三温模型和基于阻抗蒸散发模型的整合与模拟分析

【目的】整合消除阻抗的三温模型和基于阻抗的双源模型,开展蒸散发(ET)和蒸腾(T)的模拟及对比分析,实现不同模型的融合与蒸散发的动态模拟。【方法】本研究基于已有的双源阻抗模型框架、干土壤和干叶片能量平衡,结合数值模拟技术模拟了参考温度的季节动态,并将其与三温模型整合开展蒸腾和土壤蒸发的模拟。【结果】与涡动实测值相比,三温模型和双源模型对大满站日尺度ET模拟,R^(2)分别为0.85和0.72,对温带草地站小时尺度ET模拟,R^(2)均为0.89。在小时尺度模拟效果更好。并且,三温模型和双源模型对植被蒸腾的估算结果较为一致(R^(2)分别为0.67、0.68)。以上研究表明该研究框架对三温模型中参考温度的估算,提供了理论方法支撑,较好地量化了参考温度的时空动态。(2)模型情景试验分析表明:两个模型对2个站点的ET和T的预测结果相似,前提是冠层可利用能量(如净辐射)和地面土壤可利用能量(如净辐射和地热通量)受到能量平衡的限制。相反,由于输入驱动因子(温度和辐射)在干湿情景下的系统不匹配,三温模型对T和ET的模拟精度显著下降。因此,在能量平衡的框架内,干湿土地条件下输入的温度和辐射系统匹配时,三温模型的效果更好。(3)参考温度具有一定的日变化与季节变动。【结论】在白天,叶片和土壤参考温度普遍高于实际温度,而在夜晚低于实际温度,呈现出较大的日变幅。就日均值而言,参考温度普遍高于实际模拟温度。本研究的结果提供了一种新的温度梯度计算方法,可用来监测冠层水分胁迫及动态。

基于“三温模型”的珍稀濒危荒漠植物半日花蒸腾速率研究

利用远红外热成像技术获取半日花叶温,并根据"三温模型"原理测定半日花的蒸腾速率,结果表明:在晴朗天气条件下,测定时间段内半日花蒸腾速率的日变化曲线呈"单峰型",且峰值出现在15:00,最低值出现在17:00;叶温在测定时间内均高于气温,叶温与气温差最大为9.58 K,最小为0.71 K;在半日花所测冠幅范围内,冠幅越大,其蒸腾速率越大,蒸腾扩散系数越小。样本中,最大冠幅半日花测定时间内的蒸腾速率均值最高,为9.42×10-6MJ m-2d-1,蒸腾扩散系数最低,为0.41;最小冠幅半日花测定时间内的蒸腾速率均值最低,为4.18×10-6MJ m-2d-1,蒸腾扩散系数最高,为0.76。试验测定结果与传统测定技术结果相比较表明:利用远红外热成像技术非接触无损伤测定半日花蒸腾速率具有可行性。

三温模型——基于表面温度测算蒸散和评价环境质量的方法Ⅳ.植被蒸腾扩散系数

作为蒸散量的测算和环境评价的一种方法，通过近年来对三温模型的研究，该文详细探讨了植被蒸腾扩散系数（hat），并通过实验验证了它在不同环境条件下的特性和应用前景。在该模型中，hat的表示式为hat=（Tc-Ta）／（Tp-Tc），式中Tc、Tp和Ta分别为冠层温度、没有蒸腾（蒸腾量为零）的冠层温度和气温。理论上，植被蒸腾扩散系数的取值范围为hat≤1，hat的取值范围可以决定植被蒸腾量的大小，该系数越小，蒸腾量越大。为了证明hat的这些特性，在1994—1999年的5年间，用3种作物（高粱（Sorghum bicolor），番茄（Lycopersicon esculentum）和甜瓜（Cucumis melo））进行了5次试验。实验结果表明：hat值与感热通量比率（H/Hp）的值近似相等，二者之间回归线的斜率接近为1，截距接近0，回归系数为r^2=0．70。此外，hat值不仅能较好地反映植物根系区的土壤水分状况、也能较好地反应天气状况。在缺水条件下，hat主要受根部区域的水分状况影响。所以，hat可作为作物水分亏缺的指标。当植被受到其它环境胁迫（污染、高温等）时，hat可作为评价环境质量的指标。植被蒸腾扩散系数的主要优点不仅是能很好地反映蒸腾过程和确定蒸腾量，而且容易测得，便于遥感应用。

