第二講_水分、風_

1、中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富陸地表層系統(tǒng)野外實驗原理與方法陸地表層系統(tǒng)野外實驗原理與方法第二講第二講 環(huán)境要素環(huán)境要素 水分，風水分，風袁國富袁國富中科院地理科學與資源所中科院地理科學與資源所中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境要素及其觀測環(huán)境要素及其觀測水分水分p空氣中的氣態(tài)水（水汽）空氣中的氣態(tài)水（水汽）水汽濃度水汽濃度非飽和水汽非飽和水汽飽和水汽飽和水汽水汽濃

2、度的測量方法水汽濃度的測量方法p組織和環(huán)境中的液態(tài)水（非自由水）組織和環(huán)境中的液態(tài)水（非自由水）含水量含水量水勢水勢水勢的觀測水勢的觀測中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程TnRpV 其中：其中：p為壓強，為壓強，V為氣體體積，為氣體體積，R為普適氣體常數(shù)，為普適氣體常數(shù)，T為絕對溫度，為絕對溫度，n為氣體的摩爾數(shù)為氣體的摩爾數(shù) R8.31 J mol-1 K-1 n = m / M (m為氣體質(zhì)量，為氣體質(zhì)量，M為氣體摩爾質(zhì)量為

3、氣體摩爾質(zhì)量kg mol-1)混合理想氣體狀態(tài)方程混合理想氣體狀態(tài)方程Daltons Law of Partial Pressure(道爾頓分壓定律道爾頓分壓定律)T).().(2121RnnnVpppii混合氣體的壓強等于各組分的分壓強之和混合氣體的壓強等于各組分的分壓強之和中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽氣體濃度的表達氣體濃度的表達1、空氣中某種氣體的、空氣中某種氣體的密度密度(density or concentration)VMnjjjTRMpjjj

4、GasMolecular Mass (g/mol)Mole fraction in airDensity at STP (kg/m-3)Nitrogen28.010.781.250Oxygen32.000.211.429Carbon dioxide44.010.000341.977Water vapor18.020 to 0.070.804Air28.971.001.2922、摩爾密度摩爾密度(molar density)m/mol(6 .443jjjMVnT15.2733 .1016 .44p組分氣體與混合空組分氣體與混合空氣的摩爾密度相同氣的摩爾密度相同中國科學院地理科學與資源研究所中國生

5、態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽氣體濃度的表達氣體濃度的表達3、空氣中某種氣體的、空氣中某種氣體的摩爾比摩爾比(molar fraction)ajajajjVVppnnC例：已知大氣中例：已知大氣中CO2的濃度為的濃度為344ppm，求，求空氣溫度為空氣溫度為20時的時的CO2的摩爾比、分壓的摩爾比、分壓和密度和密度解：解：ppm: parts per million volumes of CO2 in 106 volumes of airmol/mol1044.34acaccvvnnC(1)

6、CO2的摩爾比的摩爾比:(2)CO2的分壓的分壓:Pa35kPa1011044. 34accaccPCPPPC(3)CO2的密度的密度:3g/m63. 0K293KJ/mol31. 8g/mol44Pa35TRMPccc中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽空氣中的水汽空氣中的水汽: 飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)1、飽和水汽壓、飽和水汽壓(saturation vapor pressure)空氣中水汽達到飽和狀態(tài)時的空氣中水汽達到飽和狀態(tài)時的水汽分壓水汽分壓飽和水汽壓的經(jīng)驗計

7、算公式飽和水汽壓的經(jīng)驗計算公式:cTbTaTesexp)(對于生物環(huán)境應用對于生物環(huán)境應用:a = 0.611kPa, b = 17.502, c = 240.97T為攝氏溫度為攝氏溫度()中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽空氣中的水汽空氣中的水汽: 飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)2、飽和水汽壓隨溫度變化的斜率、飽和水汽壓隨溫度變化的斜率2)()(TcTbces3、飽和水汽摩爾比、飽和水汽摩爾比 8200exp3 .101)(AppTeCaassA為海拔高度，為海拔高度，p

8、a的單位為的單位為kPa例：求海拔高度為例：求海拔高度為0的地表面空氣的地表面空氣溫度分別為溫度分別為0，10，20，30時的時的空氣飽和水汽壓和飽和摩爾比空氣飽和水汽壓和飽和摩爾比kPa611.0)0exp(kPa611.0)0(sekPa23. 197.2401010502.17expkPa611. 0)10(sekPa34. 297.2402020502.17expkPa611. 0)20(sekPa24. 497.2403030502.17expkPa611. 0)30(semmol/mol6mol/mol006. 0kPa101/kPa611. 0vCmmol/mol12mol/mo

9、l012. 0kPa101/kPa23. 1vCmmol/mol23mol/mol023. 0kPa101/kPa34. 2vCmmol/mol42mol/mol042. 0kPa101/kPa24. 4vC解解: :中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽空氣中的水汽空氣中的水汽: 未飽和狀態(tài)未飽和狀態(tài)1、相對濕度、相對濕度(relative humidity, hr or RH)2、飽和差、飽和差(vapor pressure deficit, D or VPD

