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1、陆地表层系统野外实验原理与方法陆地表层系统野外实验原理与方法第三讲第三讲 植被与大气间水热交换原理植被与大气间水热交换原理主要内容主要内容 地气交换理论与地表能量转换与物质循环地气交换理论与地表能量转换与物质循环 植被植被-大气间动量交换大气间动量交换 植被植被-大气间水热交换大气间水热交换p热量和质量传输基础理论热量和质量传输基础理论p植被植被-大气间的热量和质量传输大气间的热量和质量传输 能量平衡与水量平衡能量平衡与水量平衡热量和质量传输基础理论热量和质量传输基础理论基本传输方程基本传输方程1.Newtons law of viscosity for momentum transport2
2、.Ficks law for diffusive transport of material3.Fouriers law for heat transport4.Darcys law for fluid(water)flow in a porous medium(soil)dzdudzdDFjjjdzdTkHdzdKJw)(Dj:分子扩散率分子扩散率(m2s-1)k:传热率传热率(Wm-1K-1)为动量传输系数为动量传输系数(kg m-1s-1)K():导水率导水率热量和质量传输基础理论热量和质量传输基础理论Fick定律与物质扩散通量定律与物质扩散通量1.质量通量质量通量dzdDFjjjFj
3、质量通量密度质量通量密度(kg m-2 s-1)，Dj 为分子扩散率为分子扩散率(又称扩散系数又称扩散系数)(m2s-1)dj/dz 密度或浓度梯度密度或浓度梯度(kg m-4)2.摩尔通量摩尔通量dzdCDMFFjjjjjFj 为为摩尔通量密度摩尔通量密度(mol m-2s-1)为气体为气体(水汽，水汽，CO2等等)摩尔密度摩尔密度(mol m-3)dCj/dz 为摩尔浓度梯度为摩尔浓度梯度(m-1)Dj 分子扩散率，量纲不变分子扩散率，量纲不变热量和质量传输基础理论热量和质量传输基础理论Fourier定律与热量扩散通量定律与热量扩散通量Fourier定律定律dzdTkHH 热通量密度热通量
4、密度(Wm-2)dT/dz 温度梯度温度梯度(m-1)k 为传热率为传热率(Wm-1K-1)空气定容比热空气定容比热Cv：单位：单位体积空气温度升高体积空气温度升高1K所需要的热量所需要的热量pvcCTccpH指指“热浓度热浓度”，单位体积所含的热，单位体积所含的热量量dzdTDcdzdTDcdzdcDHHpHpHHDH=k/cp,为为热扩散率热扩散率,与质量扩散率有同样物理单位与质量扩散率有同样物理单位(m2s-1)cp空气定压比热空气定压比热(29.3 J mol-1-1,1005J kg-1-1),空气密度空气密度(1.204 kg m-3)空气摩尔密度空气摩尔密度(44.6 mol m
5、-3)热量和质量传输基础理论热量和质量传输基础理论Newton定律与动量扩散通量定律与动量扩散通量Newton定律定律dzdu 动量通量密度动量通量密度(Nm-2)du/dz 速度梯度速度梯度(s-1)为动量传输系数为动量传输系数(kg m-1s-1)dzduDMDM为为动量扩散率动量扩散率,与质量扩散率有同样物理单位与质量扩散率有同样物理单位(m2s-1)热量和质量传输基础理论热量和质量传输基础理论传输方程的阻抗模式传输方程的阻抗模式借用欧姆定律：电流电位差借用欧姆定律：电流电位差/电阻，应用于环境物理学中的传输方程电阻，应用于环境物理学中的传输方程resistancedifference