三温模型——基于表面温度测算蒸散和评价环境质量的方法Ⅰ.土壤蒸发

三温模型是近年提出的测算蒸散量和评价环境质量的一种方法,因为该模型的核心是表面温度、参考表面温度、气温,所以被称为“三温模型”。该文通过理论分析结合实验的方法,讨论了用三温模型测算土壤蒸发量的方法及其验证。通过引入没有蒸发的参考土壤的概念,三温模型中用下式计算土壤蒸发量:LE=Rn-G-(Rnd-Gd)TTsds--TTaa式中,E为土壤蒸发量,L为水汽的汽化潜热,Rn和Rnd为蒸发土壤面和参考土壤面的净辐射,G和Gd为蒸发土壤和参考土壤热通量,Ts、Tsd、Ta分别为蒸发土壤的表面温度、参考土壤表面温度、气温。试验结果表明,在参考土壤和蒸发土壤中,能量通量存在明显差异,参考土壤中的土壤热通量和净辐射通量均小于蒸发土壤,而显热通量则大于蒸发土壤;在一般情况下,参考土壤的表面温度最高,蒸发土壤表面温度次之,大气温度最低,在土壤湿润时,这些差异更为显著。经过与大型称重式蒸渗仪的实测值比较,三温模型能较好地计算土壤蒸发量,在22d的实验期间内,绝对平均误差仅为0.17mm·d-1,相关系数达r2=0.88。与热电偶测温结果相比较,采用红外温度计测温的结果更为精确,和实测值的绝对平均误差仅为每天0.15mm·d-1,相关系数达r2=0.94,表明三温模型有较好的精度。另外,三温模型在计算土壤蒸发量时,所需要的参数种类少(净辐射、土壤热通量、温度),不含经验系数,不需要空气动力学阻抗和表面阻抗等参数,因此简便实用,具有较好的应用前景。

基于三温模型的盆栽柑橘蒸腾规律研究

为深入探究柑橘树冠层空间蒸腾特性及与茎干液流的对应关系,采用五点测温法,使用热成像仪拍摄柑橘树冠层五个方位的红外图像获取冠层温度及参考冠层温度,利用三温模型,将模型估算叶片蒸腾速率与实测茎流速率进行比较,并研究了柑橘树冠层不同方位的蒸腾变化规律。结果表明:柑橘树茎流速率与冠层叶片蒸腾速率日间变化曲线存在差异,决定系数(R2)为0.14,整体上,不同方位冠层温度与气温的日变化规律相近,柑橘树不同方位平均蒸腾速率大小分别为:东面>西面>北面>南面>顶面。上述结果表明:(1)柑橘树冠层蒸腾与茎干液流之间存在时滞效应,三温模型估算的叶片蒸腾速率不能实时反映树干液流的变化特征。(2)气温越高时,不同方位的冠层温度差异越显著。(3)柑橘树冠层空间蒸腾具有明显的空间差异性,揭示了柑橘树冠层蒸腾速率的空间变化规律。

基于三温模型和热红外遥感的不同大豆品种蒸腾特征研究

蒸腾耗水是水循环中重要的水分存在形式之一,是准确量化水分利用效率的关键参数,对研究碳水循环关系及节水农业有重要意义。本研究以大豆品种‘晋21’(J21)和‘Union’(C08)为研究对象,设置两种水分处理[当地经验灌水定额的75%(A0)和37.5%(A1)],基于三温模型(3T Model)和热红外遥感,定量研究不同品种和不同水分胁迫下的大豆蒸腾速率,揭示其时空特征差异,从而为抗旱节水大豆品种筛选提供参考。研究结果表明:1)不同处理下大豆的蒸腾速率日变化趋势与气温、太阳净辐射和冠层温度的基本一致,呈先增加后减小的单峰曲线,且于午间达到峰值,峰值为1.2~2.5 mm·h^-1;各处理的大豆冠层温度和蒸腾速率均呈现出明显的空间异质性。2)J21与C08大豆的冠层温度A0处理分别低于A1处理6.55 K和5.91 K,蒸腾速率A0处理高于A1处理0.28 mm·h^-1和0.29 mm·h^-1;大豆蒸腾速率与灌水量呈正相关、与冠层温度呈负相关。3)在相同水分胁迫下,大豆冠层温度J21低于C08 1.83~2.47 K,蒸腾速率J21高于C08 0.13~0.14 mm·h^-1。本研究与传统方法相比,所需要的参数较少,避开了空气动力学阻抗等难获取的参数,对农田尺度更具有适宜性,更能揭示不同农田环境下作物的蒸腾时空异质性,在农业水分高效利用和节水品种筛选上有十分重要的科学意义。

