地表能量平衡

1、第四章第四章 地表能量平衡與地表能量平衡與土壤水分土壤水分遙感遙感（一）（一） 地表能量平衡地表能量平衡遙感研究遙感研究 1、地表凈輻射（、地表凈輻射（Rn） 2、土壤熱通量（、土壤熱通量（G） 3、感熱通量（、感熱通量（H） 4、潛熱通量（即蒸散、潛熱通量（即蒸散 LE） 5、應(yīng)用、應(yīng)用 區(qū)域蒸發(fā)量估算區(qū)域蒸發(fā)量估算 城市城市-郊區(qū)表面能量平衡估算郊區(qū)表面能量平衡估算（二）（二） 土壤水分遙感研究土壤水分遙感研究 1 、可見光、可見光-近紅外遙感監(jiān)測(cè)土壤水分近紅外遙感監(jiān)測(cè)土壤水分 2、 微波遙感監(jiān)測(cè)土壤水分微波遙感監(jiān)測(cè)土壤水分 3、 熱紅外遙感監(jiān)測(cè)土壤水分熱紅外遙感監(jiān)測(cè)土壤水分 裸土或低覆蓋

2、區(qū)的土壤水分研究（采用熱慣量法）裸土或低覆蓋區(qū)的土壤水分研究（采用熱慣量法） 植物覆蓋區(qū)，采用（農(nóng)田）蒸散與作物缺水指數(shù)法植物覆蓋區(qū)，采用（農(nóng)田）蒸散與作物缺水指數(shù)法地表能量平衡地表能量平衡遙感研究遙感研究 地表與大氣的最主要地表與大氣的最主要能源能源太陽(yáng)輻射以及相太陽(yáng)輻射以及相伴的地球輻射。伴的地球輻射。 太陽(yáng)發(fā)射的電磁波短波太陽(yáng)發(fā)射的電磁波短波輻射，除了輻射，除了30%被大氣頂被大氣頂界反射回空間以及界反射回空間以及17%被被大氣吸收外，其大部分以大氣吸收外，其大部分以直射與漫射的形式到達(dá)地直射與漫射的形式到達(dá)地表。表。 依據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定依據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，地表接收的能量以不律，地

3、表接收的能量以不同方式轉(zhuǎn)換為其他運(yùn)動(dòng)形同方式轉(zhuǎn)換為其他運(yùn)動(dòng)形式，使能量保持平衡。式，使能量保持平衡。 地表接收的能量地表接收的能量（Rn）以不同方式轉(zhuǎn)換為其它運(yùn)動(dòng)形式以不同方式轉(zhuǎn)換為其它運(yùn)動(dòng)形式 heating the air（ H ）, evaporating water（LE） and heating the soil（G）.這一這一能量交換過(guò)程可用地表能量平衡方程來(lái)表示，即：能量交換過(guò)程可用地表能量平衡方程來(lái)表示，即： Rn = H + LE + G + Rn 地表的凈太陽(yáng)輻射通量地表的凈太陽(yáng)輻射通量 (w/m2)， （即地表輻射平衡）；（即地表輻射平衡）；H 從下墊面到大氣的感熱通量，

4、從下墊面到大氣的感熱通量， (即下墊面與大氣間湍流形式的熱交換即下墊面與大氣間湍流形式的熱交換)；LE 從下墊面到大氣的潛熱通量，從下墊面到大氣的潛熱通量， (即即下墊面與大氣間水分蒸發(fā)的熱交換下墊面與大氣間水分蒸發(fā)的熱交換 )， L為水汽的汽化潛熱，為水汽的汽化潛熱，E為蒸發(fā)量為蒸發(fā)量 ；G 土壤熱通量，土壤熱通量，(即土壤中的熱交換即土壤中的熱交換)； 其中，還應(yīng)包含部分用于植物其中，還應(yīng)包含部分用于植物光合作用的能量，只是這部分能量光合作用的能量，只是這部分能量很小很?。?-3%1-3%），），可以忽略?？梢院雎?。能量平衡能量平衡 - Energy balance“C&W”LEEnerg

5、y balance on a regional scaleIncreased heating of airreduced evaporationincrease albedoreduce soil heatingHl lEGa aSHl lEGa aSDesertification“C&W”地表輻射平衡方程可表示為：地表輻射平衡方程可表示為： 入射到地面的太陽(yáng)短波入射到地面的太陽(yáng)短波輻射，即太陽(yáng)總輻射（輻射，即太陽(yáng)總輻射（Q Q）；）； 地表反射的太陽(yáng)短波輻地表反射的太陽(yáng)短波輻射，即地表反射輻射；射，即地表反射輻射； 來(lái)自大氣的長(zhǎng)波輻射，來(lái)自大氣的長(zhǎng)波輻射，即大氣逆輻射即大氣逆輻射； 地表發(fā)射

6、至大氣的長(zhǎng)波地表發(fā)射至大氣的長(zhǎng)波輻射，即地表發(fā)射輻射；輻射，即地表發(fā)射輻射； LLssnRRRRRsRsRLRLR一、地表凈輻射一、地表凈輻射（Rn）Radiation balance 地表輻射平衡地表輻射平衡（ Rn ）包括：包括： 為地表的短波為地表的短波輻射平衡輻射平衡（Rns） ； 為地表的長(zhǎng)波為地表的長(zhǎng)波輻射平衡輻射平衡（RnL） ，又稱地表又稱地表有效輻射有效輻射（）；）； 一般一般， Rns 是是 RnL的的 5倍。倍。ssRRLLRRRnsRsRLRLR“C&W” 又稱太陽(yáng)總輻射又稱太陽(yáng)總輻射 Q，它是緯度、時(shí)間、及云的函數(shù)。它是緯度、時(shí)間、及云的函數(shù)。它由太陽(yáng)直射光和天空散射

7、光組成，可利用氣象臺(tái)站的太陽(yáng)直射它由太陽(yáng)直射光和天空散射光組成，可利用氣象臺(tái)站的太陽(yáng)直射輻射表及天空輻射表來(lái)確定。一般說(shuō)來(lái)輻射表及天空輻射表來(lái)確定。一般說(shuō)來(lái)，在晴天和穩(wěn)定的天氣條在晴天和穩(wěn)定的天氣條件下件下，一個(gè)地面觀測(cè)站的數(shù)據(jù)可以代表一個(gè)地面觀測(cè)站的數(shù)據(jù)可以代表10 km2的面積。的面積。 Q 也也可以通過(guò)理論太陽(yáng)輻射及日照率可以通過(guò)理論太陽(yáng)輻射及日照率的計(jì)算獲得，即：的計(jì)算獲得，即： 式中，式中， 為大氣層頂部理論太陽(yáng)總輻射，與氣象臺(tái)站經(jīng)緯度、為大氣層頂部理論太陽(yáng)總輻射，與氣象臺(tái)站經(jīng)緯度、 太陽(yáng)赤緯、日地距離和太陽(yáng)常數(shù)有關(guān)；太陽(yáng)赤緯、日地距離和太陽(yáng)常數(shù)有關(guān)； 為日照率，為日照率，C C 為

8、日照時(shí)數(shù)，為日照時(shí)數(shù)，C C0 0為最大可能日照時(shí)數(shù)。為最大可能日照時(shí)數(shù)。 sR)/5683. 01144. 0(0CCQQQ0/CCSolarimeter measuresshort-wave radiationMeasuring components of radiation balance“C&W”Net Radiometer measuresall-wave radiationMeasuring components of radiation balance“C&W”Solarimeter can be shadedto measure only diffusecomponentsMe

