1、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
2、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,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
3、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,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
4、-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：,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：,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,
5、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
6、-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,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,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
7、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
8、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
9、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Bou
10、chet提出： 计算ETa的常用模型有三个,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
11、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,