基于“三温模型”的风沙采煤沉陷区柠条锦鸡儿灌丛蒸腾特征研究

长期以来,由于条件限制,野外条件下观测荒漠植物蒸腾十分困难。以毛乌素沙地采煤沉陷区柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)灌丛为研究对象,尝试采用“三温模型+热红外遥感”方法观测柠条锦鸡儿灌丛蒸腾速率及其影响因素,为观测植物蒸腾作用提供可靠的手段和思路。结果表明:①气温(T_(a))、太阳辐射(R_(s))和风速(V_(s))随测定时间呈先升高后降低的变化趋势,且在13∶00达到最大值;相对空气湿度(R_(h))则与之相反。②观测期内,柠条锦鸡儿灌丛日最大蒸腾速率可达0.71 mm/h,日蒸腾量可达4.6 mm。③太阳辐射和风速是显著影响毛乌素采煤沉陷区柠条灌丛蒸腾速率的主要气象因子。与传统监测方法相比,利用“三温模型+热红外遥感”非接触式、无损伤性测定柠条蒸腾速率具有可行性,准确度较高。研究结果可为采煤沉陷区修复植被适宜树种的筛选及水分管理提供方法学借鉴,同时为矿山恢复治理效果快速评估提供了一种技术思路。

三温模型与MODIS影像反演蒸散发

提出三温模型结合MODIS数据反演区域蒸散发的方法,在内蒙古草原开展案例研究,以2008年植被生长季(7—10月)的波文比系统观测数据为标准,对该方法进行检验。结果表明:三温模型反演的蒸散发量,平均值、最大、最小值分别为4.58mm/d、9.03mm/d、1.28mm/d;蒸散发反演结果在空间上分布较均匀,与草原的均一性相吻合,在时间上蒸散发的数值先逐渐增大,8月后逐渐减小,与观测结果相一致;三温模型反演的蒸散发量与观测值之间的最小、最大绝对误差分别为0.11mm/d、1.64mm/d,平均绝对误差为0.58mm/d、平均相对误差为17.10%。三温模型在1km空间尺度的反演精度较理想。

基于三温模型的南宁市蒸散量估算及其影响因素

蒸散发是水文能量循环和气候系统的关键要素。研究蒸散发的时空变化特征及其响应气候、土地利用的变化规律,对理解城市流域水循环和生态过程效应具有重要意义。本研究基于三温模型和MODIS影像,估算并分析2001—2018年南宁市的蒸散量时空演变特征,并探讨了主要气候要素、土地利用类型对蒸散量的影响规律和驱动模式。结果表明:2001—2018年,南宁市年均蒸散量在495.7~781.1 mm,年际相对变化率为-22.5%~23.1%,整体呈上升趋势;区域蒸散量呈南北高、中间低的分布格局,市区蒸散量显著低于郊区。南宁市蒸散量与气候因子呈显著的复相关性,气温对蒸散量的影响大于降水,在郊区呈气温驱动型,而市区则存在多种驱动类型复合现象。南宁市各土地利用类型的平均蒸散量大小依次为:林地(823.4 mm)>草地(675.6 mm)>耕地(582.9 mm)>建设用地(346.6 mm)。土地利用类型的转变是导致区域蒸散量发生显著变化的主要下垫面因素。