10、)實際水汽壓實際水汽壓(ambient vapor pressure)與同一溫度下的飽和水汽壓之比與同一溫度下的飽和水汽壓之比)(Teehsar)1)()(rsashTeeTeD3、露點溫度、露點溫度(dew point temperature, Td)一團空氣在水汽含量不變的情況下，定壓冷卻到飽和時的溫度一團空氣在水汽含量不變的情況下，定壓冷卻到飽和時的溫度)ln()ln()(aebaecTeTeaadads中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽空氣中的水汽空氣

11、中的水汽: 未飽和狀態(tài)未飽和狀態(tài)4、濕空氣密度、濕空氣密度(a)5、絕對濕度、絕對濕度(absolute humidity or vapor density, v)Ma干空氣分子量干空氣分子量(28.97),Mw水分子量水分子量(18.02)T378. 0T)(TaaaaaawaavaePRMRMePRMeVmmTRMeVmwavv單位空氣體積中的水汽質(zhì)量單位空氣體積中的水汽質(zhì)量中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽空氣中的水汽空氣中的水汽: 未飽和狀態(tài)未飽和狀態(tài)

12、6、混合比、混合比(mixing ratio, r)7、比濕、比濕(specific humidity, q)某一濕空氣樣本中所含的水汽質(zhì)量與干空氣質(zhì)量之比某一濕空氣樣本中所含的水汽質(zhì)量與干空氣質(zhì)量之比aaaaaawaavepeMepMemmr622. 0)(622. 097.2802.18378. 0622. 0awaaaaavavMMPeepemmmq在某一空氣樣本中，水汽的質(zhì)量與該樣本的總質(zhì)量之比在某一空氣樣本中，水汽的質(zhì)量與該樣本的總質(zhì)量之比qav中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富

13、袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽空氣中的水汽空氣中的水汽: 未飽和狀態(tài)未飽和狀態(tài)例：在一個寒冷的霧天，室外溫度為例：在一個寒冷的霧天，室外溫度為-20，室內(nèi)溫度為，室內(nèi)溫度為22，試比較，試比較室內(nèi)外空氣濕度的差異。室內(nèi)外空氣濕度的差異。解：室外有霧，可以認為室外水汽壓為飽和狀態(tài)解：室外有霧，可以認為室外水汽壓為飽和狀態(tài)(1)求室外水汽壓求室外水汽壓kPa125. 02097.240)20(50.17exp611. 0)20(see外(2)求室內(nèi)飽和水汽壓求室內(nèi)飽和水汽壓kPa64. 22297.2402250.17exp611. 0)22(內(nèi)se(3)求室內(nèi)相對濕度求室內(nèi)相對濕度%505.06

14、4.2125.0rh中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽空氣濕度的觀測空氣濕度的觀測: 實際水汽壓實際水汽壓濕球溫度濕球溫度(wet bulb temperature, Tw)： 空氣溫度僅僅由于水的蒸發(fā)導致下降，當水蒸發(fā)耗熱和空氣放熱達到平空氣溫度僅僅由于水的蒸發(fā)導致下降，當水蒸發(fā)耗熱和空氣放熱達到平衡狀態(tài)時的空氣溫度即為濕球溫度衡狀態(tài)時的空氣溫度即為濕球溫度空氣的空氣的定壓比熱定壓比熱(specific heat, cp)， 指指1mol空氣溫度升高空氣溫度

15、升高1度所需要的熱量，為度所需要的熱量，為29.3 J mol-1 K-1,汽化潛熱汽化潛熱(latent heat of vaporization of water, ), 指指1mol水由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)所需要的能量，為水由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)所需要的能量，為44 kJ mol-1中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽空氣濕度的觀測空氣濕度的觀測: 實際水汽壓實際水汽壓aawsvawswappeTeCTCTTc)()()()()(waawsaTTpTee)(1067.

16、 64-10Cpc濕球溫度計的能量守恒：濕球溫度計的能量守恒：中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽空氣濕度的觀測空氣濕度的觀測: 相對濕度相對濕度毛發(fā)濕度計毛發(fā)濕度計 毛發(fā)的長度隨空氣相對濕度的變化而變化毛發(fā)的長度隨空氣相對濕度的變化而變化高分子薄膜濕敏電容高分子薄膜濕敏電容 位于桿頭部，這種具有感濕特性的位于桿頭部，這種具有感濕特性的電介質(zhì)其介電常數(shù)隨相對濕度而變化電介質(zhì)其介電常數(shù)隨相對濕度而變化 中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地

17、理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽空氣濕度的觀測空氣濕度的觀測: 絕對濕度絕對濕度利用空氣中的水汽對某個波段光譜的吸收能力，用一個光譜發(fā)利用空氣中的水汽對某個波段光譜的吸收能力，用一個光譜發(fā)射器和一個光譜接收器，分析光譜吸收特征，獲取空氣的絕對射器和一個光譜接收器，分析光譜吸收特征，獲取空氣的絕對濕度濕度vII0ln（1 1）紫外氣體分析儀）紫外氣體分析儀（2 2）紅外氣體分析儀）紅外氣體分析儀中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分

