CN112362693A - 一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算方法和系统，属于水文情报预报技术领域。包括：通过仪器直接测量或者基于土壤温湿参数间接计算的方式，获取目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿；将目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿输入最大熵增蒸散模型，联立求解得到潜热通量；基于单位换算，将潜热通量转化为目标区域的蒸散发。本发明采用土壤热通量测算蒸散发值，通过获取土壤热通量代替净辐射项作为最大熵增蒸散模型的输入，避免了对辐射能量观测的依赖，克服了净辐射变量获取难度大、测量成本高且误差不明确等缺点，使蒸散发计算简便可靠。

Description

一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算方法和系统
技术领域
本发明属于水文情报预报技术领域，更具体地，涉及一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算方法和系统。
背景技术
蒸散发表征了由于太阳辐射驱动水分从土壤、植被等散发到大气之中的过程，在水文、农业、生态等多方面都具有广泛的研究。当前，基于物理过程的蒸散发模拟主要基于离散梯度法和Penman公式法。离散梯度法模型虽具有简单直观等优势，但模拟蒸散发不受能量守恒的约束，需要大量输入参数(梯度变量、风速、粗糙度等)，且模型的不确定性较大。Penman公式法则满足了能量平衡条件但模型输入参数多，且需要风速、表面粗糙度等不易量化的参数。由此，如何改进和提升蒸散发观测和模拟，是当前水文、农业、生态等多学科研究的前沿和难点。
针对上述问题，WangJingfeng等人于2009年基于最大熵增原理(MEP，MaximumEntropy Production)建立了最大熵增蒸散模型，是基于贝叶斯概率论、信息熵理论、大气边界层湍流论的现代非平衡态热力学理论，是用于计算湍流显热通量、潜热通量(蒸散发)和地表热通量作为表面净辐射最有可能的能量分配且满足能量平衡的新方法。不同于传统的离散梯度法，MEP模型预测地表热通量时只需要3个输入参数：净辐射、表面温度和比湿，就能得到热通量的唯一解。它的优势在于输入参数少且参数不敏感，不需要温度梯度和水汽梯度变量、风速及表面粗糙度等参数。然而，该方法依赖于太阳辐射或地表净辐射的准确观测，而辐射观测仪器的误差较大，尤其是净辐射变量的获取较困难且误差较大。而同样作为表面能量平衡方程项的土壤热通量，相较于地表净辐射，观测仪器成本较低且方便埋设，且观测误差较净辐射观测误差更明确、获取更为方便。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算方法和系统，其目的在于采用测量或计算土壤热通量替代净辐射的观测的方法，进而根据最大熵增蒸散算法计算蒸散发，对最大熵增蒸散算法进行改进，用土壤热通量替代净辐射项作为输入变量计算蒸散发，提高蒸散发计算的便利性和精度。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算方法，该方法包括以下步骤：
S1.通过仪器直接测量或者基于土壤温湿参数间接计算的方式，获取目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿；
S2.将目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿输入最大熵增蒸散模型，联立求解得到潜热通量；
S3.基于单位换算，将潜热通量转化为目标区域的蒸散发。
优选地，采用热流板或者土壤热通量监测仪器直接测量土壤热通量，采用土壤温湿度计直接测量地表温度。
优选地，基于土壤温湿资料采用TDEC法计算目标区域地表面的土壤热通量。
优选地，所述地表空气比湿通过以下方式获取：
(1)通过相对湿度测量仪器直接测量得到相对湿度，通过气压计直接测量得到大气压；
(2)基于以下公式计算地表空气比湿
Figure BDA0002721417500000031
其中，qs表示地表空气比湿，RH表示相对湿度，Ts表示地表温度，P表示大气压，es(Ts)表示地表温度Ts的饱和蒸气压。
优选地，所述最大熵增蒸散模型的输入变量为土壤热通量、地表温度、比湿，输出变量为潜热通量、显热通量和净辐射；联立求解下述三元非线性方程组，具体如下：
Figure BDA0002721417500000032
其中，G表示土壤热通量，LE表示潜热通量，Rn表示净辐射，H为显热通量，σ表示中间变量，B(σ)表示波文比的倒数，Is表示土壤热惯量，I0表示空气表观热惯性，σ的计算公式如下：
Figure BDA0002721417500000033
其中，λ表示水的相变潜热，Rv表示水汽体常数，cp表示常压下的空气比热，qs表示地表空气比湿，Ts表示地表温度。
优选地，所述基于单位换算，将潜热通量转化为目标区域的蒸散发，具体如下：
Figure BDA0002721417500000034
λ＝(2.501-0.00236*(Ts-273.15))×106
其中，ET表示蒸散发，单位为mm/day，LE表示潜热通量(W/m2)，λ表示水的相变潜热(J/kg)，Ts表示地表温度(K)。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算系统，所述系统包括：
数据获取模块，用于通过仪器直接测量或者基于土壤温湿参数间接计算的方式，获取目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿；
