植被熱紅外輻射特性

1、第四章植被熱紅外輻射特性研究本章針對不同的植被類型，將大氣植被土壤看作為一連續(xù)耦合體，分析 了植被組分與環(huán)境間的光輻射、熱量和水汽交換機(jī)理及計(jì)算模式，建立了基于熱 量和水分平衡理論的熱紅外輻射模型。探討了植被表面熱紅外輻射特性隨植被覆 蓋率、植被結(jié)構(gòu)和氣象條件的變化規(guī)律。其中首次將剩余阻抗引入到植被與大氣 之間潛熱交換的計(jì)算模式中；首次將土壤熱模型和植被熱模型相融匯，模型可適 用于不同植被覆蓋情形。4.1引言與裸露地表相比，植被表面熱紅外輻射特性確定要復(fù)雜的多。一是因?yàn)橹脖?所包含的種類比較多，有低矮的農(nóng)作物和草地等，也有較高大的林冠類植被。在 不同的生長期，這些植被的形態(tài)結(jié)構(gòu)相差很大，對地面

2、的覆蓋率也不同。二是因 為植被對太陽和天空輻射的吸收，以及植被與大氣間的熱量和水汽交換計(jì)算模式 也相當(dāng)復(fù)雜，不但要涉及植被組分的光學(xué)特性、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，甚至還要涉及到 植被的生理特性。因此，植被熱紅外輻射特性研究不但具有重要的理論意義，而 且在實(shí)際應(yīng)用中，可以提供許多有價(jià)值的紅外波段信息，以便利用這些信息進(jìn)行 遙感數(shù)據(jù)處理、復(fù)雜背景下弱小目標(biāo)檢測以及農(nóng)田水資源調(diào)查等。針對不同的需求目的，植被熱模型研究已得到了普遍的重視。關(guān)于單片植物 葉面能量平衡的研究為植被熱模型提供了基礎(chǔ)理論參數(shù)1，2。對于比較密集的 低矮植被（如成熟期的小麥），通常將植被和下方土壤看作為一連續(xù)介質(zhì),即植被 層溫度和土壤表面

3、溫度是相同的。這類模型對植被光輻射吸收、植被表面顯熱及 潛熱交換過程的描述比較簡單，沒有涉及植被內(nèi)的熱交換過程，主要目的是用于 農(nóng)田蒸發(fā)研究3-12。有關(guān)林冠這樣的較高植被，通常將其分為若干個(gè)植被層， 首先確定各層的物理溫度，最終給出在林冠上方觀測到的輻射溫度。其基本特點(diǎn) 是考慮了植被的形態(tài)結(jié)構(gòu)、不同高度層植被組分的相互作用以及植被層內(nèi)部的潛 熱和顯熱交換過程，模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。但是，對于下方土壤影響的處理比較簡 單，土壤表面溫度是作為已知參數(shù)輸入的，因此具有一定的局限性。這些研究主 要用于小氣候和植被蒸發(fā)領(lǐng)域13-23。當(dāng)植被未完全覆蓋地表時(shí)，情況就更加 復(fù)雜。由于土壤表面的暴露，必須要考慮

4、土壤和植被的相互作用。文獻(xiàn)24,25 將植被和土壤分為兩個(gè)相互耦合的介質(zhì)層，初步解決這一問題。但是，它們只適 用于低矮的植被，并且植被覆蓋率的確定完全是經(jīng)驗(yàn)性的，甚至有人為的因素。 文獻(xiàn)26,27 所提出的農(nóng)田蒸發(fā)模型，從原理上講，不但適用于完全或未完全覆蓋 地表的低矮植被，而且也適用高大的林冠植被。本章將大氣植被土壤看作為一連續(xù)耦合體，根據(jù)植被層熱量和水分連續(xù) 原理，在分析植被組分與環(huán)境間的光輻射、熱量和水汽交換的基礎(chǔ)上，通過植被 層熱量和水分平衡方程獲得其溫度分布，并由植被形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)、光輻射參數(shù)以 及大氣特征參數(shù)，模擬分析了植被表面熱紅外輻射特性的變化規(guī)律，并進(jìn)行必要 的野外測量，對理論

5、模型給予驗(yàn)證。本章的主要特點(diǎn)為，針對不同的植被類型，采用不同的建模方法。密集的低 矮植被，建立單層模型；稀疏的低矮植被，即下方土壤暴露較多的低矮植被，采 用單層植被與土壤熱模型的串聯(lián)模型；而對較高的林冠型植被，多層模型是一種 有效的方法。當(dāng)然，這種方法的選用不是唯一的，其近似假設(shè)和處理方法的難易 程度也不一樣。原理上講，多層方法適用于所有的植被。但是，由于多層方法過 于復(fù)雜，特別是有些植被的特性參數(shù)獲取有限，所以，在大多數(shù)情況下，上述的 方法選擇不但能帶來問題處理的簡化，而且所取得的結(jié)果也是令人滿意的。本章作者的主要貢獻(xiàn)有，首次將剩余阻抗引入到單層植被與大氣之間潛熱交 換的計(jì)算模式中，使其概念

6、更完整，計(jì)算更準(zhǔn)確；首次將土壤熱模型和植被熱模 型相融匯，模型可適用于不同植被覆蓋情形；在稀疏植被和林冠模型中，提出了 利用漫射輻射透過率確定植被覆蓋率的方法，克服了人為假設(shè)的不足；在多層植 被熱模型中，提出了同時(shí)利用風(fēng)和光輻射衰減確定上下層的邊界，克服了弱風(fēng)和 低太陽角條件下的不穩(wěn)定性。 4.2密閉植被熱模型當(dāng)植被完全覆蓋地面后，稱之為密閉型植被。此時(shí)，若從上方進(jìn)行觀測，土 壤的熱輻射貢獻(xiàn)基本上可以忽略。同時(shí)，在整個(gè)交換體系中，土壤與空氣間直接 的熱量和水汽交換也非常小。對于低矮類型植被，如成熟期的小麥、茂密的草地 等，在某一時(shí)刻，沿植被豎直方向的溫度基本上是常數(shù)。所以，對于完全覆蓋地 面的