18、中心 袁國富袁國富空氣中的水汽空氣中的水汽例題例題例：一個干濕表測得的干球溫度為例：一個干濕表測得的干球溫度為30，濕球溫度為，濕球溫度為19，求空氣的實際，求空氣的實際水汽壓、相對濕度、露點溫度和飽和差。假定數(shù)據(jù)在海平面高度觀測獲得水汽壓、相對濕度、露點溫度和飽和差。假定數(shù)據(jù)在海平面高度觀測獲得解解: (1)求濕球溫度下的飽和水汽壓求濕球溫度下的飽和水汽壓kPa20. 2)19()(swseTe(2)求實際水汽壓求實際水汽壓1.46kPaC)19-C30(C1067. 6kPa101kPa20. 2)()(oo1 -o4waawsaTTPTee(3)求空氣溫度下的飽和水汽壓求空氣溫度下的飽和

19、水汽壓kPa24. 4)30()(saseTe(4)求相對濕度求相對濕度345.0kPa24.4kPa46.1)(asarTeeh(5)求飽和差求飽和差kPa78. 2)(aaseTeD(6)求露點溫度求露點溫度C62.12611.046.1ln502.17611.046.1ln97.240odT中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)描述水分狀態(tài)的物理量描述水分狀態(tài)的物理量1、水分含量、水分含量(water content)單位

20、體積或單位質(zhì)量的組織中所含有的水量，又稱為單位體積或單位質(zhì)量的組織中所含有的水量，又稱為含水率含水率土壤孔隙及其水存在的形式土壤孔隙及其水存在的形式土壤孔隙土壤孔隙附著在土壤附著在土壤顆粒上的水顆粒上的水中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)描述水分狀態(tài)的物理量描述水分狀態(tài)的物理量1、水分含量、水分含量(water content)體積含水量體積含水量(volumetric water content, )twVV質(zhì)量含水量質(zhì)量

21、含水量(mass water content, w)dwmmw wb容重容重tdbVm容重容重(soil bulk density, b)單位體積土壤干物質(zhì)的質(zhì)量單位體積土壤干物質(zhì)的質(zhì)量單位：單位：cm3/cm3單位：單位：g/g中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)描述水分狀態(tài)的物理量描述水分狀態(tài)的物理量2、水勢、水勢(water potential, )指組織中水分所具有的勢能，表示在組織和其含有的水的平衡系統(tǒng)中，指組織中水

22、分所具有的勢能，表示在組織和其含有的水的平衡系統(tǒng)中，恒溫條件下將單位數(shù)量的水移動到恒溫條件下將單位數(shù)量的水移動到標準參照狀態(tài)標準參照狀態(tài)的純自由水體所需要的的純自由水體所需要的能量能量標準參照狀態(tài)標準參照狀態(tài)(standard reference state)：一定高度處、某一特定溫度下，承受標準大氣壓（或當?shù)卮笠欢ǜ叨忍?、某一特定溫度下，承受標準大氣壓（或當?shù)卮髿鈮海┑募冏杂伤ú缓苜|(zhì)、不受固相介質(zhì)作用）氣壓）的純自由水（不含溶質(zhì)、不受固相介質(zhì)作用）中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁

23、國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)描述水分狀態(tài)的物理量描述水分狀態(tài)的物理量2、水勢、水勢(water potential, )指組織中水分所具有的勢能，表示在組織和其含有的水的平衡系統(tǒng)中，指組織中水分所具有的勢能，表示在組織和其含有的水的平衡系統(tǒng)中，恒溫條件下將恒溫條件下將單位數(shù)量單位數(shù)量的水移動到標準參照狀態(tài)的純自由水體所需要的的水移動到標準參照狀態(tài)的純自由水體所需要的能量能量水勢的單位水勢的單位(1)單位質(zhì)量的水勢單位質(zhì)量的水勢: J/kg. 為水勢的標準單位，又稱比水勢為水勢的標準單位，又稱比水勢(2)單位容積的水勢單位容積的水勢: J/m3.(3)單位重量

24、的水勢單位重量的水勢: J/N中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)描述水分狀態(tài)的物理量描述水分狀態(tài)的物理量2、水勢、水勢(water potential, )水勢的單位水勢的單位Pa1mN1mmN1mJ1233容積水勢容積水勢: :重量水勢重量水勢: :m1NmN1NJ1容積水勢單位是壓強。重量水勢單位為長度，及米高水柱容積水勢單位是壓強。重量水勢單位為長度，及米高水柱(mH2O)在土壤水勢的表述中，重量水勢單位是最常用到的單

25、位在土壤水勢的表述中，重量水勢單位是最常用到的單位在植物水勢的表述中，容積水勢單位是最常用到的單位在植物水勢的表述中，容積水勢單位是最常用到的單位中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)描述水分狀態(tài)的物理量描述水分狀態(tài)的物理量2、水勢、水勢(water potential, )水勢單位的相互換算水勢單位的相互換算kPa1mkg1000mkgPamkgPamkgmJkgJ333331J/kg = 1kPa = 0.001MPa1個單

26、位質(zhì)量水勢等于個單位質(zhì)量水勢等于1kPa壓強壓強1Pa = 0.0102 (cm)H2O1J/kg = 1kPa = 10.2cm中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)水勢分類水勢分類1、重力勢、重力勢(gravitational potential, g)opmg總水勢，總水勢，g重力勢，重力勢，m基質(zhì)勢，基質(zhì)勢，p壓力勢，壓力勢，o溶質(zhì)勢溶質(zhì)勢將單位數(shù)量的組織水從某一點移動到標準參照狀態(tài)高度處，而其將單位數(shù)量的組織水從某一點

