估算地表热通量和近地层土壤含水量的变分方法解析

地表水热通量研究进展
孙睿;刘昌明
【期刊名称】《应用生态学报》
【年(卷),期】2003(14)3
【摘要】介绍了当前国内外地表水热通量观测研究的进展及 3种不同类型的土壤植被大气传输模型(SVAT) :单层模型、双层模型和多层模型 .遥感手段常用于监测大面积地表水热通量 .基于地表能量平衡方程 ,现已建立了许多遥感模型以估算水热通量 (如简化模型、单层模型、附加阻抗模型、作物缺水指数模型和二源阻抗模型等 ) 。

【总页数】5页(P434-438)
【关键词】遥感;土壤-植被-大气传输;显热通量;潜热通量;蒸散
【作者】孙睿;刘昌明
【作者单位】北京师范大学资源与环境科学系遥感与GIS研究中心;中国科学院地理科学与资源研究所
【正文语种】中文
【中图分类】P426.2;TP79
【相关文献】
1.集合卡尔曼滤波同化估算地表水热通量的研究 [J], 刘翔舸;王鹏新;唐伯惠;黄健熙;陶欣
2.同化MODIS表观热惯量数据对地表水热通量的估算 [J], 王涵;孟杨繁宇;徐同仁;
刘绍民;谢先红;徐自为;朱忠礼;
3.同化 MODIS 表观热惯量数据对地表水热通量的估算 [J], 王涵;孟杨繁宇;徐同仁;刘绍民;谢先红;徐自为;朱忠礼
4.基于GOES数据和弱约束变分的地表水热通量估算 [J], 刘翔舸;黄健熙;秦军;王鹏新;徐同仁
5.喀斯特城市地表水热通量的时空变化研究 [J], 王修信;汤谷云;罗涟玲;孙涛;朱启疆
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不同土壤类型的热通量变化特征热通量是描述土壤热平衡的重要参数，其变化特征对土壤水热耦合过程、气候变化和农业生产等具有重要的影响。