6、potentialdensityflux 将物质或能量的浓度比拟为电位，两个位置间的浓度差即为电压，物质或将物质或能量的浓度比拟为电位，两个位置间的浓度差即为电压，物质或能量的传输速率，即通量密度比拟为电流，则两个位置的通量传输密度等能量的传输速率，即通量密度比拟为电流，则两个位置的通量传输密度等于这两个位置的物质或能量的浓度差于这两个位置的物质或能量的浓度差(势差势差)与这两个位置间的传输阻力的与这两个位置间的传输阻力的比比jjajsjrCCFHasprTTcH)(Mruu)(12rj,rh,rm:传输阻力传输阻力(阻抗阻抗),单位单位:m2 s mol-1热量和质量传输基础理论热量和质量传
7、输基础理论阻抗与导度阻抗与导度:定义定义)(jajsjjjajsjCCgrCCF)()(aspHHaspTTcgrTTcH)()(1212uugruuMMrg1g为为导度导度(conductance,mol m-2s-1)r为为阻力阻力(阻抗阻抗,resistance),定义为物理量在两个位置之间的势差与物理定义为物理量在两个位置之间的势差与物理量在两个位置之间传输的通量密度之间的比，与导度互为倒数。量在两个位置之间传输的通量密度之间的比，与导度互为倒数。jjajsjFCCrHTTcraspH12uurM热量和质量传输基础理论热量和质量传输基础理论阻抗与导度阻抗与导度:单位换算单位换算jjaj
8、sjrCCFHasprTTcH)(Mruu)(12jjajsjrFHasprTTcH)(Mruu)(12rj,rh,rm单位单位:s m-1两种导度两种导度(阻抗阻抗)单位的换算：单位的换算：m s-1(s m-1)与与mol m-2s-1(mol m-2s-1)/(mol m-3)=m s-1将摩尔导度除以摩尔密度可以转换为将摩尔导度除以摩尔密度可以转换为m s-1的导度单位的导度单位rj,rh,rm:单位单位:m2 s mol-1热量和质量传输基础理论热量和质量传输基础理论阻抗与导度阻抗与导度:串联与并联串联与并联与欧姆定律相似，阻抗串联时，总的阻抗等于各个阻抗的和，当阻抗与欧姆定律相似，
9、阻抗串联时，总的阻抗等于各个阻抗的和，当阻抗并联时，总的阻抗为各个阻抗的倒数的和的倒数并联时，总的阻抗为各个阻抗的倒数的和的倒数串联串联:321rrrr3211111gggg并联并联:321gggg3211111rrrr热量和质量传输基础理论热量和质量传输基础理论阻抗模式与扩散方程的比较阻抗模式与扩散方程的比较扩散方程：扩散方程：D为描述物质扩散效率的常数，与扩散运动方式有关，与物为描述物质扩散效率的常数，与扩散运动方式有关，与物质浓度和扩散距离无关质浓度和扩散距离无关阻抗模式：将扩散过程归结为对扩散阻力的求解，扩散阻力与扩散运阻抗模式：将扩散过程归结为对扩散阻力的求解，扩散阻力与扩散运动方式
10、和扩散距离均有关系动方式和扩散距离均有关系dzdDFjjjdzdTDcHHpdzduDMjjajsjrFHasprTTcH)(Mruu)(12扩散方程转换成阻抗模式的三个假定：扩散方程转换成阻抗模式的三个假定：1.流动是一维的流动是一维的2.沿一维方向的通量是常量，即符沿一维方向的通量是常量，即符合常通量假定合常通量假定3.描述扩散过程的扩散方程在理论描述扩散过程的扩散方程在理论上成立上成立热量和质量传输基础理论热量和质量传输基础理论例子例子例：假设作物冠层表面温度为例：假设作物冠层表面温度为30，空气水汽压为，空气水汽压为1.0kPa，冠层的水汽导度，冠层的水汽导度为为1 molm-2s-1
11、，空气边界层导度为，空气边界层导度为0.5 molm-2s-1。求作物的水分损失速率，以。求作物的水分损失速率，以及水分损失所需要消耗的能量。及水分损失所需要消耗的能量。解：水汽损失速率及水汽通量可以表述为：解：水汽损失速率及水汽通量可以表述为：)(vavsvCCgECvs为冠层表面的水汽摩尔浓度，为冠层表面的水汽摩尔浓度，Cva为空气实际水为空气实际水汽摩尔浓度，汽摩尔浓度，Cvs可认为是饱和状态可认为是饱和状态)/(0099.0)/(042.0)C30(0molmolPeCmolmolPeCaavaasvs总水汽扩散导度总水汽扩散导度gv是由冠层水汽导度是由冠层水汽导度gvs和空气边界和空
