一种考虑陆气耦合作用的地表蒸散发估算方法与流程

本发明属于地表蒸散发估算领域，尤其涉及一种考虑陆气耦合作用的地表蒸散发估算方法。

背景技术：

1、蒸散发是陆-气系统水和能量循环的关键过程，也是气象水文模拟和作物需水预测的关键指标。探究陆气相互作用下地表蒸散发变化机理对于提升地表蒸散发量估算精度、合理优化作物灌溉制度、精准指导农业需用水管理具有十分重要的意义。

2、地表蒸散发是指在陆面-近地大气系统内，受太阳辐射能量驱动，土壤植被表层和自由水面的水汽逃逸至自由大气的过程，包括水(陆)面蒸发、植被蒸腾和冠层截留。目前应用最为广泛的蒸散发估算模型主要基于penman理论。该理论假定大气边界层内水汽恒定，重点描述地表水分供应和近地大气状态对蒸散发过程的响应关系。通过对下垫面水分-能量-植被异质性特征的不同考虑，相继发展了单源、双源、多源以及稀疏植被蒸散发模型。然而，基于陆面视角的蒸散发模型对于大气状态变化对蒸散发过程的影响考虑的并不充分，实际蒸散发过程受陆气耦合作用协同调控。因此，对蒸散发过程机制的量化还需考虑边界层水热耦合的影响，特别是边界层发展产生的夹卷效应。

3、尽管大量研究已经报道了陆气耦合作用对区域蒸散发过程的影响，但少有以蒸散发为核心变量，提出量化陆气效应的直观且简洁的蒸散发表征函数。如今，边界层理论的深入发展为蒸发公式的重构提供了理论条件。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种考虑陆气耦合作用的地表蒸散发估算方法，解决了现有方法无法表征陆气耦合作用特别是大气边界层顶夹卷效应对地表蒸散发过程影响的问题，同时提出了贡献率表达式，量化了辐射项、陆面项、大气项和陆气耦合项对蒸散发过程的贡献。

2、为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种考虑陆气耦合作用的地表蒸散发估算方法，包括以下步骤：

3、s1、基于边界层水热传输理论，推导陆气耦合系统内温度和比湿与地表和大气边界层顶水热通量的函数关系，构建温度和比湿的时间连续性方程；

4、s2、基于温度和比湿的时间连续性方程，结合饱和水汽亏缺d与温度和比湿的关系，推导边界层内饱和水汽亏缺dr的时间连续性方程；

5、s3、构建边界层内饱和水汽亏缺dr的一阶非齐次常微分方程，并求解得到边界层内饱和水汽亏缺dr与夹卷层饱和水汽亏缺de、地表饱和水汽亏缺ds以及陆气耦合因子的关系；

6、s4、基于边界层内饱和水汽亏缺dr的时间连续性方程，推导地表蒸散发与边界层内饱和水汽亏缺dr的函数关系，并结合地表能量平衡方程和水汽传输方程以及步骤s3得到的关系，得到陆气耦合作用下的地表蒸散发表征方程；

7、s5、基于陆气耦合作用下的地表蒸散发表征方程，分别推导辐射项、地表项、大气项以及陆气耦合项对地表蒸散发贡献的方程，量化陆气耦合作用对蒸散发的影响大小。

8、进一步地，所述温度和比湿的时间连续性方程如下：

9、

10、其中，θr和qr分别表示边界层内部的位温和比湿，fh和fe分别表示地表感热通量和地表潜热能量，ρ表示边界层内部的空气密度，cp表示定压比热，h表示大气边界层高度，ge表示边界层顶部的平均流速，θe和qe分别表示夹卷层的位温和比湿，t表示时间段，λ表示汽化潜热。

11、再进一步地，所述边界层内饱和水汽亏缺dr的时间连续性方程如下：

12、

13、其中，t表示时间段，εa表示饱和比湿-位温曲线的斜率，fh和fe分别表示地表感热通量和地表潜热能量，ρ表示边界层内部的空气密度，h表示大气边界层高度，λ表示汽化潜热，ge表示边界层顶部的平均流速，cp表示定压比热，θe表示夹卷层的位温，θr表示边界层内部的位温，qe表示夹卷层的比湿，qr表示边界层内部的比湿。

