利用水稻冠层下的能量平衡方程预测水稻田的水面蒸发外文翻译资料

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利用水稻冠层下的能量平衡方程预测水稻田的水面蒸发

收稿日期：2011年4月1日/修订日期：2011年4月20日/接受日期：2011年4月21日/在线发布：2011年5月12日

copy;Springer-Verlag 2011

摘要地表上的能量通量不仅取决于植被冠层中的气候和生物物理控制，还取决于冠层下可用的能量和能量分配。量化在冠层下的蒸发和能量分配对于改善水和能量利用非常重要的，特别是在干旱地区。本研究，我们测量了气象数据，水稻冠层下的净辐射和潜热通量，然后应用辐射和能量平衡方程，获得水稻冠层下的水面温度。为了应用方程，我们在冠层子模型和传递系数子模型下构造了短波和长波辐射。植物倾角因子用短波和长波辐射子模型的植物面积指数参数化。整体传递系数由植物面积指数参数化，土壤热通量由力恢复模型预测。通过计算水面温度和构建的子模型，我们再现了水稻冠层下的净辐射和潜热通量。结果表明，水稻冠层下面的水表面温度，净辐射和潜热通量非常接近测量值，根据双尾t检验统计分析没有发现显著差异。因此，我们得出结论，这些构建的子模型可以成功地代表水稻冠层下水面温度，净辐射和潜热通量。

关键词：冠层下的净辐射·植被面积指数·短波和长波辐射·冠层下面的水表温度和潜热通量。

引言

地表上的能量通量不仅取决于植被冠层中的气候和生物物理控制，还取决于冠层下可用的能量和能量分配（Wilson et al。2000）。为了不同的目的，人们对能量平衡已经进行了广泛地研究（Oue 2001; Harazono等人1998; Tsai等人2007; Tyagi等人2000; Campbell等人2001a，b; Yoshimoto等人2005）。许多模型也被开发来模拟表面能通量的过程（Sellers等人1986; Meyers和Paw 1987; Maruyama和Kuwagata 2010）。然而，大多数这项研究集中在冠层上的能量平衡。而关于在冠层下蒸发的能量分配和消耗的研究还较少。众所周知，冠层下面的土壤的水消耗是无效的，并且占大部分灌溉水，特别是当冠层密度低时或在潮湿的土壤条件（例如稻田）中。量化由冠层下面的地表的蒸发和能量吸收对于改善水和能量利用是非常重要的，特别是在干旱地区。 Kondo和Watanabe（1992）应用双源模型分别计算地面和冠层水平的能量平衡。 Yan和Oue（2011）使用类似的方法计算蒸腾和蒸发。然而，需要更多的研究来预测在冠层下面的的能量通量。本文采用能量和辐射平衡方程来预测在冠层下面的水表面上的潜热通量。为了求解方程，构建了冠层下长波和短波辐射子模型;水面上的整体传递系数由植物面积指数参数化，土壤热通量由力恢复模型预测。预测的水稻冠层下水表面温度，净辐射和潜热通量与测量值进行了比较。

材料和方法

田间观测

实验在位于日本松山市爱媛大学高中的稻田（33°500N，132°470E）进行。试验采用日本主要栽培品种之一水稻（Oryza sativa L.），cv秋田町。在2010年5月28日将水稻秧苗移植到田间，行之间的间距为25cm，行内的间距为20cm，这意味着种植密度为20丘/ m2，并于2010年8月27日收割。用CNR-2（Kipp＆Zonen，荷兰）在2.5m测量辐射平衡的分量，即（1-alb）SR和L-L，因此可以计算净辐射（Rn）。

这里，SR是全球太阳辐射，alb是稻田的反照率，L_d是来自大气的向下长波辐射，L_u是来自稻田的向上长波辐射。此外，用另一个传感器（Decagon，USA）在2m的高度测量全球太阳辐射。使用PRI-01（Prede，日本）传感器测量水稻冠层下面和向上的长波辐射（L_dg和L_ug）。用线型辐照度计（PCM-200）测量冠层下面的太阳辐射（SR_g）。使用HFT3土壤加热板（Campbell，USA）在2cm深度处测量土壤热通量（G），并且用热电偶测量2cm深处的水表面温度（T_g）和土壤表面温度（T_s）耦合传感器。用配备有手工通风风扇并安装在PVC管中的HMP-45A温湿度记录仪（Vaisala，Finland）测量空气温度（Ta）和顶盖上方的相对湿度的垂直剖面（0.5,1.0和2.0m）。风速用014A三杯风速计（MetOne，USA）在与Ta相同的高度测量。所有数据每10秒取样，每10分钟平均，并通过CR23X数据记录器（Campbell，USA）记录。通过取样3个水稻植物以计算植物面积指数（PAI）来测量植物（包括叶和穗）面积，并且每7或10天用10个指定的水稻植物测量植物高度（PH）。通过溶度计（20cm宽度9 60cm长度9 30cm深度）测量水稻冠层下面的水表面蒸发（E_g，mm天-1），其被埋置之间的作物行。蒸渗仪内的水深几乎与水田中的相似。通过在2010年6月2日至8月27日每天8:00和18:00测量蒸渗仪中的水位降低来获得E_g。每天测量稻田中的水深，同时测量E_g。

水稻冠层下能量和辐射平衡

水稻冠层下的能量平衡方程可以表示为

Rn_g=LE_g H_g G Delta;W (1)