7、低矮植被，可以從整體上分析它的熱動(dòng)力學(xué)特性，從而給出植被的平均溫度 和平均熱紅外輻射量。對大多數(shù)低矮植被，在相當(dāng)?shù)臅r(shí)期，如生長后期和成熟期， 這是一種很好的近似，已在許多植被蒸發(fā)特性研究中得到證實(shí)4,11。這種近似 的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是，由于將植被作為一個(gè)整體去分析它的平均效應(yīng)，無需關(guān)心其 內(nèi)部的一些細(xì)節(jié)特征，比較適合于紅外輻射特性的預(yù)測?；緹崞胶夥匠淘诮⒛Ｐ椭埃f明以下幾點(diǎn)：（1）將植被看成是土壤表面上均勻分布、 水平無限大的介質(zhì)層；（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果28，植被葉片厚度對熱紅外輻射的 響應(yīng)時(shí)間常數(shù)約為100300s，由于此項(xiàng)研究所考慮的時(shí)間間隔比300s長得多， 所以本研究中，假定每個(gè)時(shí)間

8、周期里都出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)；（3）植物能量的生物化學(xué)存 儲很小，忽略不計(jì)。根據(jù)上述假設(shè)，可列出植被層的熱平衡方程R + R - M - H - LE = 0（4.1）其中，R為植被層單位面積所吸忒的太陽短波輻射能（W/m2）； R為植被層單 位面積所吸收的天空長波輻射能（W/m2）； M為植被層表面輻出度（W/m2）； H 為植被層與大氣間的顯熱交換通量（W/m2）； CLE為植被層與大氣間的潛熱交換 通量（W/m2）。方程（4.1）式中未出現(xiàn)熱傳導(dǎo)項(xiàng)：這是因?yàn)橹脖唤M分的熱傳導(dǎo)率 很小，植被層與下層介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)通量被忽略。熱傳輸通量計(jì)算方程（4.1）中的各項(xiàng)涉及到光輻射交換、顯熱交換以及水汽潛熱交換

9、，其 計(jì)算模式與光裸地表類似，但具有明顯不同之處，計(jì)算準(zhǔn)確與否直接影響到植被 層溫度的模擬精度。下面分別進(jìn)行說明。1、輻射量R的計(jì)算可利用第二章所描述的植被輻射吸收模型計(jì)算。計(jì)算時(shí)，葉面積 指數(shù)取植被總?cè)~面積指數(shù)LAI。R的計(jì)算原理上也可利用植被輻射吸收模型，但由于植被葉面的長波發(fā)射率 通常接近于1，R的計(jì)算可以簡化為 TOC o 1-5 h z R = LaI& E（4.2）廠flcf rt/y其中，e為植被葉面發(fā)射率，一般取0.91.0。植被層輻出度M為 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document M = LAIe oT4（4.3）其中，T為植被層溫

10、度（K）o C2、顯熱通量植被與大氣間的顯熱交換H是所有植被組分效果的總和。最初的研究是先確 定單個(gè)葉面與空氣顯熱交換的機(jī)理，然后乘以總?cè)~面數(shù)，并加以修正來計(jì)算總的 顯熱交換29，這種方法最大的局限性就是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)的不確定性?，F(xiàn)在普遍采用 空氣動(dòng)力學(xué)阻抗模式來計(jì)算H =p C Tc - Ta（4.4）a a p ra其中，r是整個(gè)植被層與大氣間的空氣動(dòng)力學(xué)阻力。文獻(xiàn)30在研究植被蒸發(fā)時(shí)， 從植物小氣侯原理出發(fā)，也提出了類似的公式H = p C c a（4.5）a a p r + r對比（4.4）式和（4.5）式可以看出，（4.5）式中多了 l阻抗，七稱為剩余阻 抗。公式（4.4）中忽略了匕，這是

11、由于對植被的動(dòng)量匯高度和熱量源匯高度的 混淆所致。根據(jù)文獻(xiàn)30的討論可知，對應(yīng)于熱量傳輸?shù)南聣|面粗糙度z。和對應(yīng) 于動(dòng)量傳輸?shù)南聣|面粗糙度z的關(guān)系為z =0.2z，。由該式可知，熱量源0匯高度 （d+ z ）低于動(dòng)量匯高度（d + Z），d為與植被高度有關(guān)的零平面位移。雖然這兩oQ個(gè)假想高度相差很小，但由于氣溫隨高度呈對數(shù)分布，由植被上方的氣溫廓線外 推所得到的這兩個(gè)高度上的溫度可能會(huì)相差幾度31,32。圖（4.1）給出了動(dòng)量 匯溫度和熱量源匯溫度的比較，其中T（0，）為動(dòng)量匯的溫度，T（0）為熱量源匯溫 度。圖（4.2）植被熱量傳輸阻力模型，它表示了動(dòng)量匯和熱量源匯與各阻力間 的關(guān)系。在（4

12、.4）式中，顯然將T（0）當(dāng)作遙測的平均葉面溫度T。嚴(yán)格地講， cT圖（4.1）動(dòng)量匯溫度T（0）和 （z 熱量源溫度T （0）之間的比較圖（4.2）植被熱量傳輸阻力模型T（0，）是動(dòng)量匯上的氣度，也可以看作是冠層內(nèi)的平均氣溫，而它是不能被紅外 測溫儀遙測到的，T（0）是有效植被溫度，即是平均葉面溫度或植被層溫度。所以 說，剩余阻抗是調(diào)節(jié)葉面溫度和冠層內(nèi)氣溫之間差異的重要機(jī)制，是不能被忽略 的，它的引入可以明顯地提高農(nóng)作物蒸發(fā)的計(jì)算精度33。在植被輻射溫度模似 計(jì)算中，同樣發(fā)現(xiàn)Z的作用也是較明顯的，包含與不包含所獲得的植被溫度 T，最大可相差0.6度左右34。c3、潛熱通量地表蒸發(fā)是發(fā)生在土壤