9、asuring components of radiation balance“C&W” 即大氣、云發(fā)射至地表的長(zhǎng)波輻射，它是大氣溫即大氣、云發(fā)射至地表的長(zhǎng)波輻射，它是大氣溫度和大氣濕度的函數(shù)，可表示為：度和大氣濕度的函數(shù)，可表示為： 其中，其中， 大氣發(fā)射率（大氣發(fā)射率（無(wú)云天氣無(wú)云天氣） ， 是空氣水汽壓是空氣水汽壓 ea 與空氣溫度與空氣溫度 Ta 的函數(shù)，可利用的函數(shù)，可利用 紅外測(cè)溫儀對(duì)天空紅外測(cè)溫儀對(duì)天空（多角度）（多角度）測(cè)量到的溫度來(lái)推算；測(cè)量到的溫度來(lái)推算； 斯特藩斯特藩玻耳茲曼常數(shù)，玻耳茲曼常數(shù)， ； 7/1)/(24. 1aaaTe4aaLTR LR a 428/1067

10、. 5kmw 可通過(guò)可通過(guò) VISNIR 遙感反演的地表反照率遙感反演的地表反照率 來(lái)推算來(lái)推算，即即 。 可通過(guò)可通過(guò) TIR、MW遙感反演的地表輻射溫度遙感反演的地表輻射溫度 Ts 來(lái)推算。（來(lái)推算。（ 為地表發(fā)射率為地表發(fā)射率） 遙感所測(cè)得的數(shù)據(jù)（遙感所測(cè)得的數(shù)據(jù)（ 和和 ）具有非連續(xù)、窄波段、）具有非連續(xù)、窄波段、窄視場(chǎng)的特點(diǎn)，而自然界地物的反射與發(fā)射具有全波段、半球窄視場(chǎng)的特點(diǎn)，而自然界地物的反射與發(fā)射具有全波段、半球視場(chǎng)及各向異性的特點(diǎn)。兩者間的差異，是造成遙感反演地表視場(chǎng)及各向異性的特點(diǎn)。兩者間的差異，是造成遙感反演地表參數(shù)參數(shù) 和和 Ts 精度不夠高的重要原因。精度不夠高的重要

11、原因。)(LLRR)(ssRR)1 (a aQsRLRa aa a44)1 (ssaasLLssnTTRRRRRR a as 由窄波段遙感數(shù)據(jù)由窄波段遙感數(shù)據(jù) 全波段全波段、半球視場(chǎng)的反射或發(fā)半球視場(chǎng)的反射或發(fā)射輻射分量射輻射分量，目前主要從以下目前主要從以下3方面入手：方面入手： 通過(guò)大氣校正模型，把大氣頂層通過(guò)大氣校正模型，把大氣頂層（TOA）的輻射值直接轉(zhuǎn)的輻射值直接轉(zhuǎn)換為地表光譜反射率換為地表光譜反射率或地表輻射溫度或地表輻射溫度Ts 。 通過(guò)通過(guò)BRDF角度模型，建立兩者間的數(shù)學(xué)關(guān)系，把地表方角度模型，建立兩者間的數(shù)學(xué)關(guān)系，把地表方向反射率向反射率轉(zhuǎn)換為地表光譜反照率轉(zhuǎn)換為地表光譜反

12、照率，如半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿绨虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?核核驅(qū)動(dòng)模型，物理模型驅(qū)動(dòng)模型，物理模型-幾何光學(xué)模型幾何光學(xué)模型（GO）、）、輻射傳輸輻射傳輸模型模型（RT）、）、RTGO混合模型、計(jì)算機(jī)模擬等?；旌夏Ｐ?、計(jì)算機(jī)模擬等。 通過(guò)大量野外通過(guò)大量野外（同步）（同步）試驗(yàn)，建立多種寬波段反射或發(fā)射試驗(yàn)，建立多種寬波段反射或發(fā)射輻射值，與窄波段遙感數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)模型，即經(jīng)驗(yàn)關(guān)系輻射值，與窄波段遙感數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)模型，即經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。此法簡(jiǎn)單易行且可信。但這種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是隨著表面式。此法簡(jiǎn)單易行且可信。但這種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是隨著表面特征的變化而變化的。特征的變化而變化的。 1 1、地表反照率的反演地表反照率的反演 圖圖 1.3.3

13、.1地地表表反反照照率率的的反反演演NOAA AVHRR通道1和2數(shù)據(jù)反照率反演統(tǒng)計(jì)模型沙 漠 、 荒漠 及 荒 漠有 植 被 覆蓋地區(qū)沙 漠 、荒 漠 無(wú)植 被 覆蓋地積 雪 覆 蓋地區(qū)青 藏 高原區(qū)核驅(qū)動(dòng)模型其它地區(qū)A=0.526CH1+0.362Ch+0.112(0.5CH2)A=0.526CH1+0.474CH2A=0.526CH1+0.232CH2+0.130(0.630CH1)+0.112(0.065CH2.)P=0.282CH1+0.6081CH2P=0.045+0.742AF=0.5CH1+0.5CH2A=ddFsincos),(22中科院遙感所 中國(guó)地表反照率的反演中國(guó)地表反

14、照率的反演 Albedo (First Quarter) Albedo (Second Quarter) 中科院遙感所中國(guó)地表反照率的反演中國(guó)地表反照率的反演 Albedo (Third Quarter) Albedo (Fourth Quarter) 中科院遙感所 右圖：雪被的反射輻射幾乎都集中在短波右圖：雪被的反射輻射幾乎都集中在短波光譜區(qū)；光譜區(qū)；在在 0.30.7m反射率為反射率為80%90%；在在0.81.5m反射率則隨波長(zhǎng)的增大而迅速減反射率則隨波長(zhǎng)的增大而迅速減小；在?。辉赟WIR反射很弱。反射很弱。這就是說(shuō)對(duì)于雪被這就是說(shuō)對(duì)于雪被表面反照率表面反照率（0.304.0m），各譜段

15、所作，各譜段所作的貢獻(xiàn)是不同的，可劃分為的貢獻(xiàn)是不同的，可劃分為4個(gè)部分：個(gè)部分：雪被區(qū)表面反照率反演雪被區(qū)表面反照率反演3式中，式中，A 為為 04.0m 譜段的反照率；譜段的反照率； 、 分別為經(jīng)過(guò)大氣校正后分別為經(jīng)過(guò)大氣校正后CH1、CH2的反射率。的反射率。 其中，反演中所選用的其中，反演中所選用的NOAA/AVHRR的的CH1、CH2只代表前兩個(gè)部只代表前兩個(gè)部分的反射率，而據(jù)分的反射率，而據(jù)Brest的研究，后兩部分的反射率分別為第的研究，后兩部分的反射率分別為第2通道反通道反射率的射率的63.0%和和6.5%。因此，可將雪被表面反照率的反演模型表示為：。因此，可將雪被表面反照率的

16、反演模型表示為：)065. 0(112. 0)630. 0(130. 0232. 0526. 02221CHCHCHCHA 1CH 2CH 0.300.725m譜段，占總?cè)肷淠艿淖V段，占總?cè)肷淠艿?52.6%；0. 7251.0 m譜段，占總?cè)肷淠艿淖V段，占總?cè)肷淠艿?23.2%； 1. 0 1. 4m譜段，占總?cè)肷淠艿淖V段，占總?cè)肷淠艿?13.0%； 1. 4 4.0 m譜段，占總?cè)肷淠艿淖V段，占總?cè)肷淠艿?11.2%。2 2、地表溫度的反演地表溫度的反演 圖圖 1.3.4.1,地地 表表 溫溫 度度 反反 演演發(fā) 射 率氣 候 區(qū) 劃分 裂 窗 模 型已 知AV H RR 4.5信 道 發(fā)

