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1、19741974年：年：年：年：气候系统气候系统气候系统气候系统概念概念概念概念陆地表面陆地表面陆地表面陆地表面约占地球表面三分之一，约占地球表面三分之一，约占地球表面三分之一，约占地球表面三分之一，是全球气候系统重要而最为复杂的组成部分是全球气候系统重要而最为复杂的组成部分是全球气候系统重要而最为复杂的组成部分是全球气候系统重要而最为复杂的组成部分. . . .陆面自然生态系统陆面自然生态系统陆面自然生态系统陆面自然生态系统+ +人类活动相关的人类活动相关的人类活动相关的人类活动相关的LULCCLULCC第一节 地表强迫引起非定常变化气候系统示意图气候系统示意图气候系统示意图气候系统示意图气
2、候系统包括气候系统包括气候系统包括气候系统包括: : 大气圈大气圈大气圈大气圈 水水水水 圈圈圈圈 冰雪圈冰雪圈冰雪圈冰雪圈 岩石圈岩石圈岩石圈岩石圈 生物圈生物圈生物圈生物圈陆面构成及其复杂陆面构成及其复杂陆面构成及其复杂陆面构成及其复杂 陆气相互作用的复杂性陆气相互作用的复杂性陆气相互作用的复杂性陆气相互作用的复杂性全球陆面构成的分布全球陆面构成的分布l植植植植 被被被被（1 1）几何特性几何特性几何特性几何特性 ( (如高度、粗糙度如高度、粗糙度如高度、粗糙度如高度、粗糙度) )（2 2）结构特性）结构特性）结构特性）结构特性 ( (如冠层的叶面积指数及冠层内叶片空间和朝如冠层的叶面积指
3、数及冠层内叶片空间和朝如冠层的叶面积指数及冠层内叶片空间和朝如冠层的叶面积指数及冠层内叶片空间和朝 向的分布、根的分布向的分布、根的分布向的分布、根的分布向的分布、根的分布) )（3 3）物理特性）物理特性）物理特性）物理特性( (如热力学和水力学特性如热力学和水力学特性如热力学和水力学特性如热力学和水力学特性) )、（4 4）化学特性）化学特性）化学特性）化学特性（4 4）光学特性（如反照率、透射率和吸收率）光学特性（如反照率、透射率和吸收率）光学特性（如反照率、透射率和吸收率）光学特性（如反照率、透射率和吸收率）（5 5）生理生化特性）生理生化特性）生理生化特性）生理生化特性( (如光合作
4、用与大气的辐射、温度、湿度如光合作用与大气的辐射、温度、湿度如光合作用与大气的辐射、温度、湿度如光合作用与大气的辐射、温度、湿度 及及及及co2co2浓度等的关系浓度等的关系浓度等的关系浓度等的关系) )等。等。等。等。l土土 壤壤 包括质地、结构特性包括质地、结构特性包括质地、结构特性包括质地、结构特性( ( ( (如孔隙度、颗粒大小如孔隙度、颗粒大小如孔隙度、颗粒大小如孔隙度、颗粒大小) ) ) )、物理特性、物理特性、物理特性、物理特性( ( ( (如热力学特性、水力学如热力学特性、水力学如热力学特性、水力学如热力学特性、水力学 特性特性特性特性) ) ) )和光学特性和光学特性和光学特
5、性和光学特性( ( ( (如反照率如反照率如反照率如反照率) ) ) )。水文过程水文过程水文过程水文过程：植被和土壤质地的性质和它们的分布外，还要给定地植被和土壤质地的性质和它们的分布外，还要给定地形及地貌特征形及地貌特征( (如高程、坡度和坡向、流域分布、河如高程、坡度和坡向、流域分布、河网水系网水系) )。这些特性的定性和定量确定既随不同下垫面的类型和这些特性的定性和定量确定既随不同下垫面的类型和性质而变，也随时间和空间而受，同时，还受空间非性质而变，也随时间和空间而受，同时，还受空间非均匀性和变异度的影响；从现有的知识水平以及已掌均匀性和变异度的影响；从现有的知识水平以及已掌握的资料和
6、信息来看，它们中很多还带有很大的不确握的资料和信息来看，它们中很多还带有很大的不确定性，这给陆气相互作用研究带来很大的困难。定性，这给陆气相互作用研究带来很大的困难。陆气相互作用示意图陆气相互作用示意图陆气相互作用示意图陆气相互作用示意图（1 1）热力过程）热力过程）热力过程）热力过程 （2 2）动量交换过程）动量交换过程）动量交换过程）动量交换过程（3 3）水文过程）水文过程）水文过程）水文过程（4 4）物质交换过程）物质交换过程）物质交换过程）物质交换过程（5 5 5 5）陆面过程和陆面状态的描述。）陆面过程和陆面状态的描述。）陆面过程和陆面状态的描述。）陆面过程和陆面状态的描述。一一 地
7、表辐射收支平衡地表辐射收支平衡太阳短波辐射太阳短波辐射太阳短波辐射太阳短波辐射地气长波辐射地气长波辐射地气长波辐射地气长波辐射地表辐射及能量平衡示意图地表辐射及能量平衡示意图地表辐射及能量平衡示意图地表辐射及能量平衡示意图E EininE EoutoutIE(internal energy)基本的能量平衡公式基本的能量平衡公式基本的能量平衡公式基本的能量平衡公式: :E EininDt = DIE + EDt = DIE + EoutoutDtDtl 地表能量平衡地表能量平衡地表能量平衡地表能量平衡某单一地表能量平衡过程某单一地表能量平衡过程某单一地表能量平衡过程某单一地表能量平衡过程: :R