13、植物大氣這個(gè)相當(dāng)復(fù)雜體系內(nèi)的連續(xù)過程，這個(gè) 過程不斷需要有水分供應(yīng)和能量來源，所以只有對土壤水分運(yùn)動(dòng)、植物水分傳遞、 植物與大氣間的水汽交換等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，才能全面了解地表的蒸發(fā)過程。 近代微氣象學(xué)、水文學(xué)和生物科學(xué)的發(fā)展，從不同角度推動(dòng)了地表蒸發(fā)的研究， 出現(xiàn)過相當(dāng)多的計(jì)算和測定方法。由于我們的目的是為了確定植被層的溫度，因 此，在選用潛熱蒸發(fā)的計(jì)算方法時(shí)，采用了以植物生理測定技術(shù)和能量平衡為基 礎(chǔ)，并與紅外遙感相結(jié)合的空氣動(dòng)力學(xué)阻抗模式。在植被完全覆蓋土壤后，地表總蒸發(fā)主要是植被蒸騰，蒸騰是通過植物葉面 進(jìn)行的。植物葉子表皮的氣孔起著植物與大氣中二氧化碳和水氣交換的閥門作 用，水氣從葉

14、子內(nèi)向周圍空氣擴(kuò)散就受到氣孔開閉的阻抗作用。Monteith35針 對完全覆蓋地面的低矮植被均勻下墊面，將Penman等人提出的單片葉子氣孔阻抗 概念推廣到植物冠層表面，建立了計(jì)算植被總蒸發(fā)量的阻抗公式，即根據(jù)植物生 理測定技術(shù)所得到的公式(4.6)le 此.氣（Tc）ea y r + r其中，e （T ）為平均葉面溫度下的飽和水汽壓（mbar），r為植被冠層阻力（s/m）， sat cc即植物葉面群體氣孔阻力的綜合效應(yīng)。同樣，不能忽略剩余阻抗的作用，式（4.6）的完整形式應(yīng)為(4.7)le 此.氣（Tc）e a y r + r + r公式（4.7）描述的是葉面內(nèi)部水分通過葉面氣孔而產(chǎn)生的水汽

15、蒸發(fā)。當(dāng)有降雨 或水汽凝結(jié)時(shí)，葉面上會(huì)包容一定量的水分，此時(shí)應(yīng)考慮這部分水分帶來或帶走的熱量。公式（4.7 ）應(yīng)修正為（4.8）（4.9）LE = e (T) - e ( 吃 +_12) a Y sat c ar + V V + V + V ac bh ac c bh 其中，wc為植被葉面濕潤百分比，定義為24 ，w 、,一、()2/3 e (T ) eWsat c av maxW = 5 c , 1e (T ) v esat c a其中，w為植被葉面所截獲的實(shí)際水量（m）； w為葉面所能包容的最大水量（m）。wr受下列方程所控制岐=a W 0，且差值很大，而風(fēng) 速又很小的強(qiáng)烈不穩(wěn)定狀況下，由

16、式（4.17）和式（4.18）計(jì)算r時(shí)，會(huì)出現(xiàn)r 0 的不合理數(shù)值。謝賢群39在引進(jìn)了影響湍流交換強(qiáng)度的熱量穩(wěn)定度函數(shù)巾，并H 在不同的穩(wěn)定度情況下取不同的函數(shù)形式，從而獲得了合理的結(jié)論及較高的計(jì)算 精度，其具體的公式為(4.19)I*1 + Hln( z - d)/z 0 因此，在利用（4.25）式時(shí)，必須同時(shí)考慮葉片水勢隨時(shí)間的變化。根據(jù)水輸送 的連續(xù)性原理，植被所蒸發(fā)的水分應(yīng)等于植物根系從土壤中所抽吸的水，而后者 可類似電流流動(dòng)那樣表示為與土壤水勢和葉片水勢的梯度成正比-0.5a- 0(4.20)其中，n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù) A的計(jì)算公式為zaAz -d-0.03 0A在(Z - d)/ A 0

17、時(shí)，n = 52。aa(4.21)A =k g (T - T )/u0 a c a剩余阻抗公式的一般形式為30(4.22)、lrbh=7 u其中，l為作物的特征尺寸(對小麥，l =0.3)；成為植被層內(nèi)的平均風(fēng)速。在小 氣侯資料不足時(shí)，可近似地計(jì)算r4 bhr bh U*(4.23)(4.24)植被冠層阻力(葉面氣孔阻力)的估算是蒸發(fā)計(jì)算領(lǐng)域的另一個(gè)重要方面， 也是Penman-Monteith類模式能夠大范圍推廣應(yīng)用的前提40。因此，氣孔運(yùn)動(dòng) 與環(huán)境因素間的內(nèi)在關(guān)系一直被許多學(xué)者所關(guān)注。在綜合各種環(huán)境因素對氣孔影 響的基礎(chǔ)上，許多計(jì)算氣孔阻力的數(shù)學(xué)模式已相繼建立，并在實(shí)用中顯示出較好 的效果

18、41-43。由于氣孔阻力隨植物種類、葉子生長狀況等均有變化，加之許 多生理因素及植物內(nèi)部前期水分狀況對當(dāng)時(shí)氣孔運(yùn)動(dòng)的影響，使得氣孔對環(huán)境因 素變化的反應(yīng)具滯后性和不確定性44，目前的研究還停留在半定量的基礎(chǔ)上。 對于矮小、密閉的植物群體(如成熟期的小麥、草地)，其冠層阻力可以通過葉 面指數(shù)和葉片氣孔阻力近似計(jì)算出來。Choudhury45針對小麥提出的冠層阻力 計(jì)算模式為100011 + (-w / 2308)5.51 rc = 05LAI + 0.021R (1 -t )其中，w為葉面水勢(m)，它是葉片含水量的表征值；R為植被凈輻射吸收 (W/m2)；t為植被光輻射透過率。由于葉片含水量隨