本文将探讨不同土壤类型的热通量变化特征。

一、热通量的定义和计算方法热通量是指单位时间内通过单位面积的热量通量，通常以热流密度（W/m²）表示。

在土壤中，热通量是指土壤中单位时间内通过单位面积的热量通量，可表示为：H = λ(∂T/∂z)其中，H为热通量，λ为土壤热导率，∂T/∂z为土壤温度梯度。

热通量的正负表示热量的流向，正值表示热量向上流动，负值表示热量向下流动。

湿地土壤表面水分的蒸发作用对热通量分布产生很大的影响。

湿地土壤热通量比干燥土壤高，因为湿地土壤表面水分的蒸发作用使土壤表面温度降低，导致温度梯度增大。

另外，在陆地生态系统中，湿地土壤热通量的年变化较小，因为湿地土壤平均温度波动范围较小。

森林土壤的热通量主要受到植被因素和土壤温度的影响。

由于森林土壤表层常常被厚厚的枯叶覆盖物覆盖，所以森林土壤热通量较小。

同时，植被对太阳辐射的吸收和反射作用影响了森林土壤表面的热通量分布。

农田土壤的热通量受到种植作物类型、土壤水分状况、土壤类型等多种因素的影响。

种植不同作物的农田土壤热通量变化特征不同，例如小麦田和玉米田的农田土壤热通量分布存在差异。

农田土壤热通量随着土壤湿度的增加而增加，但是当土壤湿度超过一定范围，热通量反而会下降。

草原是世界上最大的生态系统之一，草原土壤热通量变化特征独特。

草原植被的类型和覆盖度对草原土壤热通量具有重要的影响。

草原土壤热通量随着草原植被覆盖度的增加而降低，因为植被的覆盖会导致太阳辐射的吸收和反射分布不均。

三、结论不同土壤类型的热通量变化特征不同，热通量的变化受到多种因素的影响。

例如，湿地土壤的热通量比干燥土壤高，森林土壤的热通量较小，农田土壤的热通量受到水分和作物类型的影响，草原土壤热通量受到植被类型和覆盖度的影响。

了解不同土壤类型的热通量变化特征，可以更好地研究土壤水热耦合过程、气候变化和农业生产等问题。

土壤热通量和潜热通量土壤热通量和潜热通量是研究土壤热力学和水文过程中重要的参数。

本文将从定义、计算方法、影响因素以及应用等方面对土壤热通量和潜热通量进行详细介绍。

一、土壤热通量的定义和计算方法土壤热通量是指单位时间内通过单位面积土壤表面的热量的流动，通常用热通量的正负来表示热量的流入或流出。

土壤热通量的计算方法可以通过测量土壤表面的温度梯度和热导率来推导。

一般来说，土壤热通量的计算公式如下：土壤热通量 = -λ * ∂T/∂z其中，λ为土壤的热导率，∂T/∂z为土壤温度梯度。

二、潜热通量的定义和计算方法潜热通量是指单位时间内通过单位面积土壤表面的水汽的潜热的流动，通常用潜热通量的正负来表示水汽的凝结或蒸发。

潜热通量的计算方法可以通过测量土壤表面的蒸发速率和水汽的潜热来推导。

一般来说，潜热通量的计算公式如下：潜热通量= ρ * Lv * Evap其中，ρ为空气的密度，Lv为水汽的潜热，Evap为土壤表面的蒸发速率。

土壤热通量和潜热通量受多种因素的影响，包括气象条件、土壤性质、植被覆盖和土壤水分等。

气象条件是影响土壤热通量和潜热通量的主要因素之一，包括太阳辐射、气温、风速和相对湿度等。

土壤性质也会对土壤热通量和潜热通量产生影响，如土壤的热导率和水分持水能力。

植被覆盖可以影响土壤热通量和潜热通量的分布，不同类型的植被会对热量和水汽的传输产生不同的影响。

土壤水分是影响潜热通量的重要因素，土壤水分的不同会导致土壤蒸发速率的差异。

四、土壤热通量和潜热通量的应用土壤热通量和潜热通量在农业、水资源管理和气候变化研究等领域具有重要意义。

在农业方面，研究土壤热通量和潜热通量可以帮助合理安排灌溉和施肥，提高农作物的生产力。

在水资源管理方面，了解土壤热通量和潜热通量的分布和变化可以帮助合理利用水资源，降低水资源的浪费。

在气候变化研究方面，土壤热通量和潜热通量是地气相互作用的重要参数，研究其变化可以帮助理解和预测气候变化。

改进的表观热惯量法反演土壤含水量吴黎;张有智;解文欢;李岩;杨树聪【摘要】Soil water content is an important indicator for monitoring agricultural drought. The thermal inertia method is one of the primary means for agricultural drought assessment in low vegetation cover. This study proposes an improved calculation of the thermal inertia model. With Agricultural Ecosystem Experimental Station of Chinese Academy of Sciences in Luancheng as a base, the authors measured the thermal inertia values with different vegetation covers and different soil water content concentrations in the experimental zone by measuring model parameters and on the apparent thermal inertia model. The purpose is to find whether the thermal inertia method is applicable to the inversion of the soil water content (NDVI threshold value). The validation results show that the monitoring of soil water content of the model is feasible with high precision when the vegetation cover is low (NDVI ≤0.35). In high vegetation cover area (NDVI >0. 35) , the thermal inertia model fails, and hence the maximum thermal inertia approach to soil water content retrieval vegetation cover (NDVI) is set at 0. 35. This method was applied to MODIS data obtained from Luancheng county, Zhaoxian county and Gaocheng city in the study area, and inversion of the area of soil water content was conducted. The results are consistent with the actual situation. Point artificial ground monitoring of soil water content yielded water content 25. 1% , and the Luancheng station model calculations yielded22.4% , suggesting good consistency. It is shown that the method has been applied well in the remote sensing data.%提出一种改进的表观热惯量计算模型,以中科院栾城农业生态系统试验站为基地,通过实测的模型参数,利用提出的表观热惯量模型计算不同植被覆盖下、不同实验区土壤含水量的热惯量值,并与土壤含水量进行相关性分析,以找到热惯量方法可以用来反演土壤含水量的适用条件(归一化植被指数NDVI的阈值).实验结果表明,该模型监测土壤含水量是可行的,在植被覆盖度较低的情况下(NDVI≤O.35)具有较高的精度,在植被覆盖度较高(NDVI ＞0.35)时,热惯量模型失效,因此用热惯量方法反演土壤含水量植被覆盖时将NDVI 阈值的最大值设为0.35.将该方法应用到MODIS数据中,以河北省栾城县、赵县、藁城市3市县为研究区,分别反演该区土壤含水量,反演结果与实际情况相符合.实地取点人工监测土壤含水量为25.1％,栾城站模型计算结果为22.4％,匹配性较好,该方法在遥感数据中得到了很好的应用.【期刊名称】《国土资源遥感》【年(卷),期】2013(025)001【总页数】6页(P44-49)【关键词】热惯量;土壤含水量;MODIS;NDVI【作者】吴黎;张有智;解文欢;李岩;杨树聪【作者单位】中国科学院研究生院,北京 100049【正文语种】中文【中图分类】TP790 引言土壤含水量的变化对土壤温度、农业墒情都会产生很大的影响，用土壤含水量来监测农业旱情是十分必要的。

