[发明专利]具有生物物理意义的森林种植水资源效应评估方法及系统

权利要求书

1.一种具有生物物理意义的森林种植水资源效应评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建三层森林地表能量平衡模型和构建陆地水量平衡模型；

步骤2：根据所述三层森林地表能量平衡模型和所述陆地水量平衡模型，构建森林地表能量-陆地水量平衡模型和非森林地表能量-陆地水量平衡模型；

步骤3：根据所述森林地表能量-陆地水量平衡模型和所述非森林地表能量-陆地水量平衡模型，构建具有生物物理意义的森林种植水资源效应定量评估模型，并获得水资源效应系数；

步骤4：利用所述水资源效应系数评估植被覆盖变化对区域森林水资源产生的影响；

所述三层森林地表能量平衡模型根据以下方法构建：

其中，a为地表反射率；为太阳向下短波辐射；LW为净长波辐射(W/m²)，LW＝LW_in-LW_out，其中，LW_in为进入系统的长波辐射(W/m²)，LW_out为系统输出的长波辐射(W/m²)，LW_in＝R_sky，其中，R_sky和R_soil分别为大气发射的长波辐射和土壤发射的向上长波辐射，R_canopy为冠层发射的长波辐射，为传递系数，表示林冠层对净辐射的截留率，LAI为叶面积指数；c是净辐射在植被冠层中的消减指数，u为太阳天顶角θ的余弦值；G_soil为土壤热通量；LE表示系统的潜热损失；ρ_a是空气密度；C_p是空气定压比热容量；r_s、r_c,a和r_a,c分别表示土壤层与林下空气层间显热传递阻力系数、冠层与林外空气层间显热传递阻力系数、林下空气层与冠层间显热传递阻力系数；T_so、T_ao和T_c分别表示林外土壤表层温度(K)、林外空气温度(K)、植被冠层温度(K)；ΔT_s表示的是林下土壤温度和林外土壤温度之间的差值；ΔT_a表示的是林下空气温度和林外空气温度之间的差值；

所述陆地水量平衡模型根据以下方法构建：

ET＝P-R-ΔS

其中，ET为年蒸散量(mmyr^-1)；P为年降雨量(mmyr^-1)；R为年径流量(mmyr^-1)；ΔS表示的是系统当年储水量和上一年储水量之间的差值(mmyr^-1)；

森林地表能量-陆地水量平衡模型和非森林地表能量-陆地水量平衡模型根据以下方法构建：

根据系统的潜热损失LE和年蒸散量ET之间的关系，可以获得：

LE＝λET

其中，λ为转换系数；

根据所述三层森林地表能量平衡模型和所述陆地水量平衡模型，联合潜热损失LE和年蒸散量ET之间的关系，获得：

森林地表能量-陆地水量平衡模型：

非森林地表能量-陆地水量平衡模型：

其中，R为年径流量(mmyr^-1)；ΔS表示的是系统当年储水量和上一年储水量之间的差值(mmyr^-1)；P为年降雨量(mmyr^-1)；ρ_a是空气密度；C_p是空气定压比热容量；λ为转换系数，取值为2500；r_s表示土壤层与林下空气层间显热传递阻力系数；T_so、T_ao和T_c分别表示林外土壤表层温度(K)、林外空气温度(K)、植被冠层温度(K)；r_c,a、r_a,c分别表示冠层与林外空气层间显热传递阻力系数、林下空气层与冠层间显热传递阻力系数；ΔT_s表示的是林下土壤温度和林外土壤温度之间的差值；ΔT_a表示的是林下空气温度和林外空气温度之间的差值；a为地表反射率；为太阳向下短波辐射；LW为净长波辐射(W/m²)，LW＝LW_in-LW_out，其中，LW_in为进入系统的长波辐射(W/m²)，LW_out为系统输出的长波辐射(W/m²)，其中，R_sky和R_soil分别为大气发射的长波辐射和土壤发射的向上长波辐射，R_canopy为冠层发射的长波辐射，为传递系数，表示林冠层对净辐射的截留率，LAI为叶面积指数；c是净辐射在植被冠层中的消减指数，u为太阳天顶角θ的余弦值；G_soil为土壤热通量；

具有生物物理意义的森林种植水资源效应定量评估模型根据以下方法构建：

将森林地表能量-陆地水量平衡模型与非森林地表能量-陆地水量平衡模型作差，获得：

式中，为水资源效应系数；Δa表示的是森林地表反射率与非森林地表反射率之间的差值；T_c表示的是林冠层温度；T_ao表示林外空气温度；λ为转换系数，取值为2500；P为年降雨量；ρ_a是空气密度，取值1.25kg/m³；C_p是空气定压比热容量，取值1004J/(kgK)；r_c,a、r_a,c分别表示冠层与林外空气层间显热传递阻力系数、林下空气层与冠层间显热传递阻力系数；为太阳向下短波辐射；r_s表示土壤层与林下空气层间显热传递阻力系数；ΔT_a表示的是林下空气温度和林外空气温度之间的差值；ΔT_s表示的是林下土壤温度和林外土壤温度之间的差值。