8、sRsi i +RL +RLi i = = RsRsh h + RL + RLh h + H +lE + C + H +lE + Cp pDT + miscellaneousDT + miscellaneous其中其中 Rsi = 入射太阳短波辐射；入射太阳短波辐射； RLi = 向下的大气长波辐射向下的大气长波辐射 Rsh = 反射的短波辐射；反射的短波辐射； RLh = 向上的地表长波辐射向上的地表长波辐射 H = 感热通量；感热通量； l = 汽化潜热汽化潜热 E = 蒸发率；蒸发率； Cp = 地表热容地表热容 DT = 温度变化量温度变化量 miscellaneous =土壤冰冻过程
9、，生物化学过程以及降水对热量土壤冰冻过程，生物化学过程以及降水对热量 的存储过程等消耗的热量的存储过程等消耗的热量,等等等等. Rs Rs Rs Rs RLRL RL RL H lE H lE T TDiurnal Surface Radiation BudgetArya (2001)长波的测量长波的测量 RLl lPyrgeometerPyrgeometer Kipp and Zonen CG4Kipp and Zonen CG4l lRLRL depends on effective depends on effective atmospheric temperatureatmospher
10、ic temperaturel lEffective Blackbody Effective Blackbody TemperatureTemperature T Teffeff = (RL = (RL / /s s ) )1/41/4Kipp and Zonen CG4Kipp and Zonen CG4Eppley PIREppley PIR大气大气Rs diffuseRs directSun地面地面esT4Rsa or Rs净辐射净辐射净辐射净辐射 (R (RN N) = Rs) = RsN N + RL + RLN NRL (1-e)RL RL Other Net Radiometer
11、sKipp and Zonen NR Lite PyradiometerREBS PyradiometerSource: Campbell Scientific地表温度地表温度 T Ts s的测量的测量l lExtrapolate temperature profile Extrapolate temperature profile measurements near the surfacemeasurements near the surface Large errors, unless very windyLarge errors, unless very windyl lInfrared
12、 thermometer Infrared thermometer (remotely sensed)(remotely sensed)l lPyrgeometerPyrgeometer Then must know emissivity for surfaceThen must know emissivity for surfacel lFinewire thermocouple (in situ)Finewire thermocouple (in situ) Campbell Scientific FW3 is 0.003 in Campbell Scientific FW3 is 0.0
13、03 in diameter, FW1 is 0.001, FW05 is 0.0005 diameter, FW1 is 0.001, FW05 is 0.0005 Small sensors do not absorb as much solar Small sensors do not absorb as much solar radiationradiation地表能量收支平衡地表能量收支平衡l辐射收支方程l能量平衡方程 净辐射净辐射地表反地表反射太阳射太阳辐射辐射入射太入射太阳辐射阳辐射地表向地表向上长波上长波辐射辐射地表吸地表吸收大气收大气逆辐射逆辐射净辐射净辐射感热感热潜热潜热土
14、壤热土壤热通量通量地表储热地表储热下垫面能量平衡下垫面能量平衡 示意图示意图南京城市地表能量平衡示意 2006年夏季Measuring QGHGRNHHLMid NightHGRNHHLMid Day白天和夜间的能量平衡白天和夜间的能量平衡condensationevaporationThinboundaryl城市地表能量平衡 H + HL + HG + HS = Qf +RN Qf：人为热通量：人为热通量 交通，工业，居民生活等释放交通，工业，居民生活等释放 不同年份人为热日变化不同年份人为热日变化边界层研究的主要方法边界层研究的主要方法对地表能量平衡的影响对地表能量平衡的影响 2004 1980 2004 2004 1980 200419801980地表能量平衡日变化（地表能量平衡日变化（20042004年年8 8月月4 4日日8 8：00005 5日日8 8：0000）感热感热净辐射净辐射人为热人为热潜热潜热土壤热通量土壤热通量