估算地表热通量和近地层土壤含水量的变分方法
张述文1邱崇践 1张卫东2
1 兰州大学大气科学学院甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，兰州， 730000
2 兰州大学核科学与技术学院，兰州， 730000
摘要
提出一种反演地表感热通量、潜热通量和近地层土壤含水量的变分方法，该方法把不同高度上的风速、位温以及湿度梯度的观测资料与Monin Obukhov相似理论计算值的偏差、土壤水分蒸发参数化方案估算的蒸发潜热与由相似理论导出值的偏差在地表能量平衡的约束下融合到一个目标泛函数中，采用最优化算法寻求问题的解。

利用2001年6月中国暴雨试验与研究项目在安徽肥西观测资料进行了数值验证，结果表明：该方法估算的通量值与Bowen比法具有很好的相关性且又能克服当Bowen比等于-1时计算通量出现的不稳定；同时能克服用廓线法求解热通量与地表能量平衡条件有较大出入的缺点。

对观测误差的敏感性试验也表明变分方法是3类方法中最稳定的。

反演的近地层土壤含水量对降水具有很好的响应并与观测的0—15 cm深度上平均土壤湿度的变化趋势具有很好的一致性，其绝对偏差小于0.03 m3/m3。

关键词：土壤含水量，感热通量，潜热通量，变分方法。

初稿时间：2006年1月13日；修改稿时间：2006年4月20日。

资助课题：国家自然科学基金项目（40475012），国家重点基础研究发展规划项目(2001CB309404)。

作者简介：张述文，主要从事陆面过程及数据同化方法研究。

Email: zhangsw@。

土壤含水量空间变异性的频域分析方法作者：杨卫中王一鸣李保国摘要：基于频域法分析理论原理，给出了基于二维信号采样与重建的频域法插值公式，对土壤特性的空间变异性进行表征。

对一块麦田采用20m×20m的网格进行土壤含水量采样，利用频域法对15×15个采样值进行分析，结果表明含水量分布的有效带宽为0.01，说明空间变异主要由周期大于100m的频率分量组成；通过改变采样间距的"重采样"方法，从原始采样数据中抽取采样间隔为40m×40m和60m×60m样本数为8×8和5×5的两组数据，分别用频域法和Kriging法插值。

比较两种插值结果的分布图和统计特征值，结果显示Kriging法平滑效应明显而频域法插值能更好的表现空间变异性，二者的插值精度基本相同，因此频域法优于Kriging插值。