27、移動到標準參照狀態(tài)高度處，而其他各項維持不變時，對組織水所做的功即為該點組織水的重力勢他各項維持不變時，對組織水所做的功即為該點組織水的重力勢hghghgwgg其中：其中：g為重力加速度為重力加速度(9.8 m s-2)，h為組織水所在位置與為組織水所在位置與參考高度位置的垂直距離，參考高度位置的垂直距離，在參考高度以上為正，以下在參考高度以上為正，以下為負值為負值質(zhì)量水勢質(zhì)量水勢容積水勢容積水勢重量水勢重量水勢中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)

28、水(非自由水非自由水)水勢分類水勢分類2、基質(zhì)勢、基質(zhì)勢(matric potential, m)又稱基膜勢，系組織基質(zhì)對水分的吸持作用引起，水和組織骨架又稱基膜勢，系組織基質(zhì)對水分的吸持作用引起，水和組織骨架之間的之間的毛管力毛管力和和吸附力吸附力將組織水束縛在組織中，為了克服這種吸將組織水束縛在組織中，為了克服這種吸持作用，將組織水移動到標準參照狀態(tài)，必須對組織水所做的功持作用，將組織水移動到標準參照狀態(tài)，必須對組織水所做的功稱為組織水的基質(zhì)勢稱為組織水的基質(zhì)勢bma土壤水分特征曲線土壤水分特征曲線: 水分基質(zhì)水分基質(zhì)勢與水分含量之間的經(jīng)驗關(guān)系勢與水分含量之間的經(jīng)驗關(guān)系土壤基質(zhì)勢的大小與土

29、壤質(zhì)地、含水量土壤基質(zhì)勢的大小與土壤質(zhì)地、含水量和溫度有關(guān)。受土壤結(jié)構(gòu)的復雜性和空和溫度有關(guān)。受土壤結(jié)構(gòu)的復雜性和空間組成的異質(zhì)性，理論上還不能給出不間組成的異質(zhì)性，理論上還不能給出不同土壤基質(zhì)勢的精確定量關(guān)系，只能通同土壤基質(zhì)勢的精確定量關(guān)系，只能通過實際情況測定每種土壤的基質(zhì)勢并用過實際情況測定每種土壤的基質(zhì)勢并用經(jīng)驗關(guān)系表達經(jīng)驗關(guān)系表達中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)水勢分類水勢分類3、壓力勢、壓力勢(pressur

30、e potential, p)由壓力場中的壓力差引起，常將標準參照狀態(tài)下的壓力定義為標由壓力場中的壓力差引起，常將標準參照狀態(tài)下的壓力定義為標準大氣壓或當?shù)卮髿鈮?，相對于大氣壓力所存在的勢能差為壓力準大氣壓或當?shù)卮髿鈮?，相對于大氣壓力所存在的勢能差為壓力勢。如血壓、細胞?nèi)的膨壓等勢。如血壓、細胞內(nèi)的膨壓等wppPPP為壓力為壓力(Pa)，w為水的密度。壓力勢通常為正值為水的密度。壓力勢通常為正值以壓強表示的壓力勢以壓強表示的壓力勢(Pa)以質(zhì)量水勢表示的壓力勢以質(zhì)量水勢表示的壓力勢(J/kg)中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(

31、CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)水勢分類水勢分類3、溶質(zhì)勢、溶質(zhì)勢(osmotic potential, o)系由于可溶性物質(zhì)（如鹽類）溶解于水中，降低了溶液的勢能所系由于可溶性物質(zhì)（如鹽類）溶解于水中，降低了溶液的勢能所導致，由于溶質(zhì)對水分子具有吸引力，將水分移動到標準參照狀導致，由于溶質(zhì)對水分子具有吸引力，將水分移動到標準參照狀態(tài)（純自由水）時，必須對水做功，這種溶液與純自由水之間存態(tài)（純自由水）時，必須對水做功，這種溶液與純自由水之間存在的勢能差即稱為溶質(zhì)勢在的勢能差即稱為溶質(zhì)勢TRCoC是溶液濃度是溶液濃度(mol

32、 kg-1)，為溶質(zhì)系數(shù)為溶質(zhì)系數(shù)(對理想溶液為對理想溶液為1)，是每是每mol的離子數(shù)的離子數(shù)(NaCl為為2，CaCl2為為3，蔗糖為，蔗糖為1)，R為氣體常數(shù)，為氣體常數(shù)，T為絕對為絕對溫度。溫度。范霍夫范霍夫 (J H vant Hoff)方程方程中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)水勢分類水勢分類土壤水勢一般由基質(zhì)勢和重力勢組成土壤水勢一般由基質(zhì)勢和重力勢組成mg植物水勢一般由溶質(zhì)勢和壓力勢組成植物水勢一般由溶質(zhì)勢和

33、壓力勢組成op中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)例題例題例：假定參考表面為例：假定參考表面為2m深的地下水位處，求土壤表面的土壤水分的深的地下水位處，求土壤表面的土壤水分的重力水勢。重力水勢。J/kg6.19/sm6.19m2m/s8.9222 ghg解：解：中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)

