蒸散發(fā)過程模擬課件

西安理工大學水文水資源第四章蒸散發(fā)過程模擬1精選可編輯ppt西安理工大學水文水資源第四章蒸散發(fā)過程模擬1精選可編輯pp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精選可編輯ppt主要內(nèi)容水面蒸發(fā)2精選可編輯ppt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，水分子隨風吹離3精選可編輯ppt一水面蒸發(fā)1水面蒸發(fā)機理水分汽化：水分子逸出水面，在水面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方法波文比-能力平衡法綜合方法4精選可編輯ppt2水面蒸發(fā)量的確定方法4精選可編輯ppt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精選可編輯ppt方法一：經(jīng)驗公式法基本形式：5精選可編輯ppt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精選可編輯ppt方法二：水量平衡法水量平衡法對長時段（至少1個月，方法三：空氣動力學法K：渦動交換系數(shù)；u：水平風速；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)空氣近地層中風速及渦動交換系數(shù)隨高度變化的特征，并采取適當?shù)倪吔鐥l件，求解下列微分方程

7精選可編輯ppt方法三：空氣動力學法K：渦動交換系數(shù)；u：水平風速；z：高度方法三：空氣動力學法根據(jù)擴散理論，利用空氣動力學中的關(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精選可編輯ppt方法三：空氣動力學法根據(jù)擴散理論，利用空氣動力學中的關(guān)系式，方法三：空氣動力學法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精選可編輯ppt方法三：空氣動力學法1939年，桑斯威特(Thornthwa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精選可編輯ppt方法四：波文比-能量平衡法1926年，波文(Bowen)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進入空氣的傳導(dǎo)過程，引入了波文比（BowenRatio）的概念γ:干濕表常數(shù)；△T：溫差；△e：氣壓差11精選可編輯ppt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：B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精選可編輯ppt方法四：波文比-能量平衡法蒸發(fā)量計算公式：波文方法五：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

空氣動力學法考慮了影響水面蒸發(fā)的主要動力條件—風速和水汽擴散，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方法的長處，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精選可編輯ppt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)的變化過程當冰雪上空的水汽壓小于當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高度處的平均風速雪面溫度的飽和水汽壓2m高度處水汽壓14精選可編輯ppt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)歷著當二冰雪蒸發(fā)美國中央西拉雪實驗室（CentralSirraLaboratory）公式

雪面溫度下的水汽壓Zb高度處的平均風速Za高度處的水汽壓15精選可編輯ppt二冰雪蒸發(fā)美國中央西拉雪實驗室（CentralSirra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精選可編輯ppt三植物散發(fā)植物散發(fā)規(guī)律：單位時間內(nèi)吸收的水分土壤導(dǎo)水系數(shù)植三植物散發(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精選可編輯ppt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四類微氣象學方法：質(zhì)量守恒、空氣動力學、波文比-能量平衡法——同水面蒸發(fā)計算方法蒸發(fā)皿方法18精選可編輯ppt四潛在蒸散量的估算定義方法18精選可編輯ppt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精選可編輯ppt基于氣溫估算方法適用基本形式其余為經(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精選可編輯ppt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——綜合法后來有學者修正了Penman方程，使其可以應(yīng)用氣象學參數(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

濕度計常數(shù)

2m高處風速

水汽壓差

21精選可編輯pptPeman法1948年，Peman提出飽和水汽壓與溫度可利用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)目諝鈩恿W阻抗

水汽傳輸?shù)牡乇恚ü趯樱┳?/p>

水體蒸發(fā)潛熱

22精選可編輯pptPenman-Monteith方法1963，1964，Mo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精選可編輯ppt蒸發(fā)皿方法蒸發(fā)皿便宜、易于維護與操作，其應(yīng)用型非常廣泛系數(shù)，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：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精選可編輯ppt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24精五實際蒸散發(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的常用模型有三個水分不足水分充足225精選可編輯ppt五實際蒸散發(fā)量的估算2互補相關(guān)模型水分不足水分充足225五實際蒸散發(fā)量的估算CARE模型（CoplementaryRelationshipArealEvapotranspiration）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精選可編輯ppt五實際蒸散發(fā)量的估算CARE模型（Coplementary五實際蒸散發(fā)量的估算平流-干旱模型（Advection-AridityModel，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精選可編輯ppt五實際蒸散發(fā)量的估算平流-干旱模型（Advection-A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精選可編輯ppt五實際蒸散發(fā)量的估算Granger模型28精選可編輯ppt五實際蒸散發(fā)量的估算簡化估算29精選可編輯ppt五實際蒸散發(fā)量的估算簡化估算29精選可編輯ppt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精選可編輯ppt五實際蒸散發(fā)量的估算3區(qū)域遙感蒸散發(fā)模擬30精選可編輯p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)學模型需要連續(xù)的氣象資料，或是可以模擬近地表氣象狀況的資