关键词：频域法；空间变异；地统计学；有效带宽；土壤含水量；Kriging中图分类号：S126；S152.7文献标识码：A文章编号：0559-9350(2011)05-0580-08 Frequency-domain analysis of spatial variability of soil properties YANG Wei-zhong，WANG Yi-ming，LI Bao-guo Abstract：Frequency-domain analysis was employed in investigating the spatial distribution of soil properties.The concept of effective bandwidth was presented to express the spatial variability of soil properties quantitatively.Frequency-domain method interpolation formula based on the theory of two-dimensional signal sampling and reconstruction was presented.A measurement of soil moisture sampling value in awheat field under20m×20m sampling grid was carried out，and the frequency-domain method was used to analyze the 15×15 soil moisture sampling value.The results show that the effective bandwidth of the wheat field equal to 0.01，it means that the spatial distribution of soil moisture is mainly composed of the frequency components in the period of more than 100m.Then，re-sampling technique was employed in the original sampling data with changing samplin ginterval to 40m×40m and 60m×60m to extract two data sub-sets of 8×8 and 5×5.The sub-sets were used in frequency-domain interpolation and Kriging interp parison of the soil moisture distribution profile and statistical characteristics of twointerpolation method shows that the smoothing effect of Kriging method cover up some detail of the spatial variability，two methods are basically the same in interpolation accuracy，and frequency-domain method is better than Kriging method.Key words：Frequency-domain analysis；spatial variability；effective bandwidth；soil moisture；Kriging自20世纪70年代以来，土壤特性空间变异的量化研究一直是研究热点[1]。

4.4 土壤中水热的耦合运移（Coupling transport of water and heat in soils） 1、土壤中水分运动及含水量分布是和热流及温度分布相互联系的。

土壤中热流分析计算是以土壤水分运动作为条件或前提的。

2、土壤中热流及温度分布反过来也对水流运动有影响。

（1）由于温度场的存在产生温度势；（2）温度的变化亦会引起土壤水分中溶质的情况变化。

但在一般条件下，通常忽略温度变化对水分运移的影响，而将水分运动和热流运动单独求解。

在冻融条件下，土壤中的水分一部分为液态，另一部分为固态（冰）。

此时，土壤水分的运动强烈受到热量交换的影响。

此时，必须耦合求解水分和热流方程。

4.5 土壤温度的变化规律特定地区地表土壤温度以年为变化周期，一年当中各出现一次最高温度和最低温度时期。

深度每增加1 m，最高（或最低）地温出现的时间推迟20~30 d。

并且随着深度的增加，土壤温度年变化幅度迅速减小。

土壤深度达到某一深度时，土壤温度季节性变化消失，此深度称为恒温层。

恒温层深度在低纬度地区仅5~10 m，中纬度地区约为15~20 m，而在高纬度地区约为20 m。

土壤温度日变化与年变化相似，随着深度的增加，土壤温度的变化呈滞后现象；且土壤深度越大，温度变化幅度越小。

土壤温度年变化和日变化规律近似于正弦曲线的周期性波动2π T ( z , t = Tave + Az sin[ t + φ ( z ] Δ 影响土壤温度变化的因素太阳辐射能天文及气象因素，如与太阳辐射能量有关的纬度；季节及昼夜交替；大气成分、密度及其浑浊程度；云层高度和厚度；降雨以及与蒸发有关的风速、气压等。

土壤机械组成及性质，如与土壤热容量、导热率和热扩散率等热特征参数有关的土壤质地、土壤含水量、土壤有机质。

地理位置，如海拔高度、地形方位（坡度、坡向）。

土壤表面状况，如地表植物覆盖情况、土壤颜色以及土壤平坦度。

土壤温度的调节人工覆盖以水调温耕作。

作者： 任图生
作者机构： 中国农业大学资源与环境学院
出版物刊名： 科学中国人
页码： 42-42页
年卷期： 2010年 第4期
主题词： 土壤水分含量 土壤热惯量 通用 估算 土壤结构 地球表面 土壤特征 气泡密度
摘要：遥感是一种有前景的获取地球表面信息的技术。

遥感热惯量已经被证明可以用于绘制土壤水分含量。

然而．利用遥感热惯量估算土壤水分含量需要得到土壤热惯量和水含量的通用关系。

我们以土壤热惯量与水分含量之间的函数建立了一个新模型。

该模型需要有效的土壤特征，如土壤结构和气泡密度。

热惯量的热脉冲量是以水分含量为变量的函数．通过九种不同结构的土壤的分析产生一个通用Kerstan方程。