1、西安理工大學(xué)水文水資源,第四章 蒸散發(fā)過程模擬,1,主要內(nèi)容,水面蒸發(fā) 土壤蒸發(fā) 冰雪蒸發(fā) 植物散發(fā) 蒸發(fā)的影響因素 流域蒸散發(fā) 潛在蒸散發(fā)量估算 實際蒸散發(fā)量的估算,2,一 水面蒸發(fā),1 水面蒸發(fā)機理 兩個過程：水分汽化與水分擴散,水分汽化：水分子逸出水面，在水面附近產(chǎn)生一層飽 和水汽層；雙向運動,水汽擴散：飽和水汽層中的水分子進入大氣層 3種形式： （1）分子擴散：水分子從水汽壓高處向低處輸送 （2）對流擴散：下層暖濕空氣上升，上層冷干空氣下沉 （3）紊動擴散：由于刮風(fēng)，水分子隨風(fēng)吹離,3,2 水面蒸發(fā)量的確定方法,5種方法：經(jīng)驗公式法 水量平衡方法 空氣動力學(xué)方法 波文比-能力平衡法 綜

2、合方法,4,方法一：經(jīng)驗公式法,基本形式：,E：單位時間的蒸發(fā)量； ：水平風(fēng)速 的函數(shù)； es：蒸發(fā)表面溫度Ts的水汽壓；ed：空氣露點溫度Td的水汽壓,5,方法二：水量平衡法,水量平衡方程：,水量平衡法對長時段（至少1個月，最好1年）可獲得合理的蒸發(fā)估計，但對短時段（1天或更短）則完全不能用。水量平衡法確定的蒸發(fā)是各項的差值，如果蒸發(fā)相對其他項較小，則其受制于測量誤差,6,方法三：空氣動力學(xué)法,K：渦動交換系數(shù)；u：水平風(fēng)速；z：高度； x：水平距離 ；V：由下向上傳輸?shù)奈镔|(zhì)量或物理量,根據(jù)空氣近地層中風(fēng)速及渦動交換系數(shù)隨高度變化的 特征，并采取適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，求解下列微分方程,7,方法三：

3、空氣動力學(xué)法,根據(jù)擴散理論，利用空氣動力學(xué)中的關(guān)系式，可得基 于擴散理論的水面蒸發(fā)計算公式,Kw：大氣紊動擴散系數(shù)； Km：紊動粘滯系數(shù)； ：水面以上 z2高度處的水平風(fēng)速；P：氣壓；f：函數(shù) 關(guān)系；ks：表面糙度的線量度；e0：飽和水汽壓；e2：z2 高度處的水汽壓,8,方法三：空氣動力學(xué)法,1939年，桑斯威特(Thornthwatie)和霍爾茲曼 (Holzman)利用近地面邊界層相似理論，提出計算蒸 發(fā)的空氣動力學(xué)方法,假定：下墊面均勻，動量、熱量和水汽傳輸系數(shù)相等,這一假定是蒸發(fā)理論的又一突破 但是，假定也將此方法的應(yīng)用局限在較小的范圍內(nèi)， 因為實際中大部分下墊面都是非均一的，粗糙的

4、下 墊面必定對湍流場產(chǎn)生復(fù)雜影響，所以計算中往往 存在較大誤差,9,方法四：波文比-能量平衡法,1926年，波文(Bowen) 提出 以能量守恒為基礎(chǔ)，即考慮水體得到、損耗和儲存的 能量。對任一水體，能量平衡方程可寫為：,Rw：水體儲能的增量；Rs：到達水面的總太陽輻射； Rr：反射的太陽輻射；Rl：大氣和水體之間的凈長波 輻射交換；Rh：從水體到大氣的干熱交換；Re：用 于蒸發(fā)的能量；Rv：蒸發(fā)水體帶走的能量平流；Ra： 進入水體的凈能量平流,10,方法四：波文比-能量平衡法,波文比的計算：,蒸發(fā)量計算公式：,Bowen（1926）將水汽從水面進入空氣的蒸發(fā)和擴散過 程類比于單位熱能從水表面