17、 射 率已 知 平 均 發(fā) 射 率中 溫 帶 亞 干 旱 區(qū)中 溫 帶 干 旱 區(qū)南 溫 帶 亞 干 旱 區(qū)南 溫 帶 干 旱 區(qū)高 原 干 旱 區(qū)中 緯 度 濕潤(rùn) ， 亞 濕潤(rùn) 區(qū) ， 亞干 旱 區(qū)低 緯 度熱 帶 濕潤(rùn) 區(qū)中緯度高原 區(qū)熱帶濕潤(rùn) ， 亞 濕潤(rùn) 區(qū)Sobrino(1994)（1994）B ecker etal（1990）Price(1984)（1984）O ttle（1992）Sobrino（1991）M clain et al(1983)中科院遙感所 平均比輻射率已知時(shí)溫度的反演平均比輻射率已知時(shí)溫度的反演 - 中緯度、高原地區(qū)中緯度、高原地區(qū) Taa Ta TS01 42

18、5 上式中不同地表類型的系數(shù)值上式中不同地表類型的系數(shù)值 系系 數(shù)數(shù) 下墊面類型下墊面類型 a0 a1 a2 一年一熟糧作一年一熟糧作 -1.687 3.213 -2.197 小麥小麥 -2.889 3.214 -2.190 短草和灌叢短草和灌叢 -0.403 3.219 -2.211 臟雪臟雪 -1.687 3.213 -2.197 254141)(aTTaTT 上式中不同地表類型的系數(shù)值上式中不同地表類型的系數(shù)值 系數(shù)系數(shù) 下墊面類型下墊面類型 a1 a2 冬季落葉闊葉林、冬季落葉灌叢、冬季落葉闊葉林、冬季落葉灌叢、 半沙漠地區(qū)半沙漠地區(qū) 2.6 2.7 夏季落葉灌叢、水稻夏季落葉灌叢、水

19、稻 2.6 2.3 干草干草 1.505 1.164 夏季夏季 2.357 3.262 海涂、沙灘海涂、沙灘 冬季冬季 1.708 3.003 “C&W”一天內(nèi)的溫度與能量變化一天內(nèi)的溫度與能量變化“C&W”Radiation and Energy BalancesSdSgaStLDLuLDLuSdSgLDLuaSt+-+-= Rn= LD - LuDAYNIGHTRadiationBalanceEnergyBalanceGLEHRnLEHRnRn = H + LE + G + .G白天，白天，Rn為正值，地表熱量部分用于為正值，地表熱量部分用于LE、H，剩余熱量進(jìn)入土壤；剩余熱量進(jìn)入土壤；夜

20、間，夜間，Rn為負(fù)值，地表熱量由為負(fù)值，地表熱量由 LE、H、G來(lái)補(bǔ)償。來(lái)補(bǔ)償。二、土壤熱通量二、土壤熱通量（G） 土壤熱通量土壤熱通量土壤內(nèi)部的熱交換，對(duì)土壤蒸發(fā)、地表能量土壤內(nèi)部的熱交換，對(duì)土壤蒸發(fā)、地表能量交換均有影響。一般可以通過(guò)土壤遙感熱慣量法加以確定，交換均有影響。一般可以通過(guò)土壤遙感熱慣量法加以確定，也可也可以通過(guò)地面點(diǎn)測(cè)量得到。以通過(guò)地面點(diǎn)測(cè)量得到。 Reginato等等（1985）研究提出了一種主要用遙感信息推算土壤研究提出了一種主要用遙感信息推算土壤熱通量的簡(jiǎn)便方法，即熱通量的簡(jiǎn)便方法，即把土壤熱通量把土壤熱通量（G）與凈輻射與凈輻射（Rn），土壤，土壤上覆的植物高度上覆的

21、植物高度（h）聯(lián)系起來(lái)，建立三者間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：聯(lián)系起來(lái)，建立三者間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：nRhG)042. 01 . 0(式中，式中，h 為為作物高度作物高度，可根據(jù)不同的植物類型取值，如可根據(jù)不同的植物類型取值，如假設(shè)小假設(shè)小麥成熟時(shí)麥成熟時(shí) h = =1.2 m； h 與作物的葉面積指數(shù)與作物的葉面積指數(shù) LAI 及作物覆蓋及作物覆蓋度度 f 有關(guān)，也可通過(guò)遙感數(shù)據(jù)估算有關(guān)，也可通過(guò)遙感數(shù)據(jù)估算。BfLAIAh（A、B為待定系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定）為待定系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定） 研究表明，土壤熱通量（研究表明，土壤熱通量（G）與土壤表面凈輻射通量（與土壤表面凈輻射通量（ ）之間）之間有一比例關(guān)系，通常有一比

22、例關(guān)系，通常 G 約為約為 的的40，即，即 。snRsnRsnRG4 . 0 G 與與 的比例關(guān)系是日期和時(shí)間的函數(shù)，可表示為的比例關(guān)系是日期和時(shí)間的函數(shù)，可表示為6： 式中，式中，KG為為0.20.5間的常數(shù)，其值取決于土壤類型和濕度條件；間的常數(shù)，其值取決于土壤類型和濕度條件； 為太陽(yáng)天頂角的余弦值為太陽(yáng)天頂角的余弦值。 張仁華張仁華（1996）根據(jù)多年實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明：根據(jù)多年實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明：土壤熱通量土壤熱通量（G）與凈與凈輻射通量輻射通量（Rn）有一定的相關(guān)性有一定的相關(guān)性 -對(duì)于裸露土壤，對(duì)于裸露土壤，G可達(dá)的可達(dá)的2050%；而在作物覆蓋下，；而在作物覆蓋下，G為的為的520% 。

23、snGRKG snR 而土壤表面凈輻射通量（而土壤表面凈輻射通量（ ），又可），又可根據(jù)比爾定律給出根據(jù)比爾定律給出 5、6： 式中，式中，C 為凈輻射在植被冠層中的消減系數(shù)為凈輻射在植被冠層中的消減系數(shù)，值域約為值域約為0.30.7； C 值取決于冠層結(jié)構(gòu)，對(duì)于具有球形值取決于冠層結(jié)構(gòu)，對(duì)于具有球形（隨機(jī)）（隨機(jī)）葉面角度分布葉面角度分布 的冠層，的冠層，C = 0.5； LAI 可通過(guò)遙感植被指數(shù)求得；可通過(guò)遙感植被指數(shù)求得；為太陽(yáng)天頂角的余弦值為太陽(yáng)天頂角的余弦值； 此外，此外， 也可簡(jiǎn)單的表示為：也可簡(jiǎn)單的表示為：snR)/exp( CLAIRRnsnnsnRfR)1 ( snR三、感

24、熱通量三、感熱通量（H） 在土壤在土壤植被植被大氣系統(tǒng)中，當(dāng)把土壤、植被簡(jiǎn)單地處理為同大氣系統(tǒng)中，當(dāng)把土壤、植被簡(jiǎn)單地處理為同一層界面時(shí)，感熱通量一層界面時(shí)，感熱通量（sensible heat flux）表征下墊面與大氣間湍表征下墊面與大氣間湍流形式的熱交換流形式的熱交換，可表達(dá)為：，可表達(dá)為： 式中，式中， 為空氣密度為空氣密度（kg/m3）；）； 為空氣定壓比熱為空氣定壓比熱（J/kg）；）； Ts 為下墊面表面溫度為下墊面表面溫度（）；）； Ta 為空氣溫度為空氣溫度(參考高度參考高度,一般一般2m) （）；）； 為空氣動(dòng)力學(xué)阻力為空氣動(dòng)力學(xué)阻力（s/m）(下墊面下墊面-參考高度之間顯

