热惯量法：大沽河流域水文要素监测与实践

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：当太阳辐射到达地面后，一部分能量用于升高土壤表面的温度，一部分将向下传输，热惯量就是阻止物质温度变化的一个量。一般情况下，地表热惯量可以近似表示为地面温度的线性函数，所以地表热惯量可以通过对土壤反照率和日最大最小温度差的测量而获得。可见，热惯量是决定地物日温差大小的物理量。以上推导过程表明，地表热惯量的计算关键在于获取地表反照率和多时相温度差。

当太阳辐射到达地面后，一部分能量用于升高土壤表面的温度，一部分将向下传输，热惯量就是阻止物质温度变化的一个量。热惯量定义为

式中：P 为热惯量，J/（m2·K·s1/2）；k 为土壤导热率；ρ 为土壤密度；C 为土壤热容量。

由于C、k、ρ 等特性的变化在一定条件下主要取决于土壤含水量的变化，因此土壤热惯量与土壤含水量之间存在一定的相关性。一般来说，土壤含水量越大，C、k 值越大，因而P 越大。此外，土壤表面温度的日变化幅度（日较差）是由土壤内外因素共同决定的，其内部因素主要是指反映土壤传热能力的热导率和反映土壤储热能力的热容量，而外部因素主要指太阳辐射、空气温度、相对湿度、风、云、水汽等所引起的地表热平衡。其中土壤湿度强烈地控制着土壤湿度的日较差，土壤温度日较差随土壤含水量的增加而减少，而土壤温度日较差可以通过卫星遥感数据获得。因此，可以通过遥感数据所获得的热惯量和土壤含水量的关系来研究和估算土壤水分状况。

根据地表热量平衡方程和热传导方程，人们研究建立了各种热惯量模式。这些模式除了考虑太阳辐射、大气吸收和辐射、土壤热辐射和热传导等效应外，还考虑到蒸发和凝结、地气间对热流交换等效应，因而所需的参数多，计算较为复杂。一般情况下，地表热惯量可以近似表示为地面温度的线性函数，所以地表热惯量可以通过对土壤反照率和日最大最小温度差的测量而获得。Price在地表能量平衡方程的基础上，简化了潜热蒸散模式，引入地表综合参数B 的概念，通过对热惯量遥感成像的机理系统研究，提出以下热模式

式中：P 为地表热惯量；A 为土壤反照率；Td、Tn分别为白天夜晚的地表温度，K；S 为太阳常数，S=1.37×103J/m2；τ 为大气透过率（假设为0.75）；ω 为地球自转频率；C1为太阳赤纬（δ）和当地纬度（φ）的函数，C1=1/[sinδcosφ（1-tan2δtan2φ）1/2+arcos（-tanδtanφ）cosδcosφ]；B 为表征土壤发射率、空气比湿、土壤比湿等天气和地面状况的地表综合参数，可由地表测量得到。

根据式（5.2）可以得到热惯量的近似方程

式中：2SτC1为入射达到地面的太阳辐射总量，可用Q 表示。而对于一般均匀的大气条件和平坦地表来说，大气透过率τ 和大气-土壤界面综合因子B均可认为常数。方程进一步简化为

式中：Q（1-A）表征地表对太阳辐射的净收入。在实际应用中，地表参量需要气象地面资料，不方便卫星的实时监测，所以许多模型常常使用表观热惯量来代替真实热惯量P 来进行土壤含水量的反演，即不考虑当地的纬度、太阳高度角、日地距离等因素，只考虑反照率和温差，对热惯量方程进一步简化为

由此可见，不同物体的（1-A）相同，即吸收太阳能量相同，则热惯量大的物体，昼夜温差小，反之亦然。可见，热惯量是决定地物日温差大小的物理量。以上推导过程表明，地表热惯量的计算关键在于获取地表反照率和多时相温度差。也就是说，利用多时相、多波段遥感数据特点来计算地表热惯量；通过多波段遥感的反射值反演地表反照率A；通过多时相热红外波段的发射值反演地表温度，进而到温度日较差。得到土壤的表观热惯量，之后就要建立土壤热惯量与土壤含水量的关系模型，经常使用的主要有两种经验模型：线性经验公式计算土壤含水量W 和指数经验公式计算土壤含水量W ，即

热惯量法：大沽河流域水文要素监测与实践

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