5、進入空氣的傳導(dǎo)過程，引入 了波文比（Bowen Ratio）的概念,:干濕表常數(shù)； T：溫差； e：氣壓差,11,方法四：波文比-能量平衡法,蒸發(fā)量計算公式：,波文比-能量平衡法適用于空氣溫度和濕度垂直輪 廓一致的情況，在常規(guī)觀測中精度較好，長期以來得 到了廣泛的應(yīng)用。 但在下墊面很潮濕或很干燥的條件下，計算結(jié)果 往往偏低，精度下降,12,方法五：綜合方法,能量平衡法考慮了影響水面蒸發(fā)的熱量條件，而影響 水面蒸發(fā)的動力條件只考慮了水汽擴散的作用,空氣動力學(xué)法考慮了影響水面蒸發(fā)的主要動力條件 風(fēng)速和水汽擴散，但對太陽輻射未考慮,Penman（1948）綜合考慮了能量平衡法和空氣動力學(xué) 方法的長處

6、，取長補短，將二者較好的結(jié)合起來提出 了確定水面蒸發(fā)的綜合方法,13,二 冰雪蒸發(fā),冰雪蒸發(fā)是水面蒸發(fā)的一種特殊情況，是一個經(jīng)歷著 固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)的變化過程,當(dāng)冰雪上空的水汽壓小于當(dāng)時溫度下的飽和水汽壓 時，冰雪蒸發(fā)就會發(fā)生,多用經(jīng)驗公式估算冰雪蒸發(fā) 庫茲明公式 :,10m高度處的平均風(fēng)速,雪面溫度的飽和水汽壓,2m高度處水汽壓,14,二 冰雪蒸發(fā),美國中央西拉雪實驗室（Central Sirra Laboratory） 公式,雪面溫度下的水汽壓,Zb高度處的平均風(fēng)速,Za高度處的水汽壓,15,三 植物散發(fā),植物散發(fā)規(guī)律： 根系吸收水分類似達西定律描述,單位時間內(nèi)吸收的水分,土壤導(dǎo)水系數(shù),植

7、物導(dǎo)水系數(shù),葉片吸力,使水分保持在土壤中的吸力,由Dolton定律可知：葉面和大氣間的水量交換即散發(fā) 量，應(yīng)與飽和差成正比，即,植物葉面與大氣間的水份交換系數(shù),植物細胞薄膜面與葉面之間的水份交換系數(shù),植物散發(fā)能力,16,三 植物散發(fā),簡化形式：,根據(jù)水量平衡原理，有：,土壤含水量的函數(shù),反應(yīng)植物生理特性對 散發(fā)影響的系數(shù),17,四 潛在蒸散量的估算,定義 平坦地面被矮稈綠色作物全部遮蔽，土壤充分濕潤情 況下的蒸散量，也稱可能蒸散量或最大可能蒸散量,方法 氣候?qū)W方法：基于氣溫、基于太陽輻射、Peman法、Peman-monteith四類 微氣象學(xué)方法：質(zhì)量守恒、空氣動力學(xué)、波文比-能量平衡法同水

8、面蒸發(fā)計算方法 蒸發(fā)皿方法,18,基于氣溫估算方法,適用 氣象氣候資料缺乏，用氣溫來估算潛在蒸散發(fā) 時間尺度：周、月,基本形式,其余為經(jīng)驗參數(shù),氣溫,濕度,19,基于太陽輻射估算方法,基于太陽輻射估算陸面潛在蒸散量的經(jīng)驗公式通常是 以能量平衡為基礎(chǔ)，大多數(shù)基于太陽輻射的公式采用 如下形式：,蒸發(fā) 潛熱,與相對濕度和 風(fēng)速有關(guān)的系數(shù),與溫度和高程有 關(guān)的權(quán)重系數(shù),太陽總輻射,太陽凈輻射,20,Peman法,1948年，Peman提出 物理基礎(chǔ)：質(zhì)量守恒和能量平衡方程綜合法 后來有學(xué)者修正了Penman方程，使其可以應(yīng)用氣象學(xué)參數(shù)和氣象站實測資料,飽和水汽壓與溫度 散點圖上的曲線斜率,可利用能量,