19、植被的水蒸發(fā)而發(fā)生變化，(4.25)（4.26）L w f K其中，L為容積蒸發(fā)熱（=2.47X10J/m3）； w為土壤水勢（m）; r為從顆粒 狀土壤到植物根系表皮的水流阻力（s）； r為從植物根系表皮到葉并氣孔的水 流阻力（s）。r與土壤中植物根系的密度和土壤的導(dǎo)水率有關(guān)5（4.27）sol0.0013rsoilZ K其中，z為植物有效根系深度（m），對于麥田，Z =1.5；對于草地Z =0.350.43。rrrr通常比r碩高一個(gè)數(shù)量級，其計(jì)算公式為46（4.28）Tp - 1 +（崩 /240）P SOli16 X109計(jì)算時(shí)，可先利用初值計(jì)算出潛熱蒸發(fā)勺，并由（4.26）式給出葉片水

20、勢wfW =甲（4.29）f sLw表面熱紅外輻射特性模擬與分析通過聯(lián)立求解上述方程組，我們模擬計(jì)算了成熟期小麥的表面輻射溫度，同 時(shí)進(jìn)行了實(shí)地測試，以驗(yàn)證理論的正確性。測量地點(diǎn)為西安南郊杜陵鎮(zhèn)，測量設(shè) 備和氣象測式結(jié)果如3.2所述。植被取樣在兩塊區(qū)域進(jìn)行，第一塊為30X40cm2、 第二塊為40X40cm2，植被高度、葉面指數(shù)以及植被葉面傾角分布根據(jù)定義采用 抽樣求平均的方法計(jì)算。植被有關(guān)特征數(shù)據(jù)如下：LAI =3.5； h =0.75 （m）； e = 0.98 ；葉面傾角分布類型為球面型。植被輻射溫度模擬值和實(shí)測值結(jié)果如圖 f4.4）所示。由圖（4.4）可以看出，除去兩三個(gè)時(shí)刻外，模擬結(jié)

21、果與實(shí)測結(jié)果 吻合的是比較好的。另外，模型靈敏度分析表明，對于密閉植被，模型所依賴的 關(guān)鍵氣象參數(shù)仍為太陽輻射E以、大氣溫度二和風(fēng)速/植被特征參數(shù)為植被葉 面發(fā)射率七、葉面指數(shù)LAI和1植被高度h。a abo度溫射輻26.012.012 14 16 18 20 22 242468 10 12 14時(shí)間(hours)0042220000086421 1 1圖（4.4 ）密閉植被表面輻射溫度模擬值與實(shí)測值比較4.3非密閉植被熱模型如果植被葉面比較稀疏而未能完全覆蓋地表時(shí)，土壤與大氣間的熱量和水汽 交換就會(huì)在整個(gè)交換體系中占有一定的份額，此時(shí)由于植被和土壤表面的能量收 支不同，植被葉面與土壤表面的溫

22、度將會(huì)有較大的差別，正是由于這種溫度差別 和土壤表面的暴露，所觀測到的輻射應(yīng)是植被葉面和土壤表面輻射的共同貢獻(xiàn)。 對于這種情況，本節(jié)通過分析植被層和土壤表面與大氣間的熱量交換和水量交 換，并充分考慮植被與土壤間的相互影響，從而建立基于植被層和土壤表面能量 平衡的串聯(lián)熱模型。表面熱平衡方程由于植被層和土壤表面在顯熱交換、潛熱交換以及輻射吸收間的相互影響， 熱模型的建立是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，有些參數(shù)的確定也是比較困難的。針對這 種非密閉植被，仍只考慮低矮植被。為了描述方便，我們將大氣植被土壤體 系分為三個(gè)部分，最上方為大氣，中間為單一植被層，下方為土壤。假定植被層 為覆蓋率在01之間、組分均勻分布

23、的介質(zhì)層，并認(rèn)為整個(gè)植被層溫度沿豎直沒 有變化。圖(4.5)示意了這一體系中所發(fā)生的主要能量傳輸過程，其中七表示 短波輻射(W/m2)； r表示長波輻射(W/m2)； H為顯熱通量(W/m2)； lE為潛 熱通量(W/m2)；下標(biāo)h表示植被頂端的值；下標(biāo)g表示土壤表面的值。植被頂端土壤表面圖(4.5)非密閉植被層中的能量傳輸對于植被層，能量平衡方程為(RI - R t ) + (RI - R t) + (R t - RI ) + (R t - RI)+7H -H ) + (LE - LE ) = 0 略 g(4.30)對于土壤表面，能量平衡;方程為(Rl - Rt) + (RI - Rt) -

24、 H - LE - G = 0(4.31)其中，G為土壤熱傳導(dǎo)通量；R=E ； RJ = E 。熱傳輸通量計(jì)算由于植被比較稀疏且下方土壤的暴露，方程(4.30)和(4.31)式中各項(xiàng)的 計(jì)算模式明顯不同于密閉植被和光裸地表，每一項(xiàng)都會(huì)包含有互相影響的成分。 下面分別進(jìn)行說明。1、輻射通量對于短波輻射，由于植被葉面比較稀疏，可采用近似的處理方法。需要說明 的是，文獻(xiàn)24,25在處理植被光輻射遮擋率時(shí)，假定了它與葉面積指數(shù)成正比 關(guān)系bf =b =g d = LAI/7(4.32) 其根據(jù)是，各類作物的葉面指數(shù)最大不可能超過7,當(dāng)超過7時(shí)，葉子會(huì)過于密集， 將沒有足夠的光線供層內(nèi)的葉子生長。這一假

25、設(shè)用來處理顯熱和潛熱的計(jì)算是比 較方便的，但計(jì)算光輻射時(shí)會(huì)代來一些誤差。本節(jié)用光輻射理論來描述植被光輻 射遮擋率。令T表示直射輻射穿過整個(gè)植被層的透過率，T d表示漫射輻射穿過 整個(gè)植被層的透過率，有 ct , = exp（-LAIK ）（4.33）t d = exp（ - LAI ）（4.34）由此可分別定義植被層對直射和漫射輻射的遮擋率b和G Jb = 1 -t = 1 -exp（-K LAI）Hcd（4.35）b = 1 - t = 1 一 exp（一LAI）（4.36）所以有函 以Rg =T cE（1一叩匕（4.37）RT = a RI = （1 -b ）a E（4.38）R個(gè)=b p