34、境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)例題例題例：如果植物溶液的溶質(zhì)勢相當于濃度為例：如果植物溶液的溶質(zhì)勢相當于濃度為0.3 mol kg-1的的NaCl溶液的溶液的溶質(zhì)勢，植物組織的總水勢為溶質(zhì)勢，植物組織的總水勢為-700J kg-1,求組織的膨壓為多少個標準求組織的膨壓為多少個標準大氣壓。大氣壓。解解: (1)求植物的溶質(zhì)勢求植物的溶質(zhì)勢TRCoK29327320KJ/mol31.82(1mol/kg3 .0TRC理想溶液）-1461J/kgK293KmolJ31.821kgmol3 .0o(2)求植物的膨壓求植物的膨壓761kPa761J/kg1461J/kg700J/kgop(3)求

35、植物的膨壓相當于多求植物的膨壓相當于多少大氣壓少大氣壓個標準大氣壓5 . 7101.3kPa761kPap中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富組織液態(tài)水組織液態(tài)水 與空氣接觸面的空氣濕度與空氣接觸面的空氣濕度pdVpdVdQdU體積的變化可以對理想氣體狀態(tài)方程微分獲得：體積的變化可以對理想氣體狀態(tài)方程微分獲得：dppnRdV2T內(nèi)能的變化可以表述為：內(nèi)能的變化可以表述為：dppnRdUT 由于組織液態(tài)水受水勢的限制，而降低了蒸發(fā)強度，因此接觸面的空氣由于組織液態(tài)水受水勢的限制，而降低了

36、蒸發(fā)強度，因此接觸面的空氣濕度顯然跟水勢有關(guān)系，而不似自由水體水面上的水汽濃度可以認為是飽濕度顯然跟水勢有關(guān)系，而不似自由水體水面上的水汽濃度可以認為是飽和的和的(hr=1) 系統(tǒng)內(nèi)能的變化等于進入系統(tǒng)的能量減去系統(tǒng)能量的損失，對于液態(tài)水系統(tǒng)內(nèi)能的變化等于進入系統(tǒng)的能量減去系統(tǒng)能量的損失，對于液態(tài)水表面的蒸發(fā)，假定為絕熱系統(tǒng)，能量的損失則是蒸發(fā)導致體積增大所需要表面的蒸發(fā)，假定為絕熱系統(tǒng)，能量的損失則是蒸發(fā)導致體積增大所需要的功，則系統(tǒng)內(nèi)能的變化為：的功，則系統(tǒng)內(nèi)能的變化為：環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院

37、地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富rseehnReenRpdpnRUslnTlnTT考慮水勢考慮水勢能量能量/質(zhì)量質(zhì)量=U/nMw ,則有：則有：rwhMRlnTTexpRMhwr由飽和狀態(tài)由飽和狀態(tài)(p=es)到非飽和狀態(tài)到非飽和狀態(tài)(p=e)變化的內(nèi)能為：變化的內(nèi)能為：環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)組織液態(tài)水組織液態(tài)水 與空氣接觸面的空氣濕度與空氣接觸面的空氣濕度中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富T

38、expRMhwrOrganism or locationWater potential (J/kg)HumidityBlood-7000.995Leaf, night-1000.999Leaf, day; stressed-20000.985Xerophytic leaf-80000.942Xerophytic fungi-580000.65Soil, field capacity-300.9998Soil, permanent wilt-15000.989Soil, air dry-1000000.48Saturated NaCl-380000.755例：求典型組織液態(tài)水表面空氣相對濕度，假

39、定組織溫例：求典型組織液態(tài)水表面空氣相對濕度，假定組織溫度為度為20環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)組織液態(tài)水組織液態(tài)水 與空氣接觸面的空氣濕度與空氣接觸面的空氣濕度135000exp293)/(31. 8/018. 0expTexpKKmolJkgJmolkgRMhwr中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富例：在炎熱干燥的天氣，人體皮膚汗液能迅速蒸發(fā)，并有鹽分留在皮膚表例：在炎熱干燥的天氣，人體皮膚汗液能迅速蒸發(fā)，并有鹽分留在皮膚表面，盡管汗液中的鹽分含量不

40、高，但在持續(xù)的蒸發(fā)之后，皮膚表面汗液鹽面，盡管汗液中的鹽分含量不高，但在持續(xù)的蒸發(fā)之后，皮膚表面汗液鹽分濃度會達到飽和。試比較洗澡后皮膚蒸發(fā)表面分濃度會達到飽和。試比較洗澡后皮膚蒸發(fā)表面(鹽分濃度可以忽略不計鹽分濃度可以忽略不計)的的水汽濃度與經(jīng)過一天繁重體力勞動后皮膚表面水汽濃度與經(jīng)過一天繁重體力勞動后皮膚表面(被鹽分覆蓋被鹽分覆蓋)水汽濃度大小。水汽濃度大小。皮膚表面溫度設為皮膚表面溫度設為36。如果空氣水汽濃度為。如果空氣水汽濃度為20mmol/mol，試比較兩種狀，試比較兩種狀態(tài)下皮膚表面濕度與空氣濕度之差。態(tài)下皮膚表面濕度與空氣濕度之差。環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自

