陆地表层系统野外实验原理与方法.doc

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作业一：

1、假定，你的外表面温度为28℃，求你向外发射的辐射能（辐射出射度）。

如果你身处一房间内，房间墙壁温度为20℃，求你身体外表接受到的辐射能（辐照度）是多少（假设辐射在空气中的传播过程中没有衰减）。

求在这种环境中，你身体损失的辐射能。

假设身体表面发射率为0.97，墙壁发射率为1。

解：

人体外表温度为28℃，身体表面发射率为0.97时，向外发射的辐射能为：

（1）

房间墙壁温度为20℃，墙壁发射率为1时，身体外表接收到的辐射能为：

（2）

（3）

所以身体损失的辐射能为

2、比较空气温度为0℃时，晴朗天气和完全阴天下空气发射的辐射能。

计算阴天的夜晚地面相较晴天额外接收的能量是多少。

解：

空气温度为0℃时，晴朗天气的发射率为：

（1）

晴朗天气下空气发射的辐射能L1:

（2）

空气温度为0℃时，完全阴天下的发射率为：

（3）

阴天下空气发射的辐射能L2：

（4）

阴天的夜晚地面相较晴天额外接收的能量：

（5）

3、计算在晴天情况下某一片裸露土壤的净辐射通量，已知太阳高度角为15º，海拔高度1200m，空气温度18℃，土壤表面温度22℃，土壤反照率设为0.15，土壤长波发射率为0.98。

解：

根据公式

=101.3×exp（-1200/8200）/（101.3×cos（75º））=3.34

（1）

其中75º为天顶角

=1368×0.73.34=415.64

（2）

直接辐射：

=415.64×cos（75º）=107.58（3）

散射辐射：

=0.3（1-0.73.34）×1368×cos（75º）=73.95（4）

天空晴天发射率：

（5）

晴天大气发射辐射：

（6）

所以，晴天情况下某一片裸露土壤的净辐射通量

（7）

4、假定春小麦开花所需要的大于3℃以上积温为900℃•d。

如果春小麦是正常在第119日（日序数）种植，请根据下表中的天气数据预报春小麦的开花日期。

如果种植日期延误到第150日，判断开花期会推迟到哪一天？

（下表中，Tx指最高温，Tn指最低温）

解：

在计算积温时，一般都采用日平均气温来计算

此处℃，为日平均气温

在EXCEL中进行计算，只取大于等于3的温度计算，

计算得：

当900℃•d时，对应的天数分别为第201天和215天，

所以：

当春小麦在第119天种植时，开花日期大概在第201天；

当春小麦在第150天种植时，开花日期大概在第215天。

作业二：

1、干湿表测得的空气温度为34℃，湿球温度为22℃。

求空气的实际水汽压、水汽摩尔比、露点温度、相对湿度和饱和差。

海拔高度为1200m。

解：

大气压：

（1）

空气温度为34℃时的饱和水汽压为：

（2）

湿球温度为22℃时的饱和水汽压为：

（3）

空气的实际水汽压：

（4）

水汽摩尔比：

（5）

露点温度：

（6）

相对湿度：

（7）

饱和差：

（8）

2、单位换算：

将空气定压比热cp（29.3Jmol-1K-1）换算为单位Jkg-1℃-1表示的值，将汽化潜热λ（44kJmol-1）换算为单位Jkg-1表示的值。

解：

为空气的摩尔质量；

为水的摩尔质量。

3、你决定在一个0.1m3的容器内标定一个相对湿度传感器（相对湿度0.5），假定没有水汽被容器壁吸收，在容器内空气温度分别为10℃和40℃情况下，你需要向容器中注入多少的水汽才能满足标定的要求。