26、 E + t RT =b p E + （1 -b ）a t E（4.39）sh cs f sun cs sg cs f suncs g cs sun其中，a為土壤表面短波反射率；p為植被葉面短波反射率。對于長波紅外輻射，采用類似于兩平行平板熱輻射交換的分析方法，有RT = （1 -b ）8 bT4 + （1 -8 ）E +b 8 bT4 + （1 -8 ）8 T4/8 lgcd g gg sky cd g gg f f（4.40）R$ = （1 -b ）E + b 8 bT4 + （1 -8 ）8 bT4/8（4.41）RT = （1 -b ）8 bT4 + （1 -8 ）E +b 8 bT4

27、 + （1 -8 ）E lhcd g gg sky cd f ff sky（4.42）8 = 8+888（4.43）其中，8為土壤表面長波發(fā)射率；8為植被葉面長波發(fā)射率；T為土壤表面溫 度（K）；g T為植被葉面溫度（K）。fg2、顯熱和潛熱通量根據(jù)顯熱和潛熱通量的連續(xù)性方程，有H = H + H（4.44）LE = Le + LE（4.45）其中，H、LE分別j為植被組分與周圍空氣間的顯熱和潛熱交換，也就是植被層 自身和空氣間的顯熱和潛熱交換。對于單片葉子表面，其顯熱交換通量為29(4.46)H =p C = leaf af p r af 其中，p為植被內(nèi)的空氣密度（kg/m3）； r為植被

28、層內(nèi)的空氣動(dòng)力學(xué)阻力（s/m）； afafT為植被層中的空氣溫度（K）。整個(gè)植被組分的顯熱交換通量為(4.47)H 二 1.1Wp d caf p raf其中因子1.1是考慮除葉面以外的其它組成部分，如莖、桿等，這些組分只交換 熱，但不蒸發(fā)。土壤表面的顯熱交換H為(4.48)H =p C W g ag p r ag其中，pa為植被層內(nèi)接近土壤表面的空氣密度（kg/m3）； ra為接近土壤表面處 的空氣動(dòng)力學(xué)阻力（s/m）。*植被層內(nèi)空氣與大氣之間的顯熱交換H為(4.49)H =p C=hh a p r a其中，p為參考高度處的大氣密度（kg/m3）； T為參考高度處的大氣溫度（K）； r為植被

29、層內(nèi)空氣與大氣之間的動(dòng)力學(xué)阻力（s/m）。a非密閉情形下，植被層潛熱交換通量的確定更為困難，因?yàn)槿绾螌⒅脖粚拥?蒸發(fā)和土壤表面的蒸發(fā)區(qū)分開來，在實(shí)驗(yàn)上有一定的難度，因此各種計(jì)算模式的 準(zhǔn)確性也就難于驗(yàn)證。這里我們?nèi)杂眠吔鐚幼杩鼓Ｊ絃Ec Y其中，e為飽和水汽壓(mbar)； w土壤表面的潛熱交換LE為 _ _ p C w e g(T ) - eag p . s sat gsat(4.50)(4.51)(4.52)-aCP e （T ） - e （T ）（W + 上匕）- sat f sat af r Y + Y為植被葉面濕潤百分比。LEg Yrag + surf其中，w為土壤表面含水率，按第三

30、章所描述計(jì)算。植被內(nèi)空氣與大氣之間的潛熱交換LE為P C e （T ） - e （T ） hLE =一 ag p , sat afa ah yra其中，e為參考高度處的水汽壓（mbar）。根據(jù)文獻(xiàn)24和25，上述各式中的空氣密度p f和pag為(4.53)(4.54)Pp = 0.348 jrafPpag = 0.348(T + T )/2 af g其中，Pa為參考高度處的大氣壓(mbar)。3、熱傳輸阻力植被層內(nèi)的空氣動(dòng)力學(xué)阻力r為r =（4.55）af U C其中，C為無量綱傳輸系數(shù)；u為植被層中的風(fēng)速（m/s）。它們的計(jì)算將涉及 到植被的遮蔽因子，即表面植被覆蓋率。有42u = 083b

31、 u C + （1 -a ）u（4.56）C = 0.01（1 + 0.3 上）（4.57）fuaf其中，bf為植被覆蓋率；匕為植被完全覆蓋時(shí)的熱傳輸系數(shù)；u.為參考高度處 的風(fēng)速（m/s）。有CHhk 20ln2(z -z )/z )（4.58）(4.60)(4.61)(4.62)覆蓋率b的計(jì)算可采用（4.32）式，而文獻(xiàn)47提供了較為一般的表示式 fb = 1 - exp（-04 LAI）（4.59）接近土壤表面處的空氣動(dòng)力學(xué)阻力r為1agr =ag u CCHg = (1 -b /h。+b fCHh 其中，%為無植被覆蓋時(shí)的熱傳輸系數(shù) H 0k 2C =0 H 0Zln2(-) z 0

32、s應(yīng)該說明，公式（4.55）至（4.62）有明顯的人為假設(shè)部分，例如式（4.56） 和式（4.61）中加權(quán)平均的權(quán)重因子，式（4.62）中的熱傳輸系數(shù)取的是中性層 結(jié)情況，沒有考慮穩(wěn)定度的因素。然而，在沒有充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)條件下，對于稀 疏植被，這種處理是比較方便的。(4.63)植被層內(nèi)空氣與大氣之間的動(dòng)力學(xué)阻力ra仍取ura摩擦風(fēng)速u *取u k+ 5 zo）r 其中，r是穩(wěn)定度訂正因子。取u*ln( zr =。(1 - cR)。312 ic、c、c是訂正常數(shù)；R.為里查森常數(shù)。它們滿足以下關(guān)系1 2 3 1R =K (T, Tf )i (T + T )/2(u u )2a fa afc =

