一种覆膜混合冠层农田水热传输综合模型构建方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种覆膜混合冠层农田水热传输综合模型构建方法及系统，本发明专利技术基于能量平衡理论和湍流传输理论，结合农业生产实践，充分考虑农田地表覆膜和套种对于农田水热传输过程的影响，创造性地提出了覆膜混合冠层农田水热传输综合模型

【技术实现步骤摘要】
一种覆膜混合冠层农田水热传输综合模型构建方法及系统


[0001]本专利技术涉及微气象学与植物生理学
，尤其涉及一种覆膜混合冠层农田水热传输综合模型构建方法及系统
。

技术介绍

[0002]农田覆膜因可显著节水保熵，在我国干旱区得到大面积推广应用
。
但农田覆膜显著改变了地表阻力，极大地减少了土壤蒸发，改变了地表反射率，进而改变地表的水热传输过程，并对区域气候产生重要影响
。
近年来基于不同作物对光和水分的响应特性的了解，为充分发挥不同作物对光和水分的响应能力，间作
、
套种技术亦得以大面积推广应用，间作或套种农田植株冠层蒸腾构成由一种作物变成了多种作物，使得农田水热传输过程更具复杂性
。
现有研究表明：
(1)
有关植被覆盖地表的水热传输模型的模拟研究已有较多，但对于覆膜条件下的土壤蒸发常作为零通量处理，这与实际不符；
(2)
传统的基于土壤
‑
植物
‑
大气连续体系统
(Soil
‑
plant
‑
atmosphere
‑
continuous system,SPAC)
建立的水热传输模型常将所有植被冠层作为一个整体来计算冠层蒸腾，从而忽略了下垫面往往存在多种植株混种情况下不同植物对光能和水分的利用情况存在差异，导致对水热传输各组分的估算误差偏大
。
建立能够准确描述覆膜混合冠层农田水热传输过程的模型，对于农业水资源高效利用和水资源管理，干旱区陆面过程模拟模拟和区域气候变化具有重要意义
。

