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。

背景技术：

1、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

1、本发明以能量平衡为框架，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fm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iici来考虑混合冠层农田中不同冠层的能量分配过程。

2、基于上述问题，本发明采用如下技术方案：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：

3、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；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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。

9、进一步地，对于覆膜农田总体而言，其能量平衡方程为：

10、rn-λet-hs-gs＝0

11、其中，rn、λet、hs和gs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；

12、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：

13、rnci-λti-hci＝0

14、覆膜土壤的能量平衡方程为：

15、rnms-λems-hms-gms＝0

16、膜间裸土的能量平衡方程为：

17、rnbs-λebs-hbs-gbs＝0

18、其中，rnci，λti和hci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；rnbs和rnms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，wm-2；λebs和λems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；gbs和gms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；hts和hms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。

19、进一步地，对于覆膜农田总体而言其能量平衡方程中的rn、λet、hs和gs又各自分为以下组分：

20、整体净辐射通量rn及其各组分：

21、

22、整体潜热通量λet及其各组分：

23、

24、整体感热通量hs及其组分：

25、

26、整体土壤热通量gs及其组分：

27、gs＝(1-fm)gbs+fmgms

28、其中，iici为第i种作物冠层的混合冠层光能截获因子；fm为覆膜土壤占农田总面积的比例；hi为第i种冠层的潜热通量。

29、进一步地，所述步骤2中，

30、覆膜农田植株i蒸腾潜热λti，膜间裸土蒸发潜热λebs以及覆膜土壤蒸发潜热λems分别采用下式计算：

31、

32、

33、

34、e(tci)*-er≈δ(tci-tr)+vpdr

35、e(tbs)*-er≈δ(tbs-tr)+vpdr

36、e(tms)*-er≈δ(tms-tr)+vpdr

37、式中，ρa为空气密度，kg m-3；cp为空气定压比热容,j kg-1℃-1；γ为湿度计常数，kpa℃-1；tci分别为植株i冠层温度，℃；tbs和tms分别为膜间裸土处和覆膜土壤处的表层土壤温度，℃；e(tci)*、e(tbs)*和e(tms)*分别为温度在tci、tbs和tms时的饱和水汽压，kpa；er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；vpdr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，tr为观测高度的空气温度。

38、进一步地，所述步骤3中，覆膜农田植株i感热通量hci膜间裸土感热通量hbs以及覆膜土壤感热通量hms分别采用下式计算：

39、

40、

41、

42、进一步地，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；

43、其中，覆膜农田植株i净短波辐射通量rnsci，膜间裸土净短波辐射通量rnsms以及覆膜土壤净短波辐射通量rnsbs分别为：

44、

45、rnsci＝ascdsr+ascdsrt[αsmsfm+αsbs(1-fm)]

46、rnsms＝dsrτsc(1-αsms)

47、rnsbs＝dsrτsc(1-αsbs)

48、式中，dsr是太阳短波辐射，w m-2；asc是冠层短波辐射吸收率，等于(1-τsc-αsc)，τsc是太阳短波辐射在冠层的透射率；αsc是太阳短波辐射在冠层的反射率；αsms是覆膜土壤短波辐射反射率；αsbs是膜间裸土短波辐射反射率；

49、在求解覆膜土壤以及膜间裸土获得的来自各植株i冠层长波辐射通量时，将所有作物冠层视为整体，整体冠层辐射的长波辐射以覆膜比fm分配到覆膜土壤和膜间裸土，则覆膜农田植株i净长波辐射通量rnlci，膜间裸土净长波辐射通量rnlms以及覆膜土壤净长波辐射通量rnlbs分别可表示为：

50、

51、

52、

53、

54、式中，σ为stefan-boltzmann常数，取值为5.67×10-8w/(m2 k4)；εsky是天空表面辐射系数；εc是冠层表面辐射系数；εms是覆膜土壤表面辐射系数；εbs是膜间裸土表面辐射系数；αlc是冠层长波辐射反射率；αlms是覆膜土壤长波辐射反射率；αlbs是膜间裸土长波辐射反射率；τlc是冠层长波辐射透射率；tsky是大气温度,℃，tr是观测高度处的空气温度；tms是覆膜土壤表面温度,℃；tbs是膜间裸土表面温度,℃；

55、覆膜农田植株i净辐射通量rnci，膜间裸土净辐射通量rnms以及覆膜土壤净辐射通量rncb分别为：

56、

57、rnci＝rnsci+rnlci

58、rnms＝rnsms+rnlms

59、rnbs＝rnsbs+rnlbs。

60、进一步地，所述步骤5中覆膜农田覆膜土壤处土壤热通量gms和膜间裸土处土壤热通量gbs分别采用以下公式计算：

61、

62、

63、式中，g0ms(zref)和g0bs(zref)分别是参考土层深度(zref，m)的覆膜土壤和膜间裸土处的土壤热通量，w m-2；当zref达1m以上时，g0ms(zref)和g0bs(zref)视为0处理；是土壤热容量，w k-1 m-1。

64、进一步地，所述步骤6中将潜热通量、感热通量、土壤热通量以及净辐射通量各组分求解方程带入能量平衡方程中，获得植株i冠层、覆膜土壤以及膜间裸土处的能量平衡方程：

65、植株i冠层处的能量平衡方程：

66、

67、覆膜土壤处的能量平衡方程：

68、

69、膜间裸土处的能量平衡方程：

70、

71、上述多个能量平衡方程均为植株i冠层温度tci、覆膜土壤温度tms以及膜间裸土土壤温度tbs的方程，因此可以将其表示为以下方程组：

72、

73、其中，n为植株类别，当n种植株冠层存在时，温度函数方程组f(t)包含的未知数为(n+2),待求解方程个数为(n+2)，温度函数方程通过前述建立的能量平衡方程求解：

74、f1i(tc1,…,tcn,tms,tbs)＝rnci-λti-hci＝0

75、f2(tc1,…,tcn,tms,tbs)＝rnms-λems-hms-gms＝0

76、f3(tc1,…,tcn,tms,tbs)＝rnbs-λebs-hbs-gbs＝0。

77、进一步地，利用newton-simpson迭代方法求解非线性方程组，

78、求解出温度函数方程组f(t)中(n+2)个未知温度后，求解不同植株冠层、覆膜土壤以及裸土等潜热、感热、净辐射和土壤热通量各组分，并将各组分加权求和，即可获取覆膜混合冠层农田整体潜热、感热、净辐射和土壤热通量。

79、另一方面，本发明还提供一种覆膜混合冠层农田水热传输综合模型构建系统，包括：

80、模块一.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；

81、模块二.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；

82、模块三.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；

83、模块四.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；

84、模块五.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；

85、模块六.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。

86、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

87、本发明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。该模型仅需要常规的气象(空气温度，饱和水汽压差，风速，太阳辐射，气压)、土壤(土壤含水率和田间持水量)，以及作物生长数据(叶面积指数)数据驱动，就可以实现对覆膜混合冠层农田整体及各组分(各混合冠层，覆膜土壤，裸土)全生育期的水热传输通量(潜热、感热、净辐射，和土壤热通量)的准确模拟，填补了覆膜混合冠层农田水热传输模拟研究的空白，该发明可为覆膜混合冠层农田这一复杂下垫面的水热传输过程提供了理论基础，并为提高现有陆面模式在覆膜混合冠层农田这一典型复杂下垫面的陆面过程的模拟提供了技术支撑，为研究覆膜和混合冠层大面积的推广应用对区域气候的影响提供了科学依据，并且为区域农业水资源管理提供科学参考。