33、10, c = 5.0, c = 2.0, R 0c = 12, c2 = 15.0, c3 = 0.8, R 0.99，則取R = 0.99。文獻(xiàn)25所使用的植被表面阻抗公式比較簡單，沒有考慮植物葉片水勢的影響，并假定它與葉子氣孔阻力成正比，與植被葉面積指數(shù)成反比（4.68）1r =s0.05 + 0.0021(R - Rp（4.69）本文所采用的計(jì)算公式如下：對于一般的低矮草地，仍采用（4.68）式，但葉子氣孔阻力取下列關(guān)系44003.2 +15 + R-R個(gè)W f -0.7 x 1064001.69 x 10-12(-wf)2.i + 15 rjrsh-0.7 x 106 w -5 x

34、106fsh400197.7 +15 + R-R個(gè)W -5 x 106（4.70）其中，葉面水勢W的單位?。≒a），水勢的單位換算式為1（m） =9.8X103 （Pa）。 對于小麥，則取文獻(xiàn)6提供的公式計(jì)算植被表面阻力_ 252 + 7450/(57 + IP)(4 71)c 1 - exp0.7(w - v ).其中，IP為入射的光合有效輻射能:可取短波輻射的一半；w皿為常數(shù)(一3.7 X 106 Pa)； w的單位仍取(Pa)。熱紅外輻射特性模擬根據(jù)上面的討論，在聯(lián)立求解上述方程組后，可以獲得植被層溫度T和土壤 表面溫度T，而表面輻射溫度應(yīng)分別考慮植被層和土壤表面的貢獻(xiàn)。當(dāng)觀測角取 0時(shí)

35、，表露給探測器的植被層部分由(4.35)式可知為b _ 1 -exp-K (0 )LAI(4.72)其中，K (0 )為按觀測角0所計(jì)算的植被直射輻射衰減系數(shù)。而暴露給探測器 的土壤表面部分為b _ 1-b _ exp-K (0 )LAI(4.73)而植被層的輻射為M =8 M (T )辦(4.74)仇* f %bX f土壤表面的輻射為M _8 2 M (T )dk(4.75)g%X 2g % bX g探測器所接受到輻射為1M %i % 2 = f J + gMg%1 % 2(4-76)等效黑體輻射溫度為MT = 4： %1%2(4.77)rb圖(4.6)給出的是利用上述理論，針對低矮草地所進(jìn)

36、行的模擬計(jì)算結(jié)果。 為了驗(yàn)證模型，圖中還給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和部分氣象數(shù)據(jù)如 所 述。其中主要參數(shù)如下：a =0.14； 8 =0.98； LAI =2.0； 8 =0.98； a =0.21； 0二兀/4。由圖可以看出，除了幾個(gè)時(shí)刻外，絕大多數(shù)時(shí)刻的模擬值與實(shí)測值相 藕合的是比較好的，這說明本文所建立的理論模型是正確的。為了尋求模型所依 賴的最敏感參數(shù)，我們還進(jìn)行了模型靈敏度分析。分析表明，模型所依賴的最敏 感的氣象參數(shù)為E 、T和U ；最敏感的植被和土壤特征參數(shù)為LAI、a和8， 部分分析結(jié)果如圖(4.7)所示。正如所預(yù)計(jì)的那樣，植被層、土壤表面和表面輻 射溫度隨太陽輻射和大氣溫度增加

37、而升高，隨著風(fēng)速的增大而降低。但是，植被 層、土壤表面和表面輻射溫度會(huì)隨著葉面指數(shù)和土壤表面反射率增大而降低，隨著植被葉面發(fā)射率增大而升高。另外，由于這些參數(shù)在植被層和土壤表面中的物 理過程作用不同，所以它們的變化對植被層、土壤表面和表面輻射溫度的影響程 度是不一樣的。所以，在不同的應(yīng)用場合，應(yīng)選擇不同參數(shù)精度。bo度溫射輻00000500312 14 16 18 20 22 242468 10 12 14時(shí)間(hours)圖(4.6)非密閉植被表面輻射溫度模擬值與實(shí)測值比較6 4 2 0 o o o O2-04-6-80-0-0-0-1b?；兌葴?.00.20.40.60.81.0葉面反射

38、率5 0 5 . 110050-0O 50 5 02235 0 53448葉面指數(shù)變化(a)(b)b。血變度溫0 -1 -2b?；兌葴?60.850.900.951.00植被葉面發(fā)射率(c)-21.0植被層溫度土壤表面溫度0.5化變度溫-0.5-6-20-1001020大氣溫度變化率(%)(e)圖(4.7)-2-3-40403210b?；兌葴?20020太陽輻射變化率()(d)-1.0-40參數(shù)靈密度分析-2002040風(fēng)速變化率(%)(f)4.4多層植被熱模型在單層植被熱模型中，假設(shè)沿植被豎直方向沒有溫度分布，整個(gè)植被層處于 一平均溫度，這種假設(shè)對于低矮植被，如生長初期的農(nóng)作物及草地是合

39、適的。然 而，對于較高的植被，如林冠，上述假設(shè)則會(huì)暴露出一些問題。一是植被的形態(tài) 結(jié)構(gòu)和葉面密度分布沿豎直方向會(huì)有較大的變化；二是大氣特征參數(shù)（風(fēng)速、氣 溫、濕度等）沿植被豎直方向存在明顯的梯度，相應(yīng)的傳輸系數(shù)則會(huì)有較大的差 別；三是光輻射分布，特別是短波輻射的較快衰減，葉片氣孔阻力會(huì)明顯不同。 這些因素均會(huì)導(dǎo)致不同高度植被組分的溫度具有較大的起伏。因此，在植被的不 同高度，植被組分所表現(xiàn)出的各種作用是不同的，若仍象低矮植被那樣，用一平 均特征參數(shù)來描述植被的整體效應(yīng)，給出平均植被層溫度，必將會(huì)出現(xiàn)較大的誤 差。同時(shí)，對于較高的植被，其表觀輻射溫度基本上是植被豎直溫度分布、下方 土壤表面溫度和