25、熱傳輸?shù)淖枇⒖几叨戎g顯熱傳輸?shù)淖枇? 上式的空氣動(dòng)力學(xué)阻力上式的空氣動(dòng)力學(xué)阻力 ，可由湍流模式給出。它隨風(fēng)速、粗，可由湍流模式給出。它隨風(fēng)速、粗糙度和空氣層結(jié)等因素的變化而變化。糙度和空氣層結(jié)等因素的變化而變化。acasPTTCH / )( PCac ac 平流邊界層：平流邊界層： 空氣空氣運(yùn)動(dòng)處運(yùn)動(dòng)處于規(guī)則狀態(tài)；于規(guī)則狀態(tài)；湍流邊界層：湍流邊界層： 空氣空氣運(yùn)動(dòng)處運(yùn)動(dòng)處于不規(guī)則狀態(tài)。于不規(guī)則狀態(tài)。u zukzdz( )()ln()*0“C&W”d 為零平面位移為零平面位移高度高度（近地面平均近地面平均風(fēng)速為零處的高風(fēng)速為零處的高度）；度）； z 為地表以上參為地表以上參考高度考高度（=

26、2m）；）；u 為為 z 處的風(fēng)速處的風(fēng)速。 在中性條件下在中性條件下（空氣空氣運(yùn)動(dòng)處于規(guī)則狀態(tài)運(yùn)動(dòng)處于規(guī)則狀態(tài)-平流平流 ），）， 可表達(dá)為：可表達(dá)為： 式中，式中，z 為地表以上參考高度為地表以上參考高度（= 2m）；）； h 為植株高度為植株高度 （m）；）； d 為零平面位移高度為零平面位移高度（m）（）（近地面平均風(fēng)速為零處的高度）；近地面平均風(fēng)速為零處的高度）； k 為卡門常數(shù)為卡門常數(shù)（= 0.4）；）； u 為為 z 處的風(fēng)速處的風(fēng)速（m/s）；）； zo為動(dòng)量交換的表面粗糙度為動(dòng)量交換的表面粗糙度（m），為地表的一種空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)；），為地表的一種空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)； 它取決于地

27、表粗糙單元的幾何形狀、大小、排列等。它取決于地表粗糙單元的幾何形狀、大小、排列等。 ac)/(/ )(ln22ukzdzoa the laminar boundary-layer 植被植被的的表面粗糙度表面粗糙度 zo與與植被植被的高度的高度 h 和郁閉度直接相關(guān)；和郁閉度直接相關(guān)；表面粗糙度表面粗糙度 zo能夠方便地描述地能夠方便地描述地-氣之間的湍流交換強(qiáng)度。氣之間的湍流交換強(qiáng)度。 對(duì)于作物、草地：對(duì)于作物、草地： z0 = 0.13 h （ d = 0.63 h ） 而對(duì)于林木：而對(duì)于林木： z0 = 0.075 h粗糙度的反演粗糙度的反演ice0.01 mmmown lawn1shor

28、t grass5heather moor25forest500-1000Typical values of zo：植被高度的遙感反演植被高度的遙感反演 植被高度的遙感反演，可以通過(guò)多波段、多角度的光譜信息，植被高度的遙感反演，可以通過(guò)多波段、多角度的光譜信息，經(jīng)經(jīng)BRDF模型反演獲得；也可通過(guò)簡(jiǎn)便的植被高度光譜模型的方法。模型反演獲得；也可通過(guò)簡(jiǎn)便的植被高度光譜模型的方法。如如 ：BfLAIAh式中，式中， h 為作物的高度；為作物的高度； LAI 為葉面積指數(shù)為葉面積指數(shù) ； f 為植被覆蓋度為植被覆蓋度 ； SAVI、SAVIV、SAVIS分別為像元、純植被、純土壤的土分別為像元、純植被、

29、純土壤的土 壤調(diào)整植被指數(shù)；壤調(diào)整植被指數(shù)；A、B、C為待定系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。為待定系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。CBASAVILAI/1lnSVVSAVISAVISAVISAVIf全國(guó)月平均全國(guó)月平均地表粗糙度圖地表粗糙度圖中科院遙感所the turbulent boundary-layer在不穩(wěn)定條件下在不穩(wěn)定條件下（空氣空氣運(yùn)動(dòng)處于不規(guī)則狀態(tài)運(yùn)動(dòng)處于不規(guī)則狀態(tài)-湍流湍流 ） ， 可表達(dá)為：可表達(dá)為：n 為常數(shù)為常數(shù)（假設(shè)為（假設(shè)為5）；）； g 為轉(zhuǎn)換系數(shù)為轉(zhuǎn)換系數(shù) ；Tc、Ta分別為冠層溫度與空氣溫度分別為冠層溫度與空氣溫度 ； 2/ )(acoTTTac )/()()(1 2uTTTgdznrr

30、oacaac四、潛熱通量（即蒸散）四、潛熱通量（即蒸散）LE 潛熱通量潛熱通量(Latent heat flux)表征下墊面與大氣間水分表征下墊面與大氣間水分蒸發(fā)的熱交換，即蒸發(fā)的熱交換，即地表吸收輻射能與蒸發(fā)耗熱的熱交換，地表吸收輻射能與蒸發(fā)耗熱的熱交換，指指地面地面蒸發(fā)或植被蒸騰、蒸發(fā)蒸發(fā)或植被蒸騰、蒸發(fā)的能量，又稱蒸散的能量，又稱蒸散。 彭曼彭曼（Penman）蒸散方程把植被看作一個(gè)整體，假定植物冠層蒸散方程把植被看作一個(gè)整體，假定植物冠層（主指作物冠層）（主指作物冠層）為一片大葉，潛熱交換發(fā)生在葉面上，則得出冠層為一片大葉，潛熱交換發(fā)生在葉面上，則得出冠層的潛熱通量，可表達(dá)為：的潛熱通

31、量，可表達(dá)為： 式中，式中， 為溫度為溫度 Ts 時(shí)的飽和水汽壓；時(shí)的飽和水汽壓； 為與溫度為與溫度 Ta 同高度處的空氣水汽壓；同高度處的空氣水汽壓； 為空氣動(dòng)力學(xué)阻力為空氣動(dòng)力學(xué)阻力，它阻礙由地面向大氣的熱量與質(zhì)量的輸送它阻礙由地面向大氣的熱量與質(zhì)量的輸送; 可通過(guò)測(cè)風(fēng)速、粗糙度可通過(guò)測(cè)風(fēng)速、粗糙度代入湍流模型求得；代入湍流模型求得； 為下墊面表面阻力，為下墊面表面阻力，是大氣、植被、土壤因子的函數(shù)是大氣、植被、土壤因子的函數(shù)； 可通過(guò)葉面積指數(shù)可通過(guò)葉面積指數(shù) LAI 和葉子的水勢(shì)和葉子的水勢(shì)，或地面干濕的或地面干濕的 標(biāo)定資料求得標(biāo)定資料求得 。 為干濕球常數(shù)；為干濕球常數(shù)； L、 、