9、濕度計常數(shù),2m高處風(fēng)速,水汽壓差,21,Penman-Monteith方法,1963，1964，Monteith將阻抗引入ET的估算，進一步 發(fā)展了Penman方法,凈輻射,土壤熱通量,空氣密度,空氣定壓 比熱,水汽傳輸?shù)目諝?動力學(xué)阻抗,水汽傳輸?shù)牡乇?（冠層）阻,水體蒸發(fā)潛熱,22,蒸發(fā)皿方法,蒸發(fā)皿便宜、易于維護與操作，其應(yīng)用型非常廣泛 在濕潤地區(qū)，蒸發(fā)皿可以較精確的估算潛在蒸散,系數(shù)，取值范圍為0.5-1.0 ，與蒸 發(fā)皿型號、觀測地點和季節(jié)有關(guān),觀測值,23,五 實際蒸散發(fā)量的估算,1 概念性水文模型中的蒸散發(fā)模擬 采用Penman-Menteith方法 缺點：變量多，難確定 處理

10、：將實際蒸散發(fā)看作潛在蒸散與土壤干燥度的函數(shù) 即 缺點：極端條件時誤差大,24,五 實際蒸散發(fā)量的估算,2 互補相關(guān)模型 互補相關(guān)理論：局地蒸散發(fā)潛力與實際蒸散發(fā)之間不是成正比，而是成負指數(shù)關(guān)系。 假設(shè)：區(qū)域上得到的太陽輻射量保持不變，無平流影響，下墊面均勻等 Bouchet提出： 計算ETa的常用模型有三個,25,五 實際蒸散發(fā)量的估算,CARE模型（Coplementary Relationship Areal Evapotranspiration） 引入平衡溫度概念，即在此溫度下，對于一個濕潤的陸面，由能量平衡與水汽傳輸推算的蒸散發(fā)量相等,26,五 實際蒸散發(fā)量的估算,平流-干旱模型（A

11、dvection-Aridity Model，AA） 根據(jù)Penman公式與Priestley-Taylor公式計算的蒸散發(fā)相等推出： 考慮平流能量與土壤熱通量，推出精確公式：,27,五 實際蒸散發(fā)量的估算,Granger模型 重新定義了可能蒸散和濕潤環(huán)境蒸散，選擇表面飽和、大氣參量和表面溫度不變時的蒸散量為潛在蒸散量，運用Dolton蒸發(fā)定律，建立了一個依據(jù)能量平衡和空氣動力學(xué)原理的方程，并引入相對蒸散，以區(qū)別飽和表面，認為相對蒸散與相對干燥力之間存在唯一關(guān)系，最終推導(dǎo)出估算陸面實際蒸散的關(guān)系,28,五 實際蒸散發(fā)量的估算,簡化估算,29,五 實際蒸散發(fā)量的估算,3 區(qū)域遙感蒸散發(fā)模擬 理論基礎(chǔ)：地表熱量平衡與水分平衡 三種情況： （1）與傳統(tǒng)計算方法相結(jié)合的模型 計算蒸散發(fā)模型的參數(shù)來自遙感反演的地表參數(shù),30,五 實際蒸散發(fā)量的估算,（2）數(shù)值模型 利用遙感資料及時更新土壤-植被-大氣傳輸（SVAT）模型、大氣環(huán)流模式（GCM）中的陸面過程模型（LSM）等 數(shù)值模型充分考慮了土壤-植被-大氣間能量傳輸?shù)奈锢硖匦?，借助于?nèi)部和邊界條件，可以模擬能量通量變化的連續(xù)過程 缺點：大多數(shù)數(shù)學(xué)模型需要連續(xù)的氣象資料，或是