土壤热通量计算模块，用于将目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿输入最大熵增蒸散模型，联立求解得到潜热通量；
蒸散发计算模块，用于基于单位换算，将潜热通量转化为目标区域的蒸散发。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明采用土壤热通量测算蒸散发值，通过获取土壤热通量代替净辐射项作为最大熵增蒸散模型的输入，避免了对辐射能量观测的依赖，克服了净辐射变量获取难度大、测量成本高且误差不明确等缺点，使蒸散发计算简便、可靠。节约了仪器建设管理成本，在具备土壤基本观测信息的站点都可满足蒸散发的估算要求。本发明中的地表能量平衡方法为最大熵增蒸散算法，该算法满足地表能量平衡约束，不需要风速、表面粗糙度等难以量化的参数，且适用于任何土壤含水量和植被覆盖条件，提高了蒸散发计算的效率和精度。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算方法流程图；
图2是利用热传导方程校正(TDEC)法求取地表土壤热通量示意图；
图3为本发明提供的一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算系统结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1.通过仪器直接测量或者基于土壤温湿参数间接计算的方式，获取目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿。
优选地，采用热流板(通常埋设于土壤之中)或者土壤热通量监测仪器(例如，JZ-RTL型土壤热通量监测仪器)直接测量土壤热通量，采用土壤温湿度计直接测量地表温度。
土壤热通量也可以通过计算方法获得，比如陆渝蓉提出的地温曲线图解法、魏东平等提出的一维双层介质模型、阳坤提出的基于土壤温湿资料计算土壤热通量的TDEC(Thermal DiffusionEquation and Correction，热传导方程校正)法等。获取土壤热通量的方式并不唯一，但是热流板测量值通常偏小。
相关研究表明TDEC在表层土壤热通量计算中精度较高，因此，在本实施例优选采用TDEC法计算土壤热通量。
计算土壤热通量G的公式为：
Figure BDA0002721417500000051
Figure BDA0002721417500000052
其中，t表示时间，单位为s；z代表土壤深度，单位为米，向下为正；T是土壤温度，单位为K；ρscs表示土壤热容量，单位为J·kg-1·K-1；λs是土壤热传导系数，单位为W·K-1·m-1，G为土壤热通量，单位为W/m-2。
对方程(1)进行积分，得到
Figure BDA0002721417500000061
其中，G(zref)表示在任一参考位置(zref)的热通量。
公式(3)表明，计算土壤热通量需要已知的条件为：①在任一参考位置(zref)的土壤热通量G(zref)；②土壤热容量；③土壤温度廓线T(z)。
前两个条件均可由步骤S1获得的数据得到：①在参考位置zref的土壤热通量G(zref)可由热流板测量得到，也可取参考位置足够深，使得G(zref)相对于表层热通量可忽略，即假设G(zref)≈0。②土壤热容量ρscs＝(1-θsat)*2.1*106+θ*4.2*106，其中，θ是土壤含水量(即土壤湿度)，单位为m-3·m-3，θsat是土壤孔隙度，单位为m-3·m-3，θ和θsat均由土壤温湿度计测量得到。
但由于土壤的热传导系数比较难测定，因此假定土壤热传导系数λs为一常数(本实施例取值1W·K-1·m-1)，然后可由土壤的一维热传导方程求得土壤温度廓线。由于温度廓线与观测值有一定的偏差，于是采用热扩散方程和线性插值对温度廓线进行校正。
若给定温度廓线为T(zi)，则方程(3)表示为：
Figure BDA0002721417500000062
计算热通量的关键是如何从有限的温度观测资料插值得到合理的温度廓线，由热扩散方程(1)可得到温度廓线，接着利用方程(4)，即假设G(zref)≈0，从底部开始逐层积分，即得到各层的土壤热通量。
如图2所示，计算中采用了扩展网格，实心圆点为温度节点，埋设有土壤温湿计，z和H表示土壤深度，T表示该深度处的温度。网格间距Δzi由以下方程控制：
Figure BDA0002721417500000063
Δzi＝eξ(i-1)Δz1 (6)
其中，H为模拟总深度，ξ为用于控制网格之间的不均匀性，ξ越大，不均匀性越强，ξ＝0，网格为等间距网格，n是温度观测的总层数，i是观测层数，i＝1,2,…,n。为了计算简便，本实施例取ξ＝0，即等距划分网格，即Δz＝H/n。根据温度廓线利用方程(4)从土壤底部开始逐层积分，即得到各层的土壤热通量，表层土壤热通量为G0。
优选地，所述地表空气比湿通过以下方式获取：
(1)通过相对湿度测量仪器(例如，电子式湿度传感器、RHS-200高温湿度仪、Testo645等)直接测量得到相对湿度，通过气压计直接测量得到大气压；
(2)基于以下公式计算地表空气比湿
Figure BDA0002721417500000071
其中，qs表示地表空气比湿，RH表示相对湿度，Ts表示地表温度，P表示大气压，es(Ts)表示地表温度Ts的饱和蒸气压。
步骤S2.将目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿输入最大熵增蒸散模型，联立求解得到潜热通量、净辐射、显热通量。
优选地，所述最大熵增蒸散模型具体如下：
Figure BDA0002721417500000072