解：

当容器内空气温度为10℃时，为标定传感器，容器内的实际水汽压是：

（1）

可以计算10℃时的空气饱和水汽压：

（2）

则实际水汽压为：

ea=0.5×1.23=0.62（kPa）＝620（Pa）（3）

根据普适气体状态方程有：

（4）

nv为容器中应该有的水汽摩尔数量，换算为质量单位，则为

mv=nv×M=0.026×18.02=0.47（g）（5）

即，当容器内温度为10℃，应注入0.47g的水才能满足仪器标定的要求

当容器内空气温度为40℃时，为标定传感器，容器内的实际水汽压必须是：

（6）

可以计算40℃时的空气饱和水汽压：

（7）

则容器内的实际水汽压应该为

ea=0.5×7.38=3.69（kPa）＝3690（Pa）（8）

根据普适气体状态方程，有：

（9）

nv为容器中应该有的水汽摩尔数量，换算为质量单位，则为

mv=nv×M=0.142×18.02=2.56（g）（10）

即，当容器内温度为40℃，应注入2.56g的水才能满足仪器标定的要求。

4、你呼出的空气在体温37℃下为饱和空气，如果你吸入的空气温度为20℃，相对湿度为0.2，你每分钟呼吸15次，每次吸入空气体积1升。

假定你没有其他的水分损失，计算每天你需要喝多少杯水（每杯250ml）来补充人体的水分损失。

解：

根据理想气体状态方程，有：

（1）

其中es（37）为37℃下饱和水汽压，V为呼出空气体积，n1为呼出的水汽摩尔数，T1为水汽温度。

则每次呼出的水汽摩尔数为：

（2）

根据理想气体状态方程，有：

（3）

其中ea为空气实际水汽压，V为吸入空气体积，n2为吸入的水汽摩尔数，T2为空气温度。

其中：

（4）

则每次吸入的水汽摩尔数为：

（5）

设每次呼吸损失的水汽摩尔数为n，则：

（6）

设一天总的水分损失摩尔数为n总

（7）

将水量换算为质量来表达，则

总损失水量为：

（8）

已知水的密度为1g/mL

则损失的水的总体积为：

V＝874.22/1=874.22（mL）（9）

所需要补充总的杯数为：

（10）

5、如果叶片的总水势为－700Jkg-1,溶质势为-1200Jkg-1,求叶肉细胞的膨压。

解：

一般地，叶片的总水势有叶片溶质势和叶片压力势两部分组成，因此叶片的压力势为：

（1）

根据以下公式：

（2）

可以求得叶肉细胞的膨压：

（3）

6、假定在一片冠层高度为80cm的麦田上方2m处观测到风速为3ms-1，试估算这片麦田的空气动力学粗糙度、零平面位移，和麦田冠层表面的风速。

解：

根据农田空气动力学粗糙度和零平面位移的经验计算公式，这片麦田的空气动力学粗糙度和零平面位移分别是：

（1）

（2）

根据风廓线方程：

（3）

有：

（4）

可得：

（5）

则冠层表面的风速为：

（6）

作业三：

1、有一层湿润土壤被一层5cm厚的干土覆盖着，观测已知湿土壤表层温度为30℃，空气温度为30℃，空气实际水汽压为1.0kPa，求土壤的水分损失。

已知每1cm干土壤的水汽扩散导度为0.03molm-2s-1，空气边界层导度为0.5molm-2s-1

解：

根据水汽扩散方程

（1）

其中，gv为水汽扩散的导度，Cvs为水汽扩散表面的水汽浓度，Cva为空气水汽浓度。

30℃时饱和空气水汽压：

（2）

水汽扩散表面的水汽浓度为：

（3）

空气水汽浓度为：

（4）

土壤水汽扩散导度为：

（5）

所以，水汽扩散的导度为：

（6）

所以土壤的水分损失：

（7）

2、通过野外实验观测获得冬小麦冠层温度为27℃，空气温度为30℃，空气相对湿度为0.2，冠层气孔导度为250mmolm-2s-1，2m高处风速为3ms-1，求叶片的水分损失速率。