32、 、 均為常數(shù)。均為常數(shù)。 LE 方程方程 與與 H 方程相似，僅用水汽壓代替了溫度。方程相似，僅用水汽壓代替了溫度。 *seaea c )(/)(*caasPrreeCLE PC 1 1一層模型一層模型 （又稱單層模型）（又稱單層模型）式中，式中， 為為飽和水汽壓對(duì)溫度的斜率飽和水汽壓對(duì)溫度的斜率 ，在潛在蒸散情況下，表面阻力在潛在蒸散情況下，表面阻力 近似取零，則潛在蒸散近似取零，則潛在蒸散 LEP為：為： PM蒸散蒸散方程是以凈輻射通量方程是以凈輻射通量Rn為主的蒸發(fā)模型為主的蒸發(fā)模型。它綜合了能它綜合了能量平衡法與空氣動(dòng)力學(xué)法的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。但是它涉及到不量平衡法與空氣動(dòng)力學(xué)法的特

33、點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。但是它涉及到不少難以精確測(cè)定或估算的非遙感參數(shù)。而且，由于忽略土壤蒸發(fā)少難以精確測(cè)定或估算的非遙感參數(shù)。而且，由于忽略土壤蒸發(fā)，PM式適用于稠密植被狀態(tài)下的單層模型，而并不適用于稀疏植式適用于稠密植被狀態(tài)下的單層模型，而并不適用于稀疏植被和作物全生長(zhǎng)期的蒸散計(jì)算。被和作物全生長(zhǎng)期的蒸散計(jì)算。)/()(*acasTTee 若葉冠溫度等于蒸發(fā)表面溫度，則得若葉冠溫度等于蒸發(fā)表面溫度，則得Penman-Monteith實(shí)際實(shí)際蒸散方程（蒸散方程（PM式）為式）為 ：)/1 (/ / )()(*acaaaPnrrreeCGRLE )/(/ )()(* aaaPnPeeCGRLEc 地地

34、-氣熱量平衡研究中，界面的表面溫度是十分重要的信息。氣熱量平衡研究中，界面的表面溫度是十分重要的信息。遙感研究則主要通過(guò)獲取界面與空氣的溫度差，它受到土壤遙感研究則主要通過(guò)獲取界面與空氣的溫度差，它受到土壤-大大氣的耦合影響。氣的耦合影響。 表面溫度表面溫度光譜模型光譜模型是以表面溫度為主的蒸發(fā)模型是以表面溫度為主的蒸發(fā)模型,可表示為：可表示為： 式中，式中，d 為在參考高度的水汽飽和差；為在參考高度的水汽飽和差； Tc 為下墊面表面溫度為下墊面表面溫度（可由熱紅外遙感數(shù)據(jù)經(jīng)模型反演求得可由熱紅外遙感數(shù)據(jù)經(jīng)模型反演求得）； Ta 為空氣溫度；為空氣溫度； 為飽和水汽壓對(duì)溫度的斜率。為飽和水汽壓

35、對(duì)溫度的斜率。 為冠層群體表面阻力為冠層群體表面阻力，與葉子水勢(shì)與葉子水勢(shì) 、光照強(qiáng)度光照強(qiáng)度 I 及葉面積及葉面積 指數(shù)指數(shù) L 有關(guān)，其中有關(guān)，其中 、I、L均可通過(guò)多光譜遙感數(shù)據(jù)及均可通過(guò)多光譜遙感數(shù)據(jù)及 相關(guān)模型來(lái)推算。相關(guān)模型來(lái)推算。 )(/)(caacPdTTCLE c 2 2二層模型二層模型 （又稱雙層模型）（又稱雙層模型） 一層蒸發(fā)模型是把地表作為一個(gè)邊界層來(lái)研究其傳輸過(guò)程。一層蒸發(fā)模型是把地表作為一個(gè)邊界層來(lái)研究其傳輸過(guò)程。 但是，部分植物覆蓋下，因植、但是，部分植物覆蓋下，因植、土的熱特性不同，則對(duì)下墊面總蒸土的熱特性不同，則對(duì)下墊面總蒸散的貢獻(xiàn)不一，情況復(fù)雜得多。散的貢獻(xiàn)

36、不一，情況復(fù)雜得多。 植被冠層對(duì)地氣界面的氣流來(lái)說(shuō)植被冠層對(duì)地氣界面的氣流來(lái)說(shuō)是粗糙的，且是可穿透的面。植被是粗糙的，且是可穿透的面。植被的粗糙性使湍流增強(qiáng)，使感熱和潛的粗糙性使湍流增強(qiáng)，使感熱和潛熱輸送比裸露地面要強(qiáng)。熱輸送比裸露地面要強(qiáng)。 對(duì)于土壤對(duì)于土壤-大氣和植物大氣和植物-大氣兩個(gè)大氣兩個(gè)界面，共有界面，共有6個(gè)基本要素：土壤表面?zhèn)€基本要素：土壤表面溫度（溫度（Ts）、）、土壤表面水汽壓（土壤表面水汽壓（es）、）、植物冠層表面溫度植物冠層表面溫度（Tv）和水汽壓和水汽壓（ev），），在熱交換有效高度的空氣溫在熱交換有效高度的空氣溫度（度（Tb）和水汽壓和水汽壓(eb)。 二層能量平

37、衡模型把表面凈輻射（二層能量平衡模型把表面凈輻射（Rn）分解為植物冠層表面輻分解為植物冠層表面輻射（射（ ）和土壤表面輻射（）和土壤表面輻射（ ）的和，并分別定義一個(gè)能量平）的和，并分別定義一個(gè)能量平衡方程。植物冠層表面和土壤表面的熱量平衡方程分別為：衡方程。植物冠層表面和土壤表面的熱量平衡方程分別為： vnRsnRGTTrCrreeCRGHLEbvbPbvbvPvnvv)()()(* GTTrCreeCRGHLEbsbPwbsPsnss)()( ,vnsnnRRR,vsLELELEVsHHH式中，式中， 為土壤和空氣的熱汽交換阻力；為土壤和空氣的熱汽交換阻力； 為冠層表面與冠層中空氣為冠層表

38、面與冠層中空氣的熱汽交換阻力；的熱汽交換阻力； 為水汽從葉內(nèi)氣孔擴(kuò)散到葉子表面的阻力。為水汽從葉內(nèi)氣孔擴(kuò)散到葉子表面的阻力。 wrarvr 通過(guò)定量遙感可以反演下墊面表面溫度（通過(guò)定量遙感可以反演下墊面表面溫度（Ts、Tv）以及地表反以及地表反照率照率 、粗糙度、粗糙度 z0，植被冠層表面阻力植被冠層表面阻力 ，植物參數(shù)，植物參數(shù)（LAI、f ）等；再加上地面觀測(cè)的參考高度的溫度和濕度等，便可以求出各等；再加上地面觀測(cè)的參考高度的溫度和濕度等，便可以求出各種關(guān)鍵參數(shù)、阻力、土壤或植物冠層表面的凈輻射通量等，從而種關(guān)鍵參數(shù)、阻力、土壤或植物冠層表面的凈輻射通量等，從而運(yùn)用二層蒸發(fā)模型，推算出潛熱

39、通量，即界面的蒸發(fā)量。運(yùn)用二層蒸發(fā)模型，推算出潛熱通量，即界面的蒸發(fā)量。對(duì)于潛熱通量對(duì)于潛熱通量（蒸發(fā)）（蒸發(fā)）的計(jì)算，目前有多種模型方法，如總體的計(jì)算，目前有多種模型方法，如總體動(dòng)力學(xué)法、動(dòng)力學(xué)法、Penman-Monteith法、法、Priestly-Taylor法、法、Shuttleworth-Wallace法等。后幾種方法既考慮了地表的能量收支法等。后幾種方法既考慮了地表的能量收支平衡平衡（輻射項(xiàng)輻射項(xiàng)），），又考慮了表層大氣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程又考慮了表層大氣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程（空氣動(dòng)力項(xiàng)）（空氣動(dòng)力項(xiàng)）。應(yīng)該說(shuō)，它們比僅考慮空氣動(dòng)力學(xué)原理的總體動(dòng)力學(xué)法應(yīng)該說(shuō)，它們比僅考慮空氣動(dòng)力學(xué)原理的總體動(dòng)力