41、由水非自由水)組織液態(tài)水組織液態(tài)水 與空氣接觸面的空氣濕度與空氣接觸面的空氣濕度解解: (1)求皮膚表面飽和水汽壓求皮膚表面飽和水汽壓kPa9 . 5)36()(sskinseTe(2)洗澡后皮膚表面水汽摩爾比洗澡后皮膚表面水汽摩爾比mmol/mol59kPa101/kPa9 . 5bathC(3)流汗后皮膚表面水汽濕度流汗后皮膚表面水汽濕度75. 0135000exprhkPaehesrsalt4 . 49 . 575. 0mmol/mol44saltCmolmmolDbath/392059molmmolDsalt/242044中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理

42、科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)植物水勢的測量方法植物水勢的測量方法1. 壓力室法壓力室法將待測的葉片或枝條倒置于壓力將待測的葉片或枝條倒置于壓力室內(nèi)，用橡皮或塑料塞夾緊葉柄室內(nèi)，用橡皮或塑料塞夾緊葉柄或莖。當向壓力室加壓至與其水或莖。當向壓力室加壓至與其水勢相抵并略為超過時，水即自導勢相抵并略為超過時，水即自導管中流出，形成水珠。此時所施管中流出，形成水珠。此時所施加的壓力即為葉片或枝條的水勢加的壓力即為葉片或枝條的水勢樣品夾樣品夾壓力室壓力室壓力讀表壓力讀表壓力調(diào)節(jié)閥壓力調(diào)節(jié)閥高壓

43、連接軟管高壓連接軟管樣品夾附件樣品夾附件中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)植物水勢的測量方法植物水勢的測量方法2. 小液流法小液流法將植物組織分別放在一系列濃度遞增的溶液中，當找到某將植物組織分別放在一系列濃度遞增的溶液中，當找到某一濃度的溶液與植物組織之間水分保持動態(tài)平衡時，則可一濃度的溶液與植物組織之間水分保持動態(tài)平衡時，則可認為此植物組織的水勢等于該溶液的水勢。因溶液的濃度認為此植物組織的水勢等于該溶液的水勢。因溶液的

44、濃度是已知的，可以根據(jù)公式算出其滲透壓是已知的，可以根據(jù)公式算出其滲透壓實驗步驟實驗步驟（一）取干燥潔凈的青霉素瓶（一）取干燥潔凈的青霉素瓶6個為甲組，各瓶中分別加入個為甲組，各瓶中分別加入0.050.30mol/L蔗糖溶液約蔗糖溶液約4ml（約為青（約為青霉素瓶的霉素瓶的23處），另取處），另取6個干燥潔凈的青霉素瓶為乙組，各瓶中分別加入個干燥潔凈的青霉素瓶為乙組，各瓶中分別加入0.050.30mol/L蔗糖溶液蔗糖溶液1ml和微量甲烯藍粉末著色，上述各瓶加標簽注明濃度。和微量甲烯藍粉末著色，上述各瓶加標簽注明濃度。（二）取待測樣品的功能葉數(shù)片，用打孔器打取小圓片約（二）取待測樣品的功能葉數(shù)

45、片，用打孔器打取小圓片約50片，放至培養(yǎng)皿中，混合均勻。用鑷子分片，放至培養(yǎng)皿中，混合均勻。用鑷子分別夾入別夾入58個小圓片到盛有不同濃度的甲烯藍蔗糖溶液的青霉素瓶中（乙組）。蓋上瓶塞，并使葉圓個小圓片到盛有不同濃度的甲烯藍蔗糖溶液的青霉素瓶中（乙組）。蓋上瓶塞，并使葉圓片全部浸沒于溶液中。放置約片全部浸沒于溶液中。放置約3060min，為加速水分平衡，應經(jīng)常搖動小瓶。，為加速水分平衡，應經(jīng)常搖動小瓶。（三）經(jīng)一定時間后，用注射針頭吸取乙組各瓶藍色糖液少許，將針頭插入對應濃度甲組青霉素瓶溶（三）經(jīng)一定時間后，用注射針頭吸取乙組各瓶藍色糖液少許，將針頭插入對應濃度甲組青霉素瓶溶液中部，小心地放出

46、少量液流，觀察藍色液流的升降動向。（每次測定均要用待測濃度的甲烯藍蔗糖液中部，小心地放出少量液流，觀察藍色液流的升降動向。（每次測定均要用待測濃度的甲烯藍蔗糖溶液清洗幾次注射針頭）。如此方法檢查各瓶中液流的升降動向。若液流上升，說明浸過小圓片的蔗溶液清洗幾次注射針頭）。如此方法檢查各瓶中液流的升降動向。若液流上升，說明浸過小圓片的蔗糖溶液濃度變?。粗参锝M織失水）；表明葉片組織的水勢高于該濃度糖溶液的滲透勢；如果藍色液糖溶液濃度變小（即植物組織失水）；表明葉片組織的水勢高于該濃度糖溶液的滲透勢；如果藍色液流下降則說明葉片組織的水勢低于該溶液的滲透勢，若藍色液流靜止不動，則說明葉片組織的水勢等流