不同参考温度取值对三温模型反演植被蒸腾精度的影响

参考温度的参数化过程一直是三温模型反演蒸散发及其蒸发、蒸腾组分的关键和难点。该研究基于典型城市草坪的波文比与热红外观测数据,对三温模型植被蒸腾子模型中涉及的输入变量进行敏感性分析和误差分析,确定对三温模型反演植被蒸腾精度最为关键的变量,而后量化和对比输入变量参数化方法对三温模型计算草坪蒸腾的影响,由此确定最佳的参考温度取值。结果表明:1)参考叶片温度选择为整个纸片温度的最大值时反演效果最好(R^(2)=0.91,均方根误差(RMSE)=0.078 mm·h;);2)采用植被冠层温度的最大值为参考温度时,直接假定了植被最高温度冠层蒸腾为0(实际存在一定的蒸腾速率),所以容易低估实际蒸腾量,造成三温模型反演精度略低于取值参考叶片温度最大值的方法,但反演效果仍然较好(R^(2)=0.87, RMSE=0.080 mm·h;)。因此,考虑到参考叶片设置的局限性,如果在实际应用中无法或者没有实际测量参考叶片温度时,使用植被最大温度为参考温度也可达到较好的反演效果。

模型结构与参数化差异对蒸散发估算的影响

基于2012年黑河绿洲HiWATER高密度通量观测数据,对比研究模型结构差异(单源Penman-Monteith/PM公式与双源PM公式、双源PM公式与双源三温模型)以及PM公式中阻抗参数化差异对蒸散发估算的影响。结果表明:1)与模型结构相对复杂的双源PM公式相比,单源PM公式计算的蒸散发平均相对误差(MAPE)为34%,略优于双源PM公式的40%;2)对于两种模型结构差异显著的双源模型,模型中不含阻抗参数的三温模型比模型中含阻抗参数的PM公式具有更高的估算精度,前者的MAPE为18%(R2=0.85),后者为40%(R2=0.34);3)两种单源和一种双源阻抗参数化方法导致PM公式计算的蒸散发出现不同程度的差异,MAPE可相差6%;4)使用先验知识/数据事前率定阻抗参数化方法,可显著地提高单源PM公式的计算精度(MAPE可降低22%),但随着模型结构与参数化复杂度增加,事前率定双源PM公式的阻抗参数化方法难以提高计算精度(MAPE仅减小0.8%)。

城市单株乔木三维冷岛效应特征及其蒸散贡献研究

通过对城市单株乔木蒸散发特征及其冷岛响应的三维观测和数值分析,定量解析植被冷岛效应的成因。研究结果表明:1)小叶榕各部位冷岛强度绝对值基本上在3.0°C以上,其中前部最强能达到‒5.19°C,顶部能达到‒3.57°C;2)早上,东侧(前部和右部)的叶片蒸散发率先升高,正午顶部蒸散发达最强,西边(左部,后部)的叶片蒸散发较晚达到峰值,夜间各部位的蒸腾量非常微弱,不超过0.05 mm/h;3)城市乔木整体的冷岛效应强度与其蒸散发的相关系数为0.70,显著性低于0.01,蒸散发每升高1 mm/h,整树可降低3.56°C,顶部的蒸散发对顶部的冷岛效应贡献最明显(Spearman相关系数为‒0.61),顶部、前部和右部的蒸散发对整树的冷岛效应贡献最大(相关系数绝对值均大于0.60),各部位蒸散发对整树冷岛效应贡献顺序为前部>顶部>右部>左部>后部>底部,即东侧和顶部>西侧>底部。

亚热带城市乡土树种小叶榕的蒸腾、降温及其减碳效益研究

基于蒸腾扩散系数,对几种亚热带城市典型植物的蒸腾降温潜力进行评估,并对小叶榕进行持续观测,定量地研究其蒸腾降温特征和节能减碳效益,得到如下结论。(1)在研究区域内的几种典型植被中,小叶榕作为乡土树种,在相同的环境条件下表现出最强的蒸腾降温潜力。(2)单株小叶榕的日均蒸腾水量为32.48 kg,总体上呈现夏秋高、春冬低的特点;同时,小叶榕能有效地缓解热岛效应,尤其是在热岛效应严重的夏季夜间,其蒸腾降温作用使得观测区域86%的时间为无热岛状态。(3)单株小叶榕每年通过蒸腾降温作用间接减少的二氧化碳排放量达到1442.10 kg。