技术实现思路

[0003]本专利技术以能量平衡为框架，采用覆膜农田地表反射率模型来描述覆膜对短波辐射传输过程的影响，引入覆膜土壤发射率
/
吸收率考虑覆膜对于长波辐射传输过程的影响，引入覆膜比例因子
f
m
和覆膜阻力系数考虑覆膜对土壤蒸发这一水热传输过程的影响；在上述基础上，引入混合冠层能量截获比例因子
I
i
C
i
来考虑混合冠层农田中不同冠层的能量分配过程
。
[0004]基于上述问题，本专利技术采用如下技术方案：一种覆膜混合冠层农田水热传输综合模型构建方法，其包括如下步骤：
[0005]步骤
1.
建立覆膜混合冠层农田整体及各组分即各混合冠层，裸土和覆膜土壤的能量平衡方程；
[0006]步骤
2.
计算覆膜混合冠层农田整体及各组分即各混合冠层，裸土和覆膜土壤的潜热通量；
[0007]步骤
3.
计算覆膜混合冠层农田整体及各组分即各混合冠层，裸土和覆膜土壤的感热通量；
[0008]步骤
4.
计算覆膜混合冠层农田整体及各组分即各混合冠层，裸土和覆膜土壤的净辐射通量；
[0009]步骤
5.
计算覆膜混合冠层农田整体及各组分即裸土和覆膜土壤的土壤热通量的计算方法；
[0010]步骤
6.
将能量平衡方程与土壤水热传输过程耦合，建立覆膜混合冠层农田水热传输过程综合模型，确定模型参数并对综合模型进行求解
。
[0011]进一步地，对于覆膜农田总体而言，其能量平衡方程为：
[0012]Rn
‑
λ
ET
‑
H
s
‑
G
s
＝0[0013]其中，
Rn、
λ
ET、H
s
和
G
s
分别为覆膜农田系统所获得净辐射通量
、
潜热通量
、
感热通量和土壤热通量，
W m
‑2；
[0014]对于有不同作物同时存在的混合冠层农田，则不同植株
i
冠层的能量平衡方程为：
[0015]Rn
ci
‑
λ
T
i
‑
H
ci
＝0[0016]覆膜土壤的能量平衡方程为：
[0017]Rn
ms
‑
λ
E
ms
‑
H
ms
‑
G
ms
＝0[0018]膜间裸土的能量平衡方程为：
[0019]Rn
bs
‑
λ
E
bs
‑
H
bs
‑
G
bs
＝0[0020]其中，
Rn
ci
，
λ
T
i
和
H
ci
分别为植株
i
的冠层净辐射通量
、
植株蒸腾潜热通量和植株感热通量，
W m
‑2；
Rn
bs
和
Rn
ms
分别为部分覆膜农田的膜间裸土以及覆膜土壤的净辐射通量，
W m
‑2；
λ
E
bs
和
λ
E
ms
分别为部分覆膜农田的膜间裸土以及覆膜土壤的蒸发潜热通量，
W m
‑2；
G
bs
和
G
ms
分别为部分覆膜农田的膜间裸土以及覆膜土壤的土壤热通量，
W m
‑2；
H
Ts
和
H
ms
分别为部分覆膜农田的膜间裸土以及覆膜土壤的感热通量，
W m
‑2。
[0021]进一步地，对于覆膜农田总体而言其能量平衡方程中的
Rn、
λ
ET、H
s
和
G
s
又各自分为以下组分：
[0022]整体净辐射通量
Rn
及其各组分：
[0023][0024]整体潜热通量
λ
ET
及其各组分：
[0025][0026]整体感热通量
H
s
及其组分：
[0027][0028]整体土壤热通量
G
s
及其组分：
[0029]G
s
＝
(1
‑
f
m
)G
bs
+f
m
G
ms
[0030]其中，
I
i
C
i
为第
i
种作物冠层的混合冠层光能截获因子；
f
m
为覆膜土壤占农田总面积的比例；
H
i
为第
i
种冠层的潜热通量
。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种覆膜混合冠层农田水热传输综合模型构建方法，其特征在于，其包括如下步骤：步骤
1.
建立覆膜混合冠层农田整体及各组分即各混合冠层，裸土和覆膜土壤的能量平衡方程；步骤
2.
计算覆膜混合冠层农田整体及各组分即各混合冠层，裸土和覆膜土壤的潜热通量；步骤
3.
计算覆膜混合冠层农田整体及各组分即各混合冠层，裸土和覆膜土壤的感热通量；步骤
4.
计算覆膜混合冠层农田整体及各组分即各混合冠层，裸土和覆膜土壤的净辐射通量；步骤
5.
计算覆膜混合冠层农田整体及各组分即裸土和覆膜土壤的土壤热通量的计算方法；步骤
6.
将能量平衡方程与土壤水热传输过程耦合，建立覆膜混合冠层农田水热传输过程综合模型，确定模型参数并对综合模型进行求解
。2.
根据权利要求1所述的一种覆膜混合冠层农田水热传输综合模型构建方法，其特征在于，对于覆膜农田总体而言，其能量平衡方程为：