其中，G表示土壤热通量，LE表示潜热通量(W/m2)，Rn表示净辐射(W/m2)，H为显热通量(W/m2)，σ表示中间变量，B(σ)表示波文比的倒数，Is表示土壤热惯量，I0表示空气表观热惯性。
计算公式如下：
Figure BDA0002721417500000081
其中，λ表示水的相变潜热(J/kg)，Rv表示水汽体常数[461J/(kg·K)]，cp表示常压下的空气比热(103J/kg/K)，qs表示地表空气比湿(kg/kg)，Ts表示地表温度(K)。
步骤S3.基于单位换算，将潜热通量转化为目标区域的蒸散发。
优选地，所述基于单位换算，将潜热通量转化为目标区域的蒸散发，具体如下：
Figure BDA0002721417500000082
λ＝(2.501-0.00236*(Ts-273.15))×106
其中，ET表示蒸散发，单位为mm/day，LE表示潜热通量(W/m2)，λ表示水的相变潜热(J/kg)，Ts表示地表温度(K)。
对应地，本发明还提供了一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算系统，所述系统包括：
数据获取模块，用于通过仪器直接测量或者基于土壤温湿参数间接计算的方式，获取目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿；
土壤热通量计算模块，用于将目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿输入最大熵增蒸散模型，联立求解得到潜热通量；
蒸散发计算模块，用于基于单位换算，将潜热通量转化为目标区域的蒸散发。
如图3所示，本实施例中的测算系统包括：数据模块1、温度模块2、土壤热通量模块3、相对湿度模块4和基于最大熵增蒸散算法的蒸散发计算模块5。其中，数据模块1用于获取最大熵增蒸散算法的蒸散发计算计算所需的输入数据；温度模块2用于最大熵增蒸散算法的蒸散发计算计算所需的输入数据，计算所述地表温度；土壤热通量模块2用于最大熵增蒸散算法的蒸散发计算计算所需的输入数据，计算所述土壤热通量；相对湿度模块3用于最大熵增蒸散算法的蒸散发计算计算所需的输入数据，计算所述相对湿度；蒸散发计算模块5用于基于所述温度、所述土壤热通量和所述相对湿度，运用最大熵增蒸散算法计算蒸散发。具体的蒸散发计算方法可参见上述实施例，本发明实施例在此不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.通过仪器直接测量或者基于土壤温湿参数间接计算的方式，获取目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿；
S2.将目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿输入最大熵增蒸散模型，联立求解得到潜热通量；
S3.基于单位换算，将潜热通量转化为目标区域的蒸散发。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用热流板或者土壤热通量监测仪器直接测量土壤热通量，采用土壤温湿度计直接测量地表温度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于土壤温湿资料采用TDEC法计算目标区域地表面的土壤热通量。
4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述地表空气比湿通过以下方式获取：
(1)通过相对湿度测量仪器直接测量得到相对湿度，通过气压计直接测量得到大气压；
(2)基于以下公式计算地表空气比湿
Figure FDA0002721417490000011
其中，qs表示地表空气比湿，RH表示相对湿度，Ts表示地表温度，P表示大气压，es(Ts)表示地表温度Ts的饱和蒸气压。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述最大熵增蒸散模型的输入变量为土壤热通量、地表温度、比湿，输出变量为潜热通量、显热通量和净辐射；联立求解下述三元非线性方程组，具体如下：
Figure FDA0002721417490000021
其中，G表示土壤热通量，LE表示潜热通量，Rn表示净辐射，H为显热通量，σ表示中间变量，B(σ)表示波文比的倒数，Is表示土壤热惯量，I0表示空气表观热惯性，σ的计算公式如下：
Figure FDA0002721417490000022
其中，λ表示水的相变潜热，Rv表示水汽体常数，cp表示常压下的空气比热，qs表示地表空气比湿，Ts表示地表温度。
6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述基于单位换算，将潜热通量转化为目标区域的蒸散发，具体如下：
Figure FDA0002721417490000023
λ＝(2.501-0.00236*(Ts-273.15))×106
其中，ET表示蒸散发，单位为mm/day，LE表示潜热通量，λ表示水的相变潜热，Ts表示地表温度。
7.一种基于土壤热通量推求蒸散发量的测算系统，其特征在于，所述系统包括：
数据获取模块，用于通过仪器直接测量或者基于土壤温湿参数间接计算的方式，获取目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿；
土壤热通量计算模块，用于将目标区域地表面的土壤热通量、地表温度和地表空气比湿输入最大熵增蒸散模型，联立求解得到潜热通量；
蒸散发计算模块，用于基于单位换算，将潜热通量转化为目标区域的蒸散发。
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