14、再进一步地，所述边界层内饱和水汽亏缺dr与夹卷层饱和水汽亏缺de、地表饱和水汽亏缺ds以及陆气耦合因子的关系的表达式如下：

15、

16、ω＝ge/ga

17、

18、其中，ω表示陆气耦合强度，表示研究时间段t内的陆气耦合次数，d0表示大气边界层内初始饱和水汽亏缺，ge表示夹卷速率，ga表示地表传输速率，t0表示陆气耦合时长，t表示时间段。

19、再进一步地，所述地表蒸散发表征方程如下：

20、

21、rn＝fh+fe+g

22、其中，λet表示地表潜热通量，rn和g分别表示地表净辐射和土壤热通量，δt表示时间缩放因子，ρ表示边界层内的空气密度，λ表示汽化潜热，γ表示边界层内湿度计常数，ga表示地表传输速率，表示研究时段t内的陆气耦合次数，m表示陆气耦合综合指标，ω表示陆气耦合强度，fh和fe分别表示地表感热通量和地表潜热能量。

23、再进一步地，辐射项对地表蒸散发贡献的方程如下：

24、

25、λetrn＝δ(rn-g)/(δ+γ)

26、其中，crrn表示辐射项对地表蒸散发的贡献率，λ表示汽化潜热，λetrn表示影响蒸散发的辐射项，et表示地表蒸散发，rn表示地表净辐射，g表示土壤热通量，δt表示时间缩放因子，γ表示边界层内湿度计常数，ρ表示边界层内的空气密度，λ表示汽化潜热，ga表示地表传输速率，表示研究时段t内的陆气耦合次数，m表示陆气耦合综合指标，ω表示陆气耦合强度。

27、再进一步地，地表项对地表蒸散发贡献的方程如下：

28、

29、λetls＝-δtργλgads/(δ+γ)

30、其中，crls表示地表项对地表蒸散发的贡献率，λetls表示影响蒸散发的地表项。

31、再进一步地，大气项对地表蒸散发贡献的方程如下：

32、

33、

34、其中，crat表示大气项对地表蒸散发的贡献率，λetat表示影响蒸散发的大气项。

35、再进一步地，陆气耦合项对地表蒸散发贡献的方程如下：

36、

37、其中，crlac表示陆气耦合项对地表蒸散发的贡献率，λetlac表示陆气。

38、本发明的有益效果：

39、本发明通过考虑陆气耦合作用特别是大气边界层顶的夹卷效应对地表蒸散发过程的定量影响，有助于深入认识气候变化背景下地表蒸散发响应机理，提升蒸散发估算的科学性和精准性。提出辐射贡献率、陆面贡献率、大气贡献率和陆气耦合贡献率表达式，定量解析蒸散发变化归因，有助于精准识别其主控要素。对于科学认识气候变化加剧背景下的地表蒸散发过程机制具有重要理论意义，同时也为作物水分精准管理、水文循环精细模拟提供理论支撑，解决了现有方法无法表征陆气耦合作用特别是大气边界层顶夹卷效应对地表蒸散发过程影响的问题，同时提出了贡献率表达式，量化了辐射项、陆面项、大气项和陆气耦合项对蒸散发过程的贡献。

40、(1)现有地表蒸散发估算方法未能考虑陆气耦合作用对蒸散发过程的影响，本发明通过引入边界层水热传输理论，提出了陆气耦合作用下的地表蒸散发估算方法，提升了对蒸散发全过程机理的认知；

41、(2)现有地表蒸散发归因分析方法未考虑陆气耦合因子，可能导致蒸散发变化归因的不确定性，进而影响主控因子识别的精准性，本发明基于已构建的陆气耦合作用下的地表蒸散发估算方法，提出了陆气耦合贡献率表达式，定量表征了影响蒸散发变化的陆气耦合效应，提升了蒸散发变化归因分析的全面性；

42、(3)本发明能够揭示地表蒸散发全过程响应机制，识别影响地表蒸散发变化的陆气耦合效应，有助于提升对地表蒸散发过程的科学认知。