(zf3

/2)

〔4.142〕g a g

au2a *

[(h3

)(h)]在以上计算风速廓线、集中率以及空气动力学阻力各式中，摩擦风速u是一*个至关重要的量。依据动力学阻力ra

K的表达式，有

uu (a)1/2 〔4.143〕u* ra在中性条件〔Tf1

T〕下，空气动力学阻力r为a aln2((zr

d)/z))0

〔4.144〕a k2u0 a因此uu

k0 〔4.145〕* ln[(za

d)/z]0在非中性条件下,有kuu 0 a

〔4.146〕* a

()m dhz d hd aa

， 〔4.147〕0m为Monin-Obukhov高度，有1g

T Ta f1

z dln a

〔4.148〕T [ua au(z

)]2 hdf1由此便可求出边界zw

处的风速uw

和植被高度〔zh〕处的风速uhu z du *ln(a ) 〔4.149〕w k z0 0u u

u hd *(1 ) 〔4.150〕h w k0

z dw气孔阻力r

Yamazaki[23]在他的争论中利用了Inoue[50]si的阅历公式，并由试验提出了一些参数，使其可用于低矮植被和林冠植被，公式的根本形成为r S r m 1 abm 〔4.151〕si af i

S abim

为r 的最小值si

abi

abi

Rsni

/a

；Sabm为r 2rsi

abi

值；Ω为表示水分含量和温度对rsi

的影响因子。4、植被层划分植被三个子层的边界由下式给出h max(z，z1 1

) 〔4.152〕z h1.6(hd) 〔4.153〕1 h hz 32 2

〔4.154〕h max(z，z2 1

) 〔4.155〕其中，z为一特征高度，此高度上的风速为密集植被顶端处的1/5z1

为几何平均高度。对于密集植被，由于z z，