第三讲传输理论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络,(CERN),水分分中心 袁国富,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络,(CERN),水分分中心 袁国富,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,陆地表层系统野外实验原理与方法,第三讲,植被与大气间水热交换原理,袁国富,中科院地理科学与资源所,主要内容,地气交换理论与地表能量转换与物质循环,植被,-,大气间动量交换,植被,-,大气间水热交换,热量和质量传输基础理论,植被,-,大气间的热量和质量传输,能量平衡与水量平衡,热量和质量传输基础理论,基本传输方程,1.,Newtons law,of viscosity for momentum transport,2.,Ficks law,for diffusive transport of material,3.,Fouriers law,for heat transport,4.,Darcys law,for fluid(water)flow in a porous medium(soil),D,j,:,分子扩散率,(m,2,s,-1,),k,:,传热率,(Wm,-1,K,-1,),为动量传输系数,(,kg m,-1,s,-1,),K,():,导水率,热量和质量传输基础理论,Fick,定律与物质扩散通量,1.,质量通量,F,j,质量通量密度,(,kg m,-2,s,-1,),，,D,j,为分子扩散率,(,又称扩散系数,)(m,2,s,-1,),d,j,/,dz,密度或浓度梯度,(kg m,-4,),2.,摩尔通量,F,j,为,摩尔通量密度,(,mol m,-2,s,-1,),为气体,(,水汽，,CO,2,等,),摩尔密度,(mol m,-3,),dC,j,/,dz,为摩尔浓度梯度,(m,-1,),D,j,分子扩散率，量纲不变,热量和质量传输基础理论,Fourier,定律与热量扩散通量,Fourier,定律,H,热通量密度,(Wm,-2,),dT,/,dz,温度梯度,(m,-1,),k,为传热率,(,Wm,-1,K,-1,),空气定容比热,C,v,：单位体积空气温度升高,1K,所需要的热量,指,“,热浓度,”,，单位体积所含的热量,D,H,=,k,/,c,p,为,热扩散率,与质量扩散率有同样物理单位,(m,2,s,-1,),c,p,空气定压比热,(29.3 J mol,-1,-1,1005J kg,-1,-1,),空气密度,(1.204 kg m,-3,),空气摩尔密度,(44.6 mol m,-3,),热量和质量传输基础理论,Newton,定律与动量扩散通量,Newton,定律,动量通量密度,(Nm,-2,),du,/,dz,速度梯度,(s,-1,),为动量传输系数,(,kg m,-1,s,-1,),D,M,为,动量扩散率,与质量扩散率有同样物理单位,(m,2,s,-1,),热量和质量传输基础理论,阻抗与导度,:,单位换算,r,j,r,h,r,m,单位,:s m,-1,两种导度,(,阻抗,),单位的换算：,m s,-1,(s m,-1,),与,mol m,-2,s,-1,(mol m,-2,s,-1,)/(mol m,-3,)=m s,-1,将摩尔导度除以摩尔密度可以转换为,m s,-1,的导度单位,r,j,r,h,r,m,:,单位,:m,2,s mol,-1,热量和质量传输基础理论,阻抗与导度,:,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，当阻抗并联时，总的阻抗为各个阻抗的倒数的和的倒数,串联,:,并联,:,热量和质量传输基础理论,阻抗模式与扩散方程的比较,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，扩散阻力与扩散运动方式和扩散距离均有关系,扩散方程转换成阻抗模式的三个假定：,1.,流动是一维的,2.,沿一维方向的通量是常量，即符合常通量假定,3.,描述扩散过程的扩散方程在理论上成立,热量和质量传输基础理论,例子,例：假设作物冠层表面温度为,30,，空气水汽压为,1.0kPa,，冠层的水汽导度为,1 molm,-2,s,-1,，空气边界层导度为,0.5 molm,-2,s,-1,。求作物的水分损失速率，以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：,C,vs,为冠层表面的水汽摩尔浓度，,C,va,为空气实际水汽摩尔浓度，,C,vs,可认为是饱和状态,总水汽扩散导度,g,v,是由冠层水汽导度,g,vs,和空气边界层水汽导度,g,va,串连而得,则水汽扩散速率为：,换算成质量损失：,所消耗的能量：,热量和质量传输基础理论,例子,例：假设在某一实验室的实验桌上放有一新鲜马铃薯，,12,小时后该马铃薯因蒸发损失了,3g,水分，马铃薯的表面温度和实验室空气温度均为,22,，空气相对湿度为,0.53,，马铃薯表面积为,310cm,2,，求马铃薯水汽蒸发的导度。,解：马铃薯的水汽导度,g,v,可以表述为：,求蒸发速率：,求水汽摩尔浓度：,则水汽导度为：,热量和质量传输基础理论,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,1molm,-2,s,-1,饱和空气温度为,5,，分别求出雪接收的感热通量和潜热通量。