40、學(xué)法（湍流過(guò)（湍流過(guò)程等）程等）更接近實(shí)際，但參數(shù)更多，計(jì)算結(jié)果的精度很大程度上受更接近實(shí)際，但參數(shù)更多，計(jì)算結(jié)果的精度很大程度上受到這些參數(shù)取值的制約。到這些參數(shù)取值的制約。a avr遙感數(shù)據(jù)遙感數(shù)據(jù)NOAA / AVHRR數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)預(yù)處理輻射糾正、大氣糾正、幾何糾正輻射糾正、大氣糾正、幾何糾正地面觀測(cè)數(shù)據(jù)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、BRDF、Q（查表或計(jì)算）查表或計(jì)算）CH1、CH2地表反照率地表反照率反演模型反演模型CH4、CH5地表溫度地表溫度反演模型反演模型地面同步觀測(cè)地面同步觀測(cè)Ts、To、Ta、地表短波吸收輻射地表短波吸收輻射Q（）地表凈輻射地表凈輻射RnQ（）+ I地表長(zhǎng)波有效輻射地表長(zhǎng)

41、波有效輻射植被表面植被表面結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)構(gòu)觀測(cè)LAI、f、h植被模型植被模型NDVI、SAVI等等反演反演LAI、f、h土壤熱通量模型土壤熱通量模型或或Rn、LAI，或或Rn、h，或或土壤熱慣量法土壤熱慣量法 P風(fēng)速觀測(cè)風(fēng)速觀測(cè)各種阻力模型各種阻力模型 與與u等有關(guān)等有關(guān) 與與L、f、有關(guān)有關(guān) 與與Ws等有關(guān)等有關(guān)區(qū)域蒸發(fā)量估算區(qū)域蒸發(fā)量估算單層、雙層蒸發(fā)模型單層、雙層蒸發(fā)模型相關(guān)相關(guān)模型模型相關(guān)模型相關(guān)模型應(yīng)用實(shí)例：遙感區(qū)域蒸發(fā)量估算應(yīng)用實(shí)例：遙感區(qū)域蒸發(fā)量估算44ssaaTTIsaarvrsr 區(qū)域蒸發(fā)量估算包括土壤蒸發(fā)及植物蒸騰兩部分。區(qū)域蒸發(fā)量估算包括土壤蒸發(fā)及植物蒸騰兩部分。 遙感區(qū)域蒸

42、發(fā)量的估算，可有以下步驟：遙感區(qū)域蒸發(fā)量的估算，可有以下步驟： 求算地表反照率求算地表反照率 ( ) 利用可見光利用可見光近紅外波段的多光譜遙感數(shù)據(jù)近紅外波段的多光譜遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合地面樣點(diǎn)地物結(jié)合地面樣點(diǎn)地物反照率的同步測(cè)量，建立遙感數(shù)據(jù)與地面信息之間的相關(guān)關(guān)系式反照率的同步測(cè)量，建立遙感數(shù)據(jù)與地面信息之間的相關(guān)關(guān)系式（經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式或理論模型），（經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式或理論模型），以推算地表反照率以推算地表反照率 。 求算地表短波吸收輻射求算地表短波吸收輻射 利用地面儀器測(cè)量或直接查找輻射臺(tái)站的太陽(yáng)直射輻射表和天空利用地面儀器測(cè)量或直接查找輻射臺(tái)站的太陽(yáng)直射輻射表和天空輻射表，以推算入射到地面的太陽(yáng)入射輻

43、射（輻射表，以推算入射到地面的太陽(yáng)入射輻射（ ）；求算地表反）；求算地表反射輻射（射輻射（ ）；求算地表短波吸收輻射）；求算地表短波吸收輻射 。a aa a)1 (a aQQQ)1 (a aQa a 求算地表溫度求算地表溫度（輻射溫度（輻射溫度Ts，真實(shí)溫度真實(shí)溫度T） a. 熱紅外遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理熱紅外遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括輻射糾正、大氣糾正、幾何糾正，包括輻射糾正、大氣糾正、幾何糾正； b. 用紅外測(cè)溫儀等進(jìn)行地面樣點(diǎn)地物輻射溫度的同步測(cè)量；用紅外測(cè)溫儀等進(jìn)行地面樣點(diǎn)地物輻射溫度的同步測(cè)量； c. 建立遙感數(shù)據(jù)與地面同步數(shù)據(jù)間的線性回歸方程，得（建立遙感數(shù)據(jù)與地面同步數(shù)據(jù)間的線性回歸方程，

44、得（Ts）；）； d. 地面測(cè)量典型地類的比輻射率（地面測(cè)量典型地類的比輻射率（ ）；）； e. 地表真實(shí)溫度的反演地表真實(shí)溫度的反演 求算地表長(zhǎng)波有效輻射（求算地表長(zhǎng)波有效輻射（I） a. 利用紅外測(cè)溫儀對(duì)著天空利用紅外測(cè)溫儀對(duì)著天空“多角度多角度”直接測(cè)量所得的天空溫度直接測(cè)量所得的天空溫度 Ta， 求算來(lái)自大氣的長(zhǎng)波輻射求算來(lái)自大氣的長(zhǎng)波輻射 ； b. 由以上所得的由以上所得的 Ts、 ，求算地表發(fā)射輻射求算地表發(fā)射輻射 ； c. 得地表長(zhǎng)波有效輻射。得地表長(zhǎng)波有效輻射。TTss41 s4aaLTR 4ssLTR )(LLRRs 求算地表凈輻射通量求算地表凈輻射通量 求算葉面積指數(shù)求算葉

45、面積指數(shù)（L），），及植被覆蓋度及植被覆蓋度（f），），作物高度作物高度（h） 建立遙感植被指數(shù)建立遙感植被指數(shù)(如如NDVI、RVI、SAVI等等)與地面同步測(cè)量樣點(diǎn)與地面同步測(cè)量樣點(diǎn) L、f、h 之間的相應(yīng)模型，以便遙感直接反演之間的相應(yīng)模型，以便遙感直接反演 L、f、h （h也可通過(guò)也可通過(guò)雙向反射模型等反演）。雙向反射模型等反演）。 求算土壤熱通量求算土壤熱通量（G） 借助地面點(diǎn)同步測(cè)量的配合，建立土壤熱通量與凈輻射及植被參借助地面點(diǎn)同步測(cè)量的配合，建立土壤熱通量與凈輻射及植被參數(shù)數(shù)（LAI、f、h）間的相關(guān)模型；或從遙感熱慣量法入手。間的相關(guān)模型；或從遙感熱慣量法入手。 求算空氣動(dòng)力