其中G是土壤热通量，DW是水中的蓄热，LE_g和H_g分别是来自稻盖下水面（W m-2）的潜热和显热通量。它们由以下公式表示（Kondo和Watanabe 1992）

LE_g=Lrho;C_HgU₂beta;_g[e_*(T_g)-e_a] (2)

H_g=C_prho;C_HgU₂(T_g-T_a) (3)

其中c_p和q分别是比热（J kg^-1 K-¹）和空气密度（kg m^-3），L潜热（J kg-¹），T表示水的表面温度（℃），e _*（T_g）表示T_g（hPa）时的饱和气压。此外，u₂，T_a和e_a分别是在2m（m s^-1）的平均风速，平均空气温度（℃）和在Ta（hPa）的实际气压。 beta;_g是表面水分利用率，在水表面的情况下，beta;_g = 1。C_Hg是从稻荚下面的水面到参考高度（2m）的显热和潜热的体积传递系数。它可以用PAI参数化，如“参数化C_Hg”部分所述。

土壤热通量G由力恢复模型表示（Blackadar 1976; Stull 1988; Matsushima和Kondo 1995; Hirota和Fukumoto 2009）

G=[(Ts-Tym) ] (4)

其中c是土壤的体积热容（c = 2.0 9 106 J m^-3K^-1），Da是阻尼深度的年值（Da = 1.7 m），其是通过将计算的G与测量的值拟合得到的，Hirota和Fukumoto（2009）应用了相似的值。 sy是年周期（365天），Ts是土壤表面温度（℃），Tym是年平均土壤温度（Tym = 14℃），其在几米的深度上保持相对恒定（Hirota等， 1995; Hirota等2002），因此Tym可以用于数米内的任何深达。

水的热储DW表示为

Delta;W =c_wrho;_wd_w (5)

其中c_w是水的特殊热量（cw = 4.18J kg^-1K^-1），d_w是水层的深度（m），rho;_w是水的密度（kg m^-3），T_w是水温度（℃）。

由冠层Rn_g下面的水表面吸收的净辐射由净短波辐射（SR_g-aSR_g）和长波辐射（L_dg-L_ug）组成。它可以表示为

Rn_g=SR_g-alpha;SR_g L_dg-L_ug (6)

其中alpha;是水稻冠层下面的水面的反照率。在本研究中，应用alpha;=0.10.Oue推荐的值（2003）。 SR_g是水稻冠层下的短波辐射（W m^-2）; L_dg和L_ug是在冠层下面向下和向上的长波辐射（W m-2）。 SR_g和L_dg的模拟如在“参数化SR_g和L_dg”部分中所讨论的。 L_ug可以由Stefan-Boltzmann定律（例如，Kimura和Kondo 1998）表示

L_ug=εssigma;(T_g 273)⁴ (1-εs)L_dg (7)

其中εs是水田的反射率，在本研究中假设为1，而sigma;是Stefan-Boltzmann常数（5.67*10⁸ W m^-2 K^-4）。

代入方程7代入式6， 2-6。 1，能量平衡方程可以表示为

SR_g-alpha;SR_g L_dg-εssigma;(T_g 273)⁴ -(1-εs)L_dg= C_prho;C_HgU₂(T_g-T_a)rho;C_HgU_2g[e_*(T_g)-e_a] [(Ts-Tym) ] c_wrho;_wd_w 8)

结果与讨论

冠层下的辐射和热通量的变化

图1显示了水稻冠层（SR和SR_g）上方和下方的短波辐射，水稻上部和下部（L_d和L_dg）下方的长波辐射和水稻冠层（L_ug）下方的向上长波辐射，水稻冠层潜在和显热（L_Eg和H_g），水面温度和空气温度（T_g和Ta），PAI和植物高度的变化从2010年6月2日至8月26日。根据平均值从8:00至18:00编制气象数据。基于水稻冠层下水表面蒸发的蒸渗仪测量获得L_Eg。7月底没有数据是由于数据记录器的电源被切断。如图1所示。当PAIlt;= 2由于下雨的影响而波动时，SR_g接近SR，而SR_g随着PAI的增加而减小，直到7月底SR_g lt;100wm^-2的值变得稳定。接头的变化小于L_d和L_dg。 L_dg的值随着作物生长而适度增加，并且当PAI gt;2时，由于来自冠层的向下长波辐射的增加，L_dg的值明显大于L_d。热通量的变化对于L_Eg和H_g是不同的。 H_g在-200至100Wm^-2的范围内相对恒定，而L_Eg随着水面覆盖率的增加

主要反映SR_g的变化。在后期生长阶段，L_Eg的值几乎保持恒定。 T_g和Ta的变化在20和35℃之间。在整个生长期内，Ta在移植水稻幼苗后适度增加，而T_g显示较大的波动。此外，移植后的T_g比Ta高约7℃。这种差异随着水稻生长而降低，并且从出芽到成熟，T_g几乎等于或低于Ta。在以前的研究中，在稻田中观察到了T_g和Ta之间的类似模式（Maruyama和Kuwagata，2010）。移植后PAI增加，抽穗后减少。

在8月初（移植后第64天）PAI和植株高度最大，分别为5.11和100cm。水稻的抽穗日为7月25日。在这项研究中，测量和应用PAI而不是叶面积指数的原因是，在对于在冠层下面的水表面的能量分配的研究中，穗面积的贡献不应该被忽略 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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