已知冬小麦冠层高度为80cm。

解：

根据水汽扩散方程：

（1）

其中，gv为水汽扩散的导度，Cvs为水汽扩散表面的水汽浓度，Cva为空气水汽浓度。

（2）

其中，gc为气孔导度，ga为空气动力学导度。

空气动力学导度：

（3）

所以水汽扩散导度为：

（4）

由得：

水汽扩散表面的水汽浓度：

（5）

由得：

（6）

所以，空气中的水汽浓度：

（7）

所以叶片的水分损失速率：

（8）

3、接上题，假定热量传输的空气动力学导度与水汽传输的空气动力学导度一样，求叶片与大气之间的热量交换（热通量）。

解：

热量交换方程为：

（1）

其中gH为冠层表面与空气之间热量交换的导度，Ts为冠层表面温度，Ta为空气温度，cp为空气的定压比热。

忽略叶片表面的边界层导度，有：

（2）

所以，叶片与大气之间的热量交换：

（3）

作业四：

1.下表是某地春小麦田连续四次测量的根层土壤含水量（cm3/cm3），请估算四天根层土壤含水量分别为多少，并描述根层土壤含水量在时间和空间上的动态变化特征和可能的原因。

日期

2011-5-1

2011-5-6

2011-5-7

2011-5-11

10cm

0.031

0.015

0.121

0.026

20cm

0.080

0.022

0.129

0.053

30cm

0.120

0.070

0.163

0.109

40cm

0.123

0.088

0.160

0.108

50cm

0.118

0.098

0.169

0.121

60cm

0.117

0.100

0.176

0.122

70cm

0.131

0.107

0.186

0.123

80cm

0.143

0.112

0.204

0.130

90cm

0.140

0.109

0.188

0.142

100cm

0.138

0.111

0.167

0.127

110cm

0.137

0.108

0.148

0.133

120cm

0.145

0.109

0.133

0.139

130cm

0.143

0.108

0.119

0.138

140cm

0.164

0.123

0.110

0.150

150cm

0.147

0.113

0.109

0.138

解：

根据公式：

（1）

（2）

（3）

由

（1）

（2）（3）可知：

（4）

即（5）

所以，2011年5月1日根层各层土壤含水量：

可知，2011年5月1日根层土壤含水量为：

同理：

2011年5月6日根层土壤含水量为：

2011年5月7日根层土壤含水量为：

2011年5月11日根层土壤含水量为：

通过上图分析可知：

时间上的动态变化特征：

5月1日到5月6日根层土壤含水量逐渐减少；从5月6日到5月7日，根层土壤含水量迅速增加，可能是灌溉或降水造成的；5月7日到5月11日，根层土壤含水量又逐渐减少，可能是排水或蒸发所致。

空间上的动态变化特征：

由上图可知，5月1日、5月6日和5月11日这三天的根层土壤含水量呈现明显的上升趋势，在0—30cm范围内，其上升趋势明显，增幅较大，在30cm以后，含水量增加缓慢，增幅较小；5月7日的含水量变化特殊，在0—80cm含水量迅速增加，在80cm以后，含水量又急剧减少。

作业五：

1、请换算，1Wm-2的潜热通量相当于多少mms-1的水汽通量？

1MJm-2day-1的潜热通量相当于多少mmday-1的水汽通量？

解：

当时，其中λ为汽化潜热系数，。

（1）

即，1Wm-2的潜热通量相当于mms-1的水汽通量；

当时，

（2）

即，1MJm-2day-1的潜热通量相当于0.408mmday-1的水汽通量。

2、请基于能量平衡推到出Penman-Monteith公式：

解：

由得：

（1）

（2）

（2）代入

（1）得：

（3）

由得：

（4）

（4）代入（3）得：

（5）

由得：

（6）

（6）代入（5）得：

（7）

移项化简得：

（8）

即

（9）