12、气边界层水汽导度层水汽导度gva串连而得串连而得)(33.011112smolmgggvavsv则水汽扩散速率为：则水汽扩散速率为：)(0107.0)0099.0042.0(33.012smolmE换算成质量损失：换算成质量损失：)(1092.1)(1092.1)(018.0)(0107.014124112mmsskgmkgmolsmolmE所消耗的能量：所消耗的能量：)(471)(0107.0)(440002121WmsmolmJmolE热量和质量传输基础理论热量和质量传输基础理论例子例子例：假设在某一实验室的实验桌上放有一新鲜马铃薯，例：假设在某一实验室的实验桌上放有一新鲜马铃薯，12小时
13、后该马铃薯因小时后该马铃薯因蒸发损失了蒸发损失了3g水分，马铃薯的表面温度和实验室空气温度均为水分，马铃薯的表面温度和实验室空气温度均为22，空气相，空气相对湿度为对湿度为0.53，马铃薯表面积为，马铃薯表面积为310cm2，求马铃薯水汽蒸发的导度。，求马铃薯水汽蒸发的导度。解：马铃薯的水汽导度解：马铃薯的水汽导度gv可以表述为：可以表述为：vavsvCCEg求蒸发速率：求蒸发速率：)/(000124.010000310)/(181360012)(32smmolgmolgE求水汽摩尔浓度：求水汽摩尔浓度：vsvasvsCCPaeC53.0)C22(0则水汽导度为：则水汽导度为：)/(3.100
14、12.0000124.02smmmolgv热量和质量传输基础理论热量和质量传输基础理论例子例子例：温暖湿润的空气流经雪的表面时，雪由于吸收空气的热量而得以快速融例：温暖湿润的空气流经雪的表面时，雪由于吸收空气的热量而得以快速融化。空气传给雪的热量包括潜热（水汽蒸发所需要的热量）和感热（温度差化。空气传给雪的热量包括潜热（水汽蒸发所需要的热量）和感热（温度差直接传递的热量）。假定空气与雪接触面边界层导度为直接传递的热量）。假定空气与雪接触面边界层导度为1molm-2s-1，饱和空气，饱和空气温度为温度为5，分别求出雪接收的感热通量和潜热通量。，分别求出雪接收的感热通量和潜热通量。解：感热通量为：
15、解：感热通量为：)(147)C5C0()/(1)C/(3.29)(20020WmsmmolmolJTTgCHasp潜热通量为：潜热通量为：)(114)(2WmCCgEvavs其中：其中：asvaasvsPeCPeC)C5()C0(00植被植被-大气间热量和物质交换大气间热量和物质交换p 热量交换的几种形式热量交换的几种形式 (Forms of heat transport)p 植物群落大气间热量物质交换的阻力构成植物群落大气间热量物质交换的阻力构成 (Conductances in heat and mass transport in plant air system)p 分子扩散阻抗分子扩散
16、阻抗 (Conductances for molecular diffusion)p 湍流输送与空气动力学阻抗湍流输送与空气动力学阻抗 (Conductances for turbulent transport)p 叶片气孔阻抗叶片气孔阻抗 (Leaf stomatal Conductances)内容内容传导传热传导传热对流传热对流传热辐射传热辐射传热产生的产生的条件条件物体的各个部分没物体的各个部分没有相对位移，或不有相对位移，或不同的物体直接接触同的物体直接接触要单纯的流体运动要单纯的流体运动或流体与固体直接或流体与固体直接接触，或流体和固接触，或流体和固体相对运动体相对运动物体具有一定的温度，物体具有一定的温度，不需要介质，可以发不需要介质，可以发生在不相接触的任何生在不相接触的任何物体间物体间机理机理分子、原子等基本分子、原子等基本粒子的热运动形成粒子的热运动形成物体的内能，使温物体的内能，使温度不同度不同流体的分子或微团流体的分子或微团的运动形成的的运动形成的物体由内能转化为电物体由内能转化为电磁波，到达接收面再磁波，到达接收面再转化为内能转化为内能对物体对物体相态的相态的要