46、學(xué)阻力（求算空氣動(dòng)力學(xué)阻力（ ）與表面阻力（）與表面阻力（ ） a.測(cè)地面風(fēng)速（測(cè)地面風(fēng)速（u），），可推算空氣動(dòng)力學(xué)阻力（可推算空氣動(dòng)力學(xué)阻力（ ）；）； b. 通過(guò)葉面積指數(shù)通過(guò)葉面積指數(shù) L、植被覆蓋度植被覆蓋度 f 和葉子的水勢(shì)和葉子的水勢(shì) 或地面干濕或地面干濕的標(biāo)定資料。的標(biāo)定資料。 區(qū)域蒸發(fā)量估算：區(qū)域蒸發(fā)量估算： 將以上將以上- 的數(shù)據(jù)代入蒸發(fā)模型，則可估算的數(shù)據(jù)代入蒸發(fā)模型，則可估算區(qū)域蒸發(fā)量，以及研究其空間分布規(guī)律區(qū)域蒸發(fā)量，以及研究其空間分布規(guī)律 IQRn)1 (a aa c a 地表蒸散的估算地表蒸散的估算 圖圖1 1 . . 3 3 . . 6 6 . . 1 1 中中

47、 國(guó)國(guó) 地地 表表 蒸蒸 散散 發(fā)發(fā) 計(jì)計(jì) 算算 流流 程程 圖圖 開 始 下 墊 面 覆 蓋 類 型 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 水 田 、 沼 澤 旱 地 、 土 壤 、 其 它 植 被 湖 泊 、 流 域 、 沙 漠 積 雪 輸 入 反 照 率 、 日 照 百 分 比 ， 計(jì) 算 地 表 凈 輻 射 輸 入 粗 糙 度 計(jì) 算 阻 抗 P o n m a n -M o te ith模 型 P o n m a n 模 型 互 補(bǔ) 相 關(guān) 模 型 積 雪 模 型 全國(guó)地表蒸騰分布全國(guó)地表蒸騰分布 中科院遙感所 遙感研究蒸發(fā)，主要基于地表的熱量平衡與水分平衡。運(yùn)用遙感遙感研究蒸發(fā)，主要基于地表的熱量平衡與水分

48、平衡。運(yùn)用遙感方法提取土壤方法提取土壤植物植物大氣界面的能量信息。如用多時(shí)相熱紅外遙大氣界面的能量信息。如用多時(shí)相熱紅外遙感提取土壤感提取土壤-植物的溫度和水分狀況信息；用多光譜、多角度遙感，植物的溫度和水分狀況信息；用多光譜、多角度遙感，提取下墊面幾何結(jié)構(gòu)的信息等。再結(jié)合地面氣象臺(tái)站的有關(guān)資料，提取下墊面幾何結(jié)構(gòu)的信息等。再結(jié)合地面氣象臺(tái)站的有關(guān)資料，使遙感區(qū)域蒸發(fā)量的估算精度高于常規(guī)方法。使遙感區(qū)域蒸發(fā)量的估算精度高于常規(guī)方法。 許多研究表明，陸面蒸發(fā)是陸地降水的重要來(lái)源，而蒸發(fā)的大許多研究表明，陸面蒸發(fā)是陸地降水的重要來(lái)源，而蒸發(fā)的大小與土壤濕度密切相關(guān)。小與土壤濕度密切相關(guān)。 大氣環(huán)流

49、模式在對(duì)撒哈拉沙漠反照率變化的研究表明：地面反大氣環(huán)流模式在對(duì)撒哈拉沙漠反照率變化的研究表明：地面反照率的增加能導(dǎo)致地面蒸發(fā)減少和降水減少照率的增加能導(dǎo)致地面蒸發(fā)減少和降水減少。 城市城市/ /鄉(xiāng)村地表能量平衡的遙感定量分析鄉(xiāng)村地表能量平衡的遙感定量分析 楊立明楊立明（2000）利用利用NOAA氣象衛(wèi)星氣象衛(wèi)星AVHRR數(shù)據(jù)和地表微氣象數(shù)據(jù)和地表微氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)合，反演地表生物物理參數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)合，反演地表生物物理參數(shù)（地表反照率、地表輻射（地表反照率、地表輻射溫度、地表蒸散等），溫度、地表蒸散等），并代入以地表能量交換為基礎(chǔ)的邊界層氣候并代入以地表能量交換為基礎(chǔ)的邊界層氣候模型中，以改善

50、地表過(guò)程的模擬。模型中，以改善地表過(guò)程的模擬。 研究區(qū)選在美國(guó)中西部?jī)?nèi)布拉斯加州的研究區(qū)選在美國(guó)中西部?jī)?nèi)布拉斯加州的Omata和林肯市及周邊和林肯市及周邊地區(qū)地區(qū)（面積約（面積約1萬(wàn)萬(wàn)km2）。）。區(qū)內(nèi)地形起伏小，土地利用區(qū)內(nèi)地形起伏小，土地利用/土地覆蓋類型土地覆蓋類型多樣，是研究地表能量交換的較理想場(chǎng)所。多樣，是研究地表能量交換的較理想場(chǎng)所。 （1 1） 數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理A遙感數(shù)據(jù)：選用遙感數(shù)據(jù)：選用1990年年311月的月的NOAA/AVHRR白天的圖像數(shù)白天的圖像數(shù) 據(jù)，經(jīng)輻射糾正，大氣糾正，幾何糾正，投影變換等預(yù)處理。據(jù)，經(jīng)輻射糾正，大氣糾正，幾何糾正，投影變換等

51、預(yù)處理。 B氣象數(shù)據(jù)：選用內(nèi)布拉斯加州氣象數(shù)據(jù)：選用內(nèi)布拉斯加州38個(gè)氣象站點(diǎn)個(gè)氣象站點(diǎn)1990年生長(zhǎng)季節(jié)的年生長(zhǎng)季節(jié)的 微氣象數(shù)據(jù)。包括，每小時(shí)觀測(cè)的最高、最低氣溫，風(fēng)速、風(fēng)微氣象數(shù)據(jù)。包括，每小時(shí)觀測(cè)的最高、最低氣溫，風(fēng)速、風(fēng) 向，相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射、土壤溫度、日降水量以及各種土地向，相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射、土壤溫度、日降水量以及各種土地 覆蓋類型的潛在蒸散和實(shí)際蒸散等。覆蓋類型的潛在蒸散和實(shí)際蒸散等。 C土地利用土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù)：根據(jù)土地覆蓋數(shù)據(jù)：根據(jù)1990年年AVHRR的歸一化植被指的歸一化植被指 數(shù)數(shù)NDVI和其他輔助數(shù)據(jù)所得的土地利用和其他輔助數(shù)據(jù)所得的土地利用/土地覆蓋（土地

52、覆蓋（LU/LC） 數(shù)據(jù)，經(jīng)歸并所得的城市建筑區(qū)、居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、耕地、草數(shù)據(jù)，經(jīng)歸并所得的城市建筑區(qū)、居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、耕地、草 地、耕地地、耕地/草地混合區(qū)、耕地草地混合區(qū)、耕地/林地混合區(qū)、沿岸林地、森林地林地混合區(qū)、沿岸林地、森林地 等等9種土地利用種土地利用/土地覆蓋類型。土地覆蓋類型。 （2 2） 地表生物物理參數(shù)反演地表生物物理參數(shù)反演 A 地表輻射溫度（地表輻射溫度（ ） AVHRR遙感器接收的輻射能量遙感器接收的輻射能量E，與其熱紅外通道的數(shù)值與其熱紅外通道的數(shù)值（DN）之間的關(guān)系之間的關(guān)系（即輻射定標(biāo)）（即輻射定標(biāo)）可表示為：可表示為： 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)； 為遙感器增益