40、觀測角的函數(shù)。所以，必須建立能夠描述不同高度植被組分的作 用為，能夠確定植被豎直溫度分布以及表觀輻射溫度與不同高度植被組分作用特 征和溫度分布關(guān)系的熱輻射模型。針對較高的林冠植被，Kimes13 將其分為三 個(gè)子植被層，分別建立能量平衡方程，以確定不同高度子植被層的溫度，初步解 決了這一問題。以后，又有幾位學(xué)者對這一模型在算法20、短波吸收計(jì)算21 以及表觀輻射溫度方向特征22等問題上進(jìn)行了不斷完善，但物理思想仍是基于 Kimes模型。必須指出的是，Kimes類模型有以下的不足：（1）沒有建立植被內(nèi) 微氣象屬性（如風(fēng)速、氣溫等）沿植被高度變化計(jì)算的模型，而采用實(shí)測數(shù)據(jù)； （2）植被葉片氣孔阻力

41、是基于實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，利用反演技術(shù)得到，并取一不變 的平均值；（3）植被下方土壤表面溫度作為已知參數(shù)，由實(shí)測的數(shù)據(jù)提供。將 這些實(shí)測數(shù)據(jù)作為模型的輸入?yún)?shù)，在植物蒸發(fā)量的模擬計(jì)算中是十分有利的， 并可獲得較高的精度。但是，若將此方法用來模擬計(jì)算植被紅外輻射特性，特別 是預(yù)測植被紅外輻射特性隨環(huán)境條件的變化，是不切實(shí)際的，或者說是行不通的。 Yamazaki23 和Griend26在探討如何利用遙感信息來估算植被蒸發(fā)量、含水量 和熱慣量與氣象環(huán)境關(guān)系時(shí)所作的工作，為克服上述不足提供了可能性。本節(jié)以大氣、植物、土壤體系中的能量平衡、熱量和水汽連續(xù)為基礎(chǔ)，以植 物微氣象學(xué)為手段，研究了太陽及天空輻射、

42、空氣溫度、濕度和風(fēng)速等要素在植 被群體中的分布規(guī)律，并通過描述植被群體中湍流交換、輻射交換以及土壤中熱 量和水分運(yùn)動(dòng)，確定了植被豎直溫度分布和下層土壤溫度分布，建立了植被熱模 型。模擬了復(fù)雜植被覆蓋地表時(shí)的輻射溫度與植被結(jié)構(gòu)、氣象環(huán)境和觀測角之間 的關(guān)系。這種模型不但適用于高大植被，也可以用于低矮植被。由于環(huán)境輸入?yún)⒘烤侵脖豁敳康挠^測值，所以比較適合于遙感應(yīng)用和植被紅外輻射特性的預(yù) 測。能量體系分布在大氣、植被、土壤這一體系中，存在著兩個(gè)基本的輸運(yùn)過程：水分輸運(yùn)和 熱量輸運(yùn)。為了研究方便，我們將植被冠層分為三個(gè)子層。由于三層模式已可以 完整地描述所發(fā)生的物理過程，具有一般性，可以很方便地?cái)U(kuò)展

43、為多層模式。圖 （4.8）示意了三個(gè)子層模式下的水分和熱量傳送過程。其中，T （ T、T）、 af 1 af 2 af 3圖（4.8）水分和熱量傳輸示意圖HR ihnJr14Rn1LELLE1Haf 12HRsn2F1Rln 2LEaf 12LE4Haf 23 TTHRsn3r1Rln 3LEaf 23 LEe （ e 、e ）分別為子植被層內(nèi)的氣溫和水汽壓；T （ T、T）、e （ e、 af 1 af 2 af 3f 1 f 2 f 3 f 1f 2七3）分別為子植被層的葉面溫度和飽和水汽壓；T、e分別為土壤的表面溫度、 表層內(nèi)部空氣水汽壓；R （ R 、R 、R ）為凈短波吸收；R （

44、R 、R、sn 1 sn 2 sn 3 sngln1 In 2 In 3R ）為凈長波吸收；H （ H、H、H、H 、H 、H）為顯熱交換通Ingf 1 f 2 f 3 af 21 af 32 g量；LE （ LE、LE、LE、LE 、LE 、LE）潛熱交換通量；G為熱 f 1f 2f 3af 21af 32gh傳導(dǎo)通量；G為水?dāng)U散通量。對每一個(gè)子層和土壤表面，其能量平衡方程為R + R- H- LE = 0(4.78)R + R- H - LE = 0(4.79)Rn2 + Rn2 - Hf - lE 2 = 0(4.80)RS + R1- H- LE - G = 0(4.81)snnppp

45、hsng，ggg由顯熱通量和潛熱通量的連續(xù)性，可得H = H + H(4.82)Hf 12 =氣2 1如23(4.83)Hf 23 =氣 3+ Hf 3 gURLE = LE + LE(4.85)LE = LE +LE(4.86)LE* = le + LE”(4.87)E af+G = 0f 3af 3(4.88)熱通量計(jì)算對于較高大的林冠植被，入射輻射通量（如太陽短波輻射）以及氣象參數(shù)值 （如風(fēng)速）沿植被高度會(huì)有明顯的衰減，而且這種衰減與植被高度和植被葉面指 數(shù)以及植被葉面光輻射特征參數(shù)有關(guān)。另外，由于將植被冠層分為若干子層，各 子層之間以及子層與土壤表面之間的光輻射和熱傳輸通量必有明顯的影

46、響，其計(jì) 算模式又明顯不同與密閉植被和單層植被。下面分別進(jìn)行說明。1、輻射通量短波輻射吸收R （ R 2、R 3、R ）可由第二章 2節(jié)中的吸收模型計(jì)算， 導(dǎo)熱通量Gh和導(dǎo)水通量G0由第三章中的公式（3.52）和（3.54）給出。長波輻射 吸收則利用各層漫射穿透率t和遮擋率b （i = 1,2,3）計(jì)算。t和b的計(jì)算式與 dididi di式（4.29）和式（4.31）相同(4.89)(4.90)(4.91)(4.92)t = exp( 一 LAI ) TOC o 1-5 h z b；T-T di1若各層葉面長波吸收率七相同，土壤表面長波吸收率為Eg，則有R =Eb (E +bE bT 4 +