Rn
‑
λ
ET
‑
H
s
‑
G
s
＝0其中，
Rn、
λ
ET、H
s
和
G
s
分别为覆膜农田系统所获得净辐射通量
、
潜热通量
、
感热通量和土壤热通量，
W m
‑2；对于有不同作物同时存在的混合冠层农田，则不同植株
i
冠层的能量平衡方程为：
Rn
ci
‑
λ
T
i
‑
H
ci
＝0覆膜土壤的能量平衡方程为：
Rn
ms
‑
λ
E
ms
‑
H
ms
‑
G
ms
＝0膜间裸土的能量平衡方程为：
Rn
bs
‑
λ
E
bs
‑
H
bs
‑
G
bs
＝0其中，
Rn
ci
，
λ
T
i
和
H
ci
分别为植株
i
的冠层净辐射通量
、
植株蒸腾潜热通量和植株感热通量，
W m
‑2；
Rn
bs
和
Rn
ms
分别为部分覆膜农田的膜间裸土以及覆膜土壤的净辐射通量，
W m
‑2；
λ
E
bs
和
λ
E
ms
分别为部分覆膜农田的膜间裸土以及覆膜土壤的蒸发潜热通量，
W m
‑2；
G
bs
和
G
ms
分别为部分覆膜农田的膜间裸土以及覆膜土壤的土壤热通量，
W m
‑2；
H
bs
和
H
ms
分别为部分覆膜农田的膜间裸土以及覆膜土壤的感热通量，
W m
‑2。3.
根据权利要求2所述的一种覆膜混合冠层农田水热传输综合模型构建方法，其特征在于：对于覆膜农田总体而言其能量平衡方程中的
Rn、
λ
ET、H
s
和
G
s
又各自分为以下组分：整体净辐射通量
Rn
及其各组分：整体潜热通量
λ
ET
及其各组分：整体感热通量
H
s
及其组分：
整体土壤热通量
G
s
及其组分：
G
s
＝
(1
‑
f
m
)G
bs
+f
m
G
ms
其中，
I
i
C
i
为第
i
种作物冠层的混合冠层光能截获因子；
f
m
为覆膜土壤占农田总面积的比例；
H
i
为第
i
种冠层的潜热通量
。4.
根据权利要求2所述的一种覆膜混合冠层农田水热传输综合模型构建方法，其特征在于：所述步骤2中，覆膜农田植株
i
蒸腾潜热
λ
T
i
，膜间裸土蒸发潜热
λ
E
bs
以及覆膜土壤蒸发潜热
λ
E
ms
分别采用下式计算：用下式计算：用下式计算：
e(T
ci
)
*
‑
e
r
≈
Δ
(T
ci
‑
T
r
)+VPD
r
e(T
bs
)
*
‑
e
r
≈
Δ
(T
bs
‑
T
r
)+VPD
r
e(T
ms
)
*
‑
e
r
≈
Δ
(T
ms
‑
T
r
)+VPD
r
式中，
ρ
a
为空气密度，
kg m
‑3；
C
p
为空气定压比热容，
J kg
‑1℃
‑1；
γ
为湿度计常数，
KPa℃
‑1；
T
ci
分别为植株
i
冠层温度，
℃
；
T
bs
和
T
ms
分别为膜间裸土处和覆膜土壤处的表层土壤温度，
℃
；
e(T
ci
)
*
、e(T
bs
)
*
和
e(T
ms
)
*
分别为温度在
T
ci
、T
bs
和
T
ms
时的饱和水汽压，
Kpa
；
e
r
为通量观测参考高度温度下的实际水汽压；
Δ
为饱和水汽压斜率，
Kpa℃
‑1；
VPD
r
为通量观测参照高度的饱和水汽压差，
Kpa
；为植株
i
叶片到通量观测参考高度空气动力学阻力，
m
‑1s
；为植株
i
的冠层阻力，
m
‑1s
；为空气动力学阻力
m
‑1s
；为总体平均冠层叶片到通量观测高度空气动力学阻力，
m
‑1s
；为土壤阻力，
m
‑1s
；为覆膜阻力
m
‑1s
，
T
r
为观测高度的空气温度
。5.
根据权利要求4所述的一种覆膜混合冠层农田水热传输综合模型构建方法，其特征在于：所述步骤3中，覆膜农田植株
i
感热通量
H
ci
膜间裸土感热通量
H
bs
以及覆膜土壤感热通量
H
ms
分别采用下式计算：分别采用下式计算：分别采用下式计算：
6.
根据权利要求2所述的一种覆膜混合冠层农田水热传输综合模型构建方法，其特征在于：所述步骤4中各混合冠层
、
裸土和覆膜土壤的净辐射通量包括净短波辐射通量
RnS
和净长波辐射通量
RnL
；其中，覆膜农田植株
i
净短波辐射通量
RnS
ci
，膜间裸土净短波辐射通量
RnS
ms
以及覆膜土壤净短波辐射通量
RnS
bs
分别为：
RnS
ci
＝<...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦淑静，程磊，李思恩，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：