47、下降則說明葉片組織的水勢低于該溶液的滲透勢，若藍色液流靜止不動，則說明葉片組織的水勢等于該糖溶液的滲透勢，此糖溶液的濃度即為葉片組織的等滲濃度于該糖溶液的滲透勢，此糖溶液的濃度即為葉片組織的等滲濃度中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)境和組織中的液態(tài)水環(huán)境和組織中的液態(tài)水(非自由水非自由水)植物水勢的測量方法植物水勢的測量方法3. 露點濕度計法露點濕度計法將葉片或組織汁液密閉在體積很小的樣品室內(nèi)，經(jīng)一定時間后，將葉片或組織汁液密閉在體積很小的樣品室內(nèi)，經(jīng)一定時間后，樣品室內(nèi)的空氣和植

48、物樣品將達到溫度和水勢的平衡狀態(tài)。此樣品室內(nèi)的空氣和植物樣品將達到溫度和水勢的平衡狀態(tài)。此時，氣體的水勢（以蒸氣壓表示）與葉片的水勢（或組織汁液時，氣體的水勢（以蒸氣壓表示）與葉片的水勢（或組織汁液的滲透勢）相等。因此，只要測出樣品室內(nèi)空氣的蒸氣壓，便的滲透勢）相等。因此，只要測出樣品室內(nèi)空氣的蒸氣壓，便可得知植物組織的水勢（或汁液的滲透勢）?？傻弥参锝M織的水勢（或汁液的滲透勢）。由于空氣的蒸氣壓與其露點溫度具有嚴格的定量關(guān)系，本儀器由于空氣的蒸氣壓與其露點溫度具有嚴格的定量關(guān)系，本儀器便通過測定樣品室內(nèi)空氣的露點溫度而得知其蒸氣壓。該儀器便通過測定樣品室內(nèi)空氣的露點溫度而得知其蒸氣壓。該儀

49、器裝有高分辨能力的熱電偶，熱電偶的一個結(jié)點便安裝在樣品室裝有高分辨能力的熱電偶，熱電偶的一個結(jié)點便安裝在樣品室的上部。測量時，首先給熱電偶施加反向電流，使樣品室內(nèi)的的上部。測量時，首先給熱電偶施加反向電流，使樣品室內(nèi)的熱電偶結(jié)點降溫（熱電偶結(jié)點降溫（Peltier效應），當結(jié)點溫度降至露點溫度以效應），當結(jié)點溫度降至露點溫度以下時，將有少量液態(tài)水凝結(jié)在結(jié)點表面，此時切斷反向電流，下時，將有少量液態(tài)水凝結(jié)在結(jié)點表面，此時切斷反向電流，并根據(jù)熱電偶的輸出電位記錄結(jié)點溫度變化。開始時，結(jié)點溫并根據(jù)熱電偶的輸出電位記錄結(jié)點溫度變化。開始時，結(jié)點溫度因熱交換平衡而很快上升；隨后，則因表面水分蒸發(fā)帶走熱度

50、因熱交換平衡而很快上升；隨后，則因表面水分蒸發(fā)帶走熱量，而使其溫度保持在露點溫度，呈現(xiàn)短時間的穩(wěn)衡狀態(tài)；待量，而使其溫度保持在露點溫度，呈現(xiàn)短時間的穩(wěn)衡狀態(tài)；待結(jié)點表面水分蒸發(fā)完畢后，其溫度將再次上升，直至恢復原來結(jié)點表面水分蒸發(fā)完畢后，其溫度將再次上升，直至恢復原來的溫度平衡。記錄下穩(wěn)衡狀態(tài)的溫度，便可將其換算成待測樣的溫度平衡。記錄下穩(wěn)衡狀態(tài)的溫度，便可將其換算成待測樣品的水勢或滲透勢品的水勢或滲透勢Psypro露點水勢測量系統(tǒng)露點水勢測量系統(tǒng)中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富環(huán)

51、境要素環(huán)境要素風風 風風 邊界層與近地面層邊界層與近地面層 風廓形方程風廓形方程 動量通量動量通量中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富邊界層與近地層邊界層與近地層大氣邊界層大氣邊界層大氣邊界層近地面層上部摩擦層層流副層0-10mm0.1km1-1.5km地球大氣中直接受到地球表面影地球大氣中直接受到地球表面影響的一層大氣響的一層大氣, ,或者說，是緊貼地或者說，是緊貼地面，受地面的切變應力（摩擦力）面，受地面的切變應力（摩擦力）影響的一層大氣。它在對流層的影響的一層大氣。它在對流層的下

52、部，與地面直接接觸。根據(jù)作下部，與地面直接接觸。根據(jù)作用力情況可以分為：層流副層，用力情況可以分為：層流副層，近地面層，上部摩擦層近地面層，上部摩擦層中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富邊界層與近地層邊界層與近地層大氣邊界層大氣邊界層大氣邊界層大氣邊界層(Planetary Boundary Layer, PBL)層流副層層流副層緊貼地表厚度小于緊貼地表厚度小于1cm的薄層空氣，的薄層空氣，分子粘滯力分子粘滯力為主要作用力，為主要作用力，湍流摩擦力可以忽略，沒有垂直渦動速度，但垂直方向