一种移动端红外成像技术计算植物蒸散发的测定方法及应用

准确了解蒸散发对获取植物生理生态参数非常重要,但目前的蒸散发测量方法依赖于侵入式、固定式的仪器设备,尚缺乏较为方便的移动测量方法。本研究提出一种依赖于移动端设备,获取红外成像技术图片测量得到植物叶温值,随后根据"三温模型"原理测定得到植物蒸腾速率的方法。通过室内盆栽试验数据,研究结果基本验证了技术流程的可行性,且结果之间互为验证,说明该方法具有较好的应用前景。若开后期展大规模的应用和比较,可能获得较好的推广价值。本研究也可作为其他研究的理论参考和技术依据。

Kr喷气箍缩等离子体的数值研究

探讨了Z箍缩等离子体辐射磁流体模拟二维三温物理模型及其数值计算方法,针对"强光一号"加速器上Kr喷气实验的具体条件,利用辐射磁流体力学程序Zpinch2D DG模拟了Kr喷气等离子体聚爆过程,分析了X射线辐射的特点,给出了等离子体密度和温度的演化图像以及喷气箍缩中一些带有普遍性的结论。

采煤沉陷区生态修复树种蒸腾特征及能量收支

[目的]在改进蒸腾观测方法的基础上,对采煤沉陷区常见生态修复树种蒸腾特征及能量收支状况进行研究,为矿区生态修复工作中树种的选择和水分调控提供理论依据。[方法]选择采用“三温模型”+热红外遥感的方法在野外环境应用时的参考叶片类型,并对沙柳(Salix psammophila)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、柠条(Caragana korshinskii)3种植物的蒸腾特征进行测定,分析其蒸腾特征和蒸腾过程中的能量收支状况。[结果]①绿色卡纸可以在9:00—15:00时代替烘干植物叶片作为植物蒸腾测定时的参考叶片。②沙柳、沙棘、柠条的蒸腾速率日变化规律均为单峰曲线,最高瞬时蒸腾速率分别为0.57,0.61和0.71 mm/h,日蒸腾量分别为3.24,3.27和3.80 mm。③沙柳的h_(at)值(植物蒸腾扩散系数,用于评价植物水分亏缺状况)日变化规律为“单峰型”,柠条和沙棘则为“双峰型”,h_(at)日均值从大到小依次为:沙柳(0.18)>沙棘(0.11)>柠条(0.03)。④沙柳、柠条的显热通量(H)在15:00时小于0。[结论]沙柳、沙棘、柠条均可以通过冷岛效应向周围环境吸热用于蒸腾作用,降低环境温度。沙柳适合栽植于地势平坦,水分较为充足的地区。沙棘和柠条可以通过飞播的方式在人力难以到达和水分状况较差的地区进行生态修复。

基于无人机遥感的蒸散发测算--以龙华区重点发展片区为例

蒸散发是研究一个地区水量平衡、能量平衡、植被生理健康评价和水资源管理估算的重要参数。本研究基于三温模型,结合无人机遥感、Landsat 8、地面观测,获得了龙华区九龙山数字城、鹭湖中心城这2个重点发展片区的蒸散发年均值,并对结果进行分析,主要结论如下:1)从空间分布来看,龙华区重点发展片区蒸散发年均值空间异质性高,数值区间在0~1233 mm/a。2)九龙山数字城的年均蒸散发值要显著高于鹭湖中心城。九龙山数字城核心区年均蒸散发平均值约678 mm,鹭湖中心城核心区约443 mm。3)九龙山数字城的蒸散发年均值空间分布差异大于整个研究区域的平均值。九龙山数字城核心区的中部区域年均蒸散发平均值约984 mm,远高于研究区其他区域;九龙山数字城核心区和协调区交接处的年均蒸散发平均值约422 mm,与鹭湖中心城核心区年均蒸散发平均值接近。4)人类活动影响和植被大面积枯萎是造成鹭湖中心城核心区蒸散发值相对较低的主因。5)整个研究区域的年均蒸散发总量为5.52×10^(6)m^(3)。其中,林地的年均蒸散发总量最多,为3.27×106 m^(3),占研究区域总量的59.24%;园地、裸地、水域和草地年均蒸散发总量大致相同,在3.29×10^(5)~5.48×10^(5)m^(3);人工下垫面面积占研究区域的56.18%,年均蒸散发总量却只占研究区域的8.82%。6)研究区域的蒸散发总量的主要贡献植被类型是乔木绿地。7)本研究可为特定区域的生态系统服务功能评估和精细化生态资源管理提供基础数据支持。