,解：感热通量为：,潜热通量为：,其中：,植被,-,大气间热量和物质交换,热量交换的几种形式,(Forms of heat transport),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),分子扩散阻抗,(Conductances for molecular diffusion),湍流输送与空气动力学阻抗,(Conductances for turbulent transport),叶片气孔阻抗,(Leaf stomatal Conductances),内容,传导传热,对流传热,辐射传热,产生的条件,物体的各个部分没有相对位移，或不同的物体直接接触,要单纯的流体运动或流体与固体直接接触，或流体和固体相对运动,物体具有一定的温度，不需要介质，可以发生在不相接触的任何物体间,机理,分子、原子等基本粒子的热运动形成物体的内能，使温度不同,流体的分子或微团的运动形成的,物体由内能转化为电磁波，到达接收面再转化为内能,对物体相态的要求,对任何相态均可进行，要使其维持只有固体状态,只能在流体中产生,任何相态物体均能进行辐射传热,植被,-,大气间热量和物质交换,热量交换的几种形式,传导、对流、辐射,植被,-,大气间热量和物质交换,感热和潜热,感热,(,显热,)(sensible heat,H,),交换,由于温度差导致的热量传输称为感热交换,潜热,(latent heat,LE,or,E,),交换,由于物质的相态发生变化导致的热量交换称为潜热交换,在植被与大气之间的感热和潜热交换主要是通过空气的流动来达到的，属于对流交换过程,植被,-,大气间热量和物质交换,植被,-,大气间空气流动结构,1.,层流副层,在物体,(,植被,),表面与空气的接触面上，有一层由,分子粘滞力,作用形成的静止空气层，称之为层流副层。该层的热量和物质传输形式是以,分子扩散,的形式进行的,(,热量传输没有考虑辐射传热的形式,),。,2.,湍流层：,在层流副层以上，以湍流运动为主导形式的空气运动层。该层的热量和物质传输以湍流输送为主。,植被,-,大气间热量和物质交换,植被,-,大气间传输阻力的构成,1.,分子扩散阻力,(,导度,)(diffusive resistance),2.,空气动力学阻力,(,导度,)(aerodynamic resistance),在叶片表面的层流副层，由于分子粘滞力形成的分子扩散方式形成的扩散阻抗,(,导度,),，又称剩余阻力或者边界层阻力,在湍流层通过空气湍流运动进行传输形成的阻力,(,导度,),3.,气孔阻力,(,导度,)(stomatal resistance),在植物与空气进行水分和,CO2,交换时,水和,CO2,穿过叶片气孔，气孔的开闭形成的阻力,(,导度,),植被,-,大气间热量和物质交换,分子扩散导度,1.,机制,分子扩散是以分子间的,粘滞力,为主导的。扩散率,(,D,j,),反映了分子间粘滞力的大小。,“,传导传热”过程可以看成为类似分子扩散过程，在同一过程中，具有相同的扩散导度。,静止空气的热量传输为热传导过程。,符合,Fick,定律对扩散过程的描述,植被,-,大气间热量和物质交换,分子扩散导度,2.,分子扩散导度的推导,假定从一个面积为,A,(,z,s,),的表面扩散通量为,F,j,(,z,s,),的物质，穿过一个距离为,z,的通道，到达面积为,A,(,z,),的表面，该表面的物质通量为,F,j,(,z,),，根据物质守恒原理，则有：,已知,Fick,定律,有下式成立：,定义分子扩散导度为,g,j,则扩散通量可以表述为：,植被,-,大气间热量和物质交换,分子扩散导度,3.,平面平行扩散导度,A,(,z,)=,A,(,z,s,),4.,球面扩散导度,5.,圆柱体扩散导度,z,s,为球面半径,z,a,为球心到扩散边界的距离,z,s,为圆柱面半径,z,a,为圆柱体轴心到扩散边界的距离,植被,-,大气间热量和物质交换,分子扩散导度,例：假设某人的一根手指直径为,2cm,，其带一手套，手套直径为,3cm,，手套可看成为一层静止空气。求手套的,热传导导度,。已知静止空气的热扩散率为,2.14*10,-5,m,2,s,-1,z,s,=0.01m,z,a,=0.015m,最终结果,：,g,H,=0.219(mol/m,2,s),植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,1.,湍流运动与涡动扩散率,(K,理论,),湍流运动被看成一个一个独立的涡进行的无规律的涨落运动。涡的内部具有物理上的一致性。湍流输送类似于分子扩散，通过涡的扩散来输送能量和物质。但输送的机理与分子扩散完全不同，用,涡动扩散率,来表达湍流的输送效率。