53、上的速度湍流摩擦力可以忽略，沒有垂直渦動速度，但垂直方向上的速度梯度很大梯度很大近地面層近地面層(近地層近地層, surface layer)該層地轉(zhuǎn)偏向力可以忽略，氣壓梯度力被看成是不變的原動力，該層地轉(zhuǎn)偏向力可以忽略，氣壓梯度力被看成是不變的原動力，湍流摩擦力湍流摩擦力是最主要的作用力，且可認為在某一時刻在近地層是最主要的作用力，且可認為在某一時刻在近地層中為常數(shù)，不隨高度而變中為常數(shù)，不隨高度而變上部摩擦層上部摩擦層此層的空氣受重力、地轉(zhuǎn)偏向力、氣壓梯度力和湍流摩擦力的此層的空氣受重力、地轉(zhuǎn)偏向力、氣壓梯度力和湍流摩擦力的共同作用，它們具有同等重要的貢獻，不能忽略共同作用，它們具有同等重

54、要的貢獻，不能忽略中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富邊界層與近地層邊界層與近地層近地面層近地面層1. 近地面層的特點近地面層的特點 在近地面層，可以近似認為動量、熱量、水汽以及其他物理屬在近地面層，可以近似認為動量、熱量、水汽以及其他物理屬性在垂直方向上的性在垂直方向上的“輸送量輸送量”不隨高度而變化不隨高度而變化 在近地面層，氣壓隨高度的變化可忽略不計在近地面層，氣壓隨高度的變化可忽略不計 實際氣溫梯度與位溫梯度可認為基本相等實際氣溫梯度與位溫梯度可認為基本相等 氣象要素的垂直梯度

55、遠比水平梯度大氣象要素的垂直梯度遠比水平梯度大 氣象要素具有明顯的日變化氣象要素具有明顯的日變化中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富邊界層與近地層邊界層與近地層近地面層近地面層2.近地層空氣運動近地層空氣運動湍流湍流(turbulence)是毫無規(guī)律的流體運動，是毫無規(guī)律的流體運動，可以理解為流體的速度、可以理解為流體的速度、物理屬性等在時間和空物理屬性等在時間和空間上的無規(guī)律的漲落現(xiàn)間上的無規(guī)律的漲落現(xiàn)象。象。中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源

56、研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富邊界層與近地層邊界層與近地層通量與通量密度通量與通量密度1. 通量通量(flux)指物質(zhì)或能量在特定方向上運動時從一個位置向另一個位置或指物質(zhì)或能量在特定方向上運動時從一個位置向另一個位置或穿過某一平面時單位時間的傳輸量。穿過某一平面時單位時間的傳輸量。2. 通量密度通量密度(flux density)：指通過單位面積的通量指通過單位面積的通量( (單位時間單位面積傳輸?shù)奈镔|(zhì)和能量單位時間單位面積傳輸?shù)奈镔|(zhì)和能量) )。地表大氣間的通量傳輸通常是指垂直方向的傳輸，流動是一維的，地表大氣間的通量傳輸通常是指垂直方向的傳輸，流

57、動是一維的，是一個標量。在近地面層，通量密度通常認為不隨高度發(fā)生變化，沿是一個標量。在近地面層，通量密度通常認為不隨高度發(fā)生變化，沿一維方向上的通量是常量，即所謂常通量假定一維方向上的通量是常量，即所謂常通量假定3. 近地層的常通量假定近地層的常通量假定中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富風廓線與風廓形方程風廓線與風廓形方程近地層風速廓線的形成近地層風速廓線的形成中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水

58、分分中心 袁國富袁國富近地層風速廓線方程近地層風速廓線方程開闊平坦表面開闊平坦表面上上僅由地面摩擦導僅由地面摩擦導致致的風速在垂直方向變化曲線為的風速在垂直方向變化曲線為一對數(shù)曲線。對數(shù)廓線可以描述一對數(shù)曲線。對數(shù)廓線可以描述為：為：)ln()(0zzAzuBzAzuln)(A,B是一個與高度無關(guān)的常數(shù)。是一個與高度無關(guān)的常數(shù)。其中其中B等于等于-Alnz0z0稱為稱為表面粗糙表面粗糙(長長)度度(roughness length)，是表面理論風速為是表面理論風速為0的平面，這個平面的的平面，這個平面的高度反映了表面的空氣動力學粗糙度，故高度反映了表面的空氣動力學粗糙度，故得名。得名。風速梯度

59、可表述為：風速梯度可表述為：zAzu風廓線與風廓形方程風廓線與風廓形方程中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富近地層風速廓線方程近地層風速廓線方程推廣到植被表面：推廣到植被表面：風速梯度可表述為：風速梯度可表述為：0ln)(zdzAzud為為零平面位移零平面位移(zero plane displacement)：是由于植物群：是由于植物群落的高度導致的對空氣湍流交落的高度導致的對空氣湍流交換產(chǎn)生平面的抬升，在平面以換產(chǎn)生平面的抬升，在平面以下沒有湍流運動。這一平面相下沒有湍流運動。這一平面相當于平坦開闊平面上的氣流零當于平坦開闊平面上的氣流零平面，故稱為零平面位移平面，故稱為零平面位移dzAzu風廓線與風廓形方程風廓線與風廓形方程中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡中國科學院地理科學與資源研究所中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)水分分中心水分分中心 袁國富袁國富動量通量動量通量動量通量與摩擦速度動量通量與摩擦速度水平空氣運動引起的平坦地面單位面