飞秒激光精修面齿轮的扫描烧蚀特征控制

基于飞秒激光精修面齿轮时的能量累积效应,建立了光子-电子-晶格系统间耦合作用的三温传热模型,提出一种确定飞秒激光烧蚀齿面扫描路径间扫描间距的方法。仿真得出,能量密度为6.47 J/cm^(2)时,平衡温度3200 K超过材料的熔化温度,热累积效应明显。根据不同的扫描间距计算激光累积强度,以控制凹坑烧蚀深度和轮廓。实验结果显示,能量密度为6.47 J/cm^(2)时,随着扫描间距的减小,激光累积强度增大,齿面的烧蚀深度线性增大;扫描间距为25μm时的齿轮表面加工质量良好。

绿色屋顶蒸散发及其降温效果

植被的蒸散发潜热使得绿色屋顶具有明显的降温效果。但是,如何准确地观测绿色屋顶蒸散发量一直是蒸散发研究中的难点问题,这影响了绿色屋顶的降温机理研究和推广应用。为此,尝试利用热红外遥感+三温模型的方法,探讨亚热带城市深圳的绿色屋顶蒸散发量的定量观测及其降温效果。结果表明:在日变化方面,雨后4 d的日蒸腾量逐渐下降,分别为1.95、1.91、1.66、1.55 mm·d-1;相应的绿色屋顶表面温度逐渐上升,日平均温度分别为21.62、22.50、23.67、24.74℃,与参考叶片(无蒸腾叶片)表面温度的差值也逐渐缩小,分别为9.08、8.66、7.97、7.38℃;对屋顶气温(1 000 m^3空气柱)的降温效果也逐渐降低,分别为1.82、1.79、1.17、1.10℃。在夏季和冬季的晴天条件下,绿色屋顶的白天蒸腾速率的变化范围分别可达0.04~0.54 mm·h-1和0.03~0.09 mm·h-1;在夏季和冬季,绿色屋顶与大理石屋顶的表面温度差分别可达到4.54和4.35℃,与水泥屋顶的表面温度差可达到9.94、9.35℃。在夏季晴天条件下,绿色屋顶、大理石屋顶和水泥屋顶表面温度的日较差分别是10.30、14.80、20.70℃。这些结果表明,绿色屋顶不仅可以显著地降低屋顶的表面温度和周围气温,而且可以有效地减弱屋顶表面温度的变化幅度,对城市人居环境的调节具有积极意义。

飞秒激光烧蚀面齿轮材料的工艺参数影响研究

根据面齿轮材料18Cr2Ni4WA的飞秒激光扫描加工中的温度传递过程,建立了三温传热模型,并建立了扫描加工中的多脉冲能量累积模型。仿真分析了改变激光能量密度对烧蚀材料时电子晶格温度的变化,多脉冲加载下电子、晶格和材料表面最高温度的变化,以及改变扫描速度和扫描间距对加载能量的变化,结果表明随着能量密度的增大,电子最高温度从37000 K上升至44000 K、最终平衡温度从17000 K上升至22000 K。在多脉冲的加载下,随着能量密度的增大,电子最高温度也有一定程度的增大,并且材料表面最高温度的平衡温度也会增大,从2600 K上升至3250 K。随着扫描速度和扫描间距的增大,多脉冲累积能量有一定的减小,能量分布尺度在增大。试验分析了不同能量密度、扫描速度和扫描间距对飞秒激光烧蚀面齿轮材料的影响,并对烧蚀形貌进行了粗糙度分析,结果表明,当能量密度为4.34 J/cm^(2)、扫描速度为300 mm/s、扫描间距为18μm时,烧蚀形貌质量较好。该研究为提高飞秒激光扫描加工面齿轮材料的表面形貌质量提供了研究基础。