53、系數(shù)。為遙感器增益系數(shù)。 依據(jù)依據(jù) Planck 輻射方程，可將遙感器接收的輻射能量輻射方程，可將遙感器接收的輻射能量 轉(zhuǎn)換為亮轉(zhuǎn)換為亮度溫度度溫度 ，表示為：，表示為： 為為AVHRR熱紅外通道的中心波數(shù)（熱紅外通道的中心波數(shù)（cm-1）；）； 、 為常數(shù)。為常數(shù)。 通過(guò)通過(guò)McClain等等（1983）的分裂窗口算法，可由的分裂窗口算法，可由 得經(jīng)大氣糾正后得經(jīng)大氣糾正后的表面亮度溫度的表面亮度溫度 為：為： 式中，式中， 、 分別為分別為AVHRR第第4、5通道定標(biāo)后的黑體溫度。通道定標(biāo)后的黑體溫度。 地表輻射溫度地表輻射溫度 與黑體溫度與黑體溫度 的關(guān)系為：的關(guān)系為：式中，式中， 為地

54、表發(fā)射率（從數(shù)據(jù)庫(kù)或測(cè)量獲?。粸榈乇戆l(fā)射率（從數(shù)據(jù)庫(kù)或測(cè)量獲?。?為斯為斯特藩特藩-波爾茲曼常數(shù)。波爾茲曼常數(shù)。RT)(DNbaEabEbT)/1ln(312EccTb 1c2cbTRT934.283)(3046. 0035. 1544bbbbTTTT4bT5bTRTbT44bRTT bRTT4/1 B 地表反照率地表反照率 大氣頂層大氣頂層（TOA）的寬波段的寬波段 地球反照率地球反照率 ，可可從定標(biāo)后的從定標(biāo)后的AVHRR第第1、2通道反射率通道反射率 、 按一定比例組成，近按一定比例組成，近似求得：似求得： 依據(jù)依據(jù)Koepke(1989)算法，可將算法，可將 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的地表反照率

55、轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的地表反照率 。 式中，式中， 為大氣光程中水汽含量、為大氣光程中水汽含量、 含量的函數(shù)；含量的函數(shù)； 為大氣為大氣光程，這里選用中緯度夏季的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件光程，這里選用中緯度夏季的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件（則（則 、 已知）。已知）。 )(sa a)1 . 14 . 0(ma a1R2R214605. 04889. 07872. 2RR aa asa am3OnmnnmsaaC 潛在蒸散（潛在蒸散（ ）與實(shí)際蒸散（）與實(shí)際蒸散（ET） 選用彭曼選用彭曼（Penman）模型計(jì)算潛在蒸散模型計(jì)算潛在蒸散 ，表示為：，表示為： 為全波段凈輻射；為全波段凈輻射； 為土壤熱通量；為土壤熱通量； 為風(fēng)函數(shù)為

56、風(fēng)函數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向）；（風(fēng)速、風(fēng)向）； 為固態(tài)水密度；為固態(tài)水密度； 為蒸發(fā)潛熱為蒸發(fā)潛熱（汽化潛熱）；（汽化潛熱）； 為空氣飽和水汽壓；為空氣飽和水汽壓； 為空氣實(shí)際水汽壓；為空氣實(shí)際水汽壓； 為飽和水汽壓為飽和水汽壓/溫度溫度（曲線）（曲線）的斜率的斜率； 為干濕球常數(shù)。為干濕球常數(shù)。實(shí)際蒸散實(shí)際蒸散 ET 為：為：式中，式中， 是植被類型及生長(zhǎng)階段的函數(shù)，該作物系數(shù)由氣候是植被類型及生長(zhǎng)階段的函數(shù)，該作物系數(shù)由氣候中心提供（由野外實(shí)際觀測(cè)的中心提供（由野外實(shí)際觀測(cè)的 、 及生長(zhǎng)階段得到）。及生長(zhǎng)階段得到）。PETPET)/()()(* anPvweevfGRETLnRG)(vfw vL*

57、eae )(iPcKETET )(icKPETET（3） 地表能量平衡模型分析地表能量平衡模型分析 A模型描述模型描述：選用選用Carlson一維邊界層氣候模型一維邊界層氣候模型，由下而上分由下而上分4層層： 具有熱均勻性的地面層具有熱均勻性的地面層； 輻射輻射、傳導(dǎo)傳導(dǎo)、湍流交換共存的大氣過(guò)渡湍流交換共存的大氣過(guò)渡層層（貼地面層）；（貼地面層）； 熱通量熱通量、水汽通量隨高度保持不變水汽通量隨高度保持不變（假設(shè)）（假設(shè)）的表面的表面層層（近地面層）；（近地面層）； 混合層混合層，其高度依賴于下方的表面層作用。其高度依賴于下方的表面層作用。表面層的能量平衡方程為：表面層的能量平衡方程為： 其中

58、，其中， 為太陽(yáng)輻射為太陽(yáng)輻射（直射光和漫射光）；（直射光和漫射光）； 為地表溫度，為地表溫度， 為表面層頂為表面層頂部的空氣溫度，部的空氣溫度， 為空氣發(fā)射率；為空氣發(fā)射率； 為潛在溫度，為潛在溫度， 為熱交換系數(shù)；為熱交換系數(shù)； 為熱湍流擴(kuò)散率；為熱湍流擴(kuò)散率； 空氣定壓比熱，空氣定壓比熱， 為空氣密度，為空氣密度， 為飽和比濕，為飽和比濕， 為空氣比濕，為空氣比濕， 為水汽阻力系數(shù)，為水汽阻力系數(shù)，SMA為為（surface moisture availability）表面水分利用率，在模型中用以表示當(dāng)溫度表面水分利用率，在模型中用以表示當(dāng)溫度 時(shí)飽和表面的最大可能蒸發(fā)時(shí)飽和表面的最大可

59、能蒸發(fā)速率，與表面水飽和度有關(guān)，一天中速率，與表面水飽和度有關(guān)，一天中SMA為常數(shù)。為常數(shù)。LEHGRn440)1 (aasnTTRR a azKczcHnpn )()/(aoosqvqTqSMAILLE PETETSMA/RoTaTa ncnKpc osqaqqIoT B表面水分利用率（表面水分利用率（SMA）的參數(shù)化的參數(shù)化 表面水分利用率表面水分利用率（SMA）是模擬地表能量平衡組分的關(guān)鍵參數(shù)。是模擬地表能量平衡組分的關(guān)鍵參數(shù)?？紤]到對(duì)區(qū)域?qū)嶋H蒸散考慮到對(duì)區(qū)域?qū)嶋H蒸散ET的模擬，必須計(jì)算的模擬，必須計(jì)算SMA的時(shí)空變量。因的時(shí)空變量。因此，通過(guò)遙感植被指數(shù)此，通過(guò)遙感植被指數(shù)NDVI與所

60、測(cè)的地表微氣象數(shù)據(jù)的聯(lián)系使與所測(cè)的地表微氣象數(shù)據(jù)的聯(lián)系使SMA參數(shù)化。參數(shù)化。在太陽(yáng)能與土壤養(yǎng)分充分供給的條件下，植物光合作用和生物量在太陽(yáng)能與土壤養(yǎng)分充分供給的條件下，植物光合作用和生物量主要由植物水分利用率控制。當(dāng)植物受水分脅迫主要由植物水分利用率控制。當(dāng)植物受水分脅迫（stress）、）、葉孔封葉孔封閉的情況下，植被生物量積累速率降低。此時(shí)植物水分利用率和生閉的情況下，植被生物量積累速率降低。此時(shí)植物水分利用率和生物量與植物光譜響應(yīng)密切相關(guān)，因此，可以借助植物光譜所得的植物量與植物光譜響應(yīng)密切相關(guān)，因此，可以借助植物光譜所得的植被指數(shù)來(lái)推斷植物冠層被指數(shù)來(lái)推斷植物冠層SMA（或蒸散）。或