47、 t b e bT 4ln1f dskyd 2 f f 2d 2 d 3 ff 3+ T T E bT4)一 2E b bT4d 2 d 3 g gf d 1 f 1R = E b (T E +b E bT4 + b E bT4ln2f d2 d 1 sky d 1 f f 1 d2 ff 3+ T E bT4) 2e b bT4（4.93）（4.94）R =8b （T T E +Cb8 gT 4In 3 f d 3 d 1 d 2 sky d 2 d 1 f f 1+ G 8 bT4 + 8 bT4）- 2s G bT4R = 8 （T T T E +TTG8 gT 4lng g d 1 d

48、 2 d 3 sky d 2 d 3 d 1 f f 1+ T G 8 GT4 + G 8 GT4）- 8 gT42、顯熱和潛熱通量顯熱和潛熱交換通量可利用圖（4.9）所示的熱流和水流阻抗分布進(jìn)行計(jì)算， 圖中，T和e分別為參考高度z處的氣溫和水汽壓；h為植被高度；h（h、h） a aa123和z （ z、z）分別為子層的下邊界高度和等效高度；r為參考高度至第一f 1f 2f 3bulkgrsoil圖（4.9）顯熱和潛熱交換阻力示意圖子層間的空氣動(dòng)力學(xué)阻力；r （ r ）為兩個(gè)子層間的空氣動(dòng)力學(xué)阻力；r 為 af 12 af 23af 3 g第三子層全桿層間的空氣動(dòng)力學(xué)阻力；r （ r、r ）為

49、子層葉面與層內(nèi)空氣間 f1 f2 f3的邊界層阻力；r、r分別為土壤表面的邊界層阻力和潛熱通量阻力；l（L、 ）為子層葉面的氣孔阻力；r ,、r分別為土壤和植物的水抽運(yùn)阻力相應(yīng)的勺 顯熱和潛熱通量密度表示式為g P其中，H = p C_a_Caf1rbulkT THa p=Pfaf2af 12aPraf 12T THaf 23= PaCP-faf3raf 23T THaf 3 g= PaCPTfg-rg + raf 3 g TH =fiP -ffi =rC *LE =a_Laa*l.y r bulkLE1, 2,3P fpe af 1 -七 2y raf 12p C e eLE =p-af2a

50、f3af 23yraf 23PCe ePCe w e (T )LE =一 a paf 3g=a paf 3s sat gaf 3 gyr + r+ryr + r+raf 12g surf af 3 gg surf af 3 gLE = P2 (efi y fye )(% + fafi r i r i + re(T ) e + 1 sat fi afi rfiW*）i = 1, 2,3r + r七.（i = 1, 2, 3）為植被子層葉面濕潤百分比（4.95）（4.96）（4.97）（4.98）（4.99）（4.100）（4.101）（4.102）（4.103）（4.104）3、傳輸阻力空氣動(dòng)力

51、學(xué)阻力r 、r （ r ）、r 、r （i = 1,2,3）和r可根據(jù)植被上方bulk af 12af 23af 3gfig和植被內(nèi)的風(fēng)速廓線，利用空氣動(dòng)力學(xué)方法求出。粗糙邊界上方的空氣層可以分 為二個(gè)子層：慣性層和粗糙層。如圖（4.10）所示，慣性層和粗糙層的邊界七由下式給出48z = （h -d）p + d（4.105）w其中，p為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（對于大多數(shù)植被日=15 ） ； d為零平面位移（m）； %為植 被粗糙高度（m），有23圖（4.10）風(fēng)速與交換阻力示意圖K = ku （z 一 d） *K = ku （ z - d）KK = ku（ z udh2 k 27 = 1 ）exp hh c

52、*c h太（I-102 k 20-c*z d I dh=（i -萬 Er）fc沆 + （1 - f ）/ln（h /、）0-1其中，c*為無量綱植被密度。慣性層中的風(fēng)速廓線為48 u z d u （z） = yMn（）k 0z0其中，u*為摩擦風(fēng)速（m/s）； u（z）為高度z處的風(fēng)速（m/s）， 廓線為48（4.106）（4.107）（4.108）粗糙層內(nèi)的風(fēng)速hu(z) = u -土(1 - 一-)(4.109)w k z d其中，u”為慣性層和粗糙層邊界處的風(fēng)速。植被層內(nèi)的風(fēng)速廓線取決于無量綱植被密度cw*，一 一、c = c n h = c LAI(4.110)* d f d其中，馬為

53、葉面阻尼系數(shù)，對大多數(shù)植物可取 非常稀疏時(shí)，植被內(nèi)風(fēng)速廓線為對數(shù)形式u(z) = u ；n(z / 孔) h ln(h / z )其中，u為植被層頂端(二h)的風(fēng)速； 時(shí)，植被層內(nèi)的風(fēng)速廓線呈指數(shù)形式c zu(z) = uh exp2k*2(1 h)0當(dāng)c*適中時(shí)，u(z)應(yīng)隨c*平滑的變化23嘗=f exp-條(1 - ) + (1 f )(： u2k 2hln( h / z )=0.2。當(dāng)c*TO，即植被葉面（4.111）z，為土壤表面的粗糙高度。當(dāng)c*較大（4.112）（4.113）其中，f是關(guān)于c*的權(quán)重因子，c*1為調(diào)整因子，當(dāng)葉面積密度為常數(shù)，且大部分 葉面集中在h /2和h之間時(shí)，有*3（4.114）0.494( x + 08)f =+ 0.37 3 x 1（4.115）)(x + 08)( x 08) +1.11/2x = log c.10 (x + 0.26) + (x + 0.26)2 + 0161/2log c =10.3 一 3 x z，h =z，1211（4.156）（4.157）(4.158)LAI2 = j hi a (z。女(4.159)LAI3 = n a (z M如果風(fēng)