根据,Fick,定律，有如下公式：,K,M,涡动粘性系数,K,H,涡动热扩散率,K,v,涡动水汽扩散率,植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,2.,空气的稳定、中性和不稳定状态,Neutral surface layer,Wind is 0 at“surface”(roughness,length),Speed increases logarithmically,with height,Shape depends on surface,roughness,ex:overcast and windy over a,uniform surface,Stable surface layer,Speed slower at ground but faster,aloft than logarithmic,Log plus linear term,ex:nighttime over land,Unstable radix layer,Vigorous convective thermals,Faster than log profile,Wind speed uniform with height above radix layer,tangent to uniform winds in mixed layer,ex:sunny days over land,植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,3.,中性状态下的动量传输导度,根据导度的定义，近地面层动量传输的空气动力学导度可以描述为：,植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,4.,中性状态下的雷诺相似假定,在大气中性层结条件下，温度梯度、水汽梯度具有与风速梯度相似的垂直变化特征，湍流输出的效率一致,(,湍流扩散系数一致,),。,植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,5.,湍流扩散系数,(,K,M,),湍流扩散系数随高度增加而增大，随风速和粗糙度的增大而增大,植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,5.,湍流扩散系数,湍流扩散系数随高度增加而增大，随风速和粗糙度的增大而增大,为无量纲的修正系数，描述地气间热量交换对中性剖面的影响，当在中性层结下，,=,1,植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,6.,温度和湿度廓线方程,空气动力学表面温度,植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,7.,热量交换与水汽交换空气动力学导度,导度单位：,m s,-1,导度单位：,mol m,-2,s,-1,植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,d,=0.75,h,z,0,M,=0.123,h,风速剖面对应的空气动力学粗糙度,z,0,H,=0.1,z,0,M,温度剖面对应的空气动力学粗糙度,7.,热量交换与水汽交换空气动力学导度,植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,8.,非中性层结下的空气动力学导度的修订,非中性状态是指由于下垫面与空气之间发生热量交换导致的空气层结稳定和不稳定状态。引入,剖面透热修正系数profile diabatic correction factors,),对于温度剖面，有：,其中，,z,M,和,M,分别为风速剖面的表面粗糙度和透热修正系数，,z,H,和,H,分别为温度剖面的表面粗糙度和透热修正系数,植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,8.,非中性层结下的空气动力学导度的修订,根据上两式，可以推导获得非中性状态下热量传输的空气动力学导度,对于非中性状态下的,CO,2,通量的空气动力学导度，具有与热量交换相似的方程。,植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,9.,剖面透热修正系数的求解,对于不稳定状态：,对于稳定状态：,其中：,称为大气稳定度,g,为重力加速度,植被,-,大气间热量和物质交换,空气动力学导度,例：已知,2m,高处的风速为,4ms,-1,，求高度为,80cm,的冬小麦冠层上方的,(1),摩擦速度，,(2),参考平面,(,湍流零平面,),至,2m,高度处的空气动力学导度。假定空气为中性层结。,其中：,d,=0.65,h,z,0,=0.1,h,h,为作物高度,植被,-,大气间热量和物质交换,叶片气孔导度,利用传输方程的梯度,-,阻抗模式，水汽传输的气孔阻力可以定义为气孔内外水汽浓度的差值与水汽通量的比,气孔导度,(,阻力,),的定义与形成,当气孔完全和充分打开，气孔阻力表现为由静止空气传导的分子扩散阻力。当气孔因植物生理活动或外在环境因子变化而使得气孔开度变化，形成的气孔阻力是植物生理过程、环境因子与空气分子扩散相互耦合的综合函数,AP4,动态气孔计,植被,-,大气间热量和物质交换,叶片气孔导度,CO2,通过叶片气孔进入植物体内，对,CO2,运动产生的阻力,叶片碳同化的气孔导度,一般有：,在静止空气中，温度为,20,时，水汽和,CO2,的扩散系数分别为：,植被,-,大气间热量和物质交换,叶片气孔导度,在气孔充分打开情形下的气孔导度称为,(maximum stomatal conductance),，它是一个生理指标，与周围环境的变化没有关系,最大气孔导度,(,最小气孔阻力,),z,气孔深度,A,气孔面积,L,0,气孔周长,n,气孔数量,Plant leaves,open,closed,Maize,330,30,Soybean,450,40,Gossypium,375,13,几种植物叶片的气孔导度,(m mol m,-2,s,-1,),植被,-,大气间热量和物质交换,叶片气孔导度,实际气孔导度,(Jarvis,模型,),实际气孔导度受环境因子的变化而随时变化，主要受光照、叶片温度、叶片水势和大气水汽压等的影响。,