基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术公开是关于基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法、系统及应用，涉及作物培育领域，该基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法包括以下步骤：步骤1：建立地表能量平衡计算模型；步骤2：建立热平流计算模型；步骤3：利用无人机热红外影像获取地表温度，建立作物蒸散量计算模型；步骤4：将步骤1与步骤2的数据代入步骤3中，获取作物蒸散量，并分析气候要素对作物蒸散量的贡献率。本公开技术方案本文基于无人机(UAV)热红外遥感反演农田表面温度，采用地表能量平衡方程、热平流计算模型，计算农田热平流能量值，通过基于热红外的作物蒸散模型结合热平流计算模型，推导基于热平流项的作物蒸散模型计算法。

【技术实现步骤摘要】
基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法、系统及应用
本专利技术公开涉及作物培育领域，尤其涉及基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法、系统及应用。
技术介绍
地表能量平衡是气候系统能量过程的关键环节，一旦表面能量发生非均质性，就会发生热平流A。对热平流等能量交换过程的深入研究，将有助于进一步了解农田作物区域能量和物质循环以及田间小气候变化过程，在农业生产研究中具有重要意义。20世纪80年代末，人们发现野外试验观测的地表能量普遍具有显著的不平衡现象。仲雷等(2006年)研究得出曲宗地区能量平衡各分量以及地面加热场具有明显的季节变化和日变化规律。郭建侠等(2008年)对玉米生育期地表能量平衡进行多时间尺度特征分析及不平衡原因的探索。张强等(2012年)在分析地表能量不平衡差额变化特征基础上,研究土壤热储存项和近地层大气垂直感热平流输送项对地表能量不平衡的影响,并讨论近地层垂直速度和温度梯度对垂直感热平流输送的影响机制。官聪(2013年)分析研究了热带太平洋热平流的基本特征与变化，指出热平流是热带太平洋气候系统形成和变异的重要因子。郝小翠等(2015年)分析垂直感热平流输送对LAS和EC观测感热通量差异的影响。杨丽薇等(2017年)通过夏季近地层能量平衡与输送分析，引入土壤浅层热储存和垂直运动引起的平流输送，闭合率显著提高。QhasemKeikhosravi等(2019年)研究热浪对伊朗各大城市热岛加剧的影响。VicenteGarcía-Santos等(2020年)利用遥感卫星结合无人机(UAV)热红外生成LST地图，分析了亚公里尺度的温度不均质性及其对地表-大气能量相互作用的影响,指出无人机热红外对未来研究地面热平流潜在优势。WangWei等(2020年)提出大气平流导致了冠层和地表热岛的差异。LinChen等(2020年)研究热平流对多年冻土上道路热态的影响。众多学者多年来从各自研究方向，分析阐述热平流相关内容。无人机(UAV)相较于卫星遥感，具有灵活便捷，可低空飞行等特点，且不受云量等因素影响。无人机(UAV)热红外遥感平台在田间尺度上具有高空间分辨率，能够高精度获取区域地面温度参数变化。无人机遥感平台的应用弥补了卫星遥感像元精度限制，目前，应用无人机(UAV)热红外遥感平台为数据采集手段，以农田尺度分析田间热平流相关研究较少。解决上述技术问题的难度：大多以遥感卫星数据作为支撑，尺度高，范围大，不能很好的计算分析农田小区域内热平流变化；遥感卫星模糊了田间尺度下不同能量交换及热平流存在的影响，使研究范围、尺度等受到限制；遥感影像降尺度处理方法多样，缺乏统一的计算规范，因此，如何获取高分辨率，较低尺度遥感数据并建立相关的计算模型成为研究农田小区域范围内热平流能量的关键。解决上述技术问题的意义：第一、通过基于热红外的作物蒸散模型结合热平流计算模型，推导基于热平流项的作物蒸散模型计算法，反演冬小麦日蒸散量ETc分布影像，与涡度实测蒸散量具有良好的相关性；第二、利用无人机热红外遥感平台，计算得到不同像元点热平流值，应用热平流项的作物蒸散模型计算法，将热平流项A与蒸散量ETc结合，即田间作物蒸散量模型中引入热平流项A，根据不同点位热平流值，计算其对应蒸散量。
技术实现思路
为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法、系统及应用。所述技术方案如下：根据本专利技术公开实施例的第一方面，提供基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法，该基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法包括以下步骤：步骤1：建立地表能量平衡计算模型；步骤2：建立热平流计算模型；步骤3：利用无人机热红外影像获取地表温度，建立作物蒸散量计算模型；步骤4：将步骤1与步骤2的数据代入步骤3中，获取作物蒸散量，，并分析气候要素对作物蒸散量的贡献率。在一个实施例中，所述建立地表能量平衡计算模型步骤，具体包括以下步骤：步骤1.1：建立地表能量平衡方程地表能量平衡方程表示为：Rn-G-S＝H+LE(1)式中：Rn为净辐射；G为土壤热通量；S为植被冠层热储存量变化；H为显热通量；LE为潜热通量；步骤1.2：建立忽略植被冠层热储存量变化的地表能量平衡方程：由于植被冠层热储存量变化S极小通常被忽略，因此，能量平衡方程可表示为：Rn-G＝H+LE(2)式中：Rn为净辐射；G为土壤热通量；H为显热通量；LE为潜热通量；步骤1.3：建立表面能量发生非均质性变化时的地表能量平衡方程：表面能量发生非均质性，就会发生热平流A，通常的四项能量平衡不再闭合，其表达式为：Rn-H-LE-G+Imb＝0(3)其中：不平衡项Imb是体积内的蓄热S、生物热交换B、温度的总和趋势TT，热平流A，和任何其他不可解释的因素Ot的总和，其表达式为：Imb＝S+B+TT+A+Ot。在一个实施例中，所述建立热平流计算模型步骤：热平流A是能量不平衡Imb主要的部分，其计算模型为：式中：ρ为空气密度，单位kg/m3；Cp为比热容，单位J/kg/℃；Δz为大气高度，单位m；U为风速，单位m/s；ΔT是两点之间的热梯度，此处用(Tc-Ta)表示，Tc为热红外温度、Ta为涡度空气温度，单位℃；ΔX为两点之间的距离，单位m。在一个实施例中，所述利用无人机热红外影像获取地表温度，建立作物蒸散量计算模型步骤中，其具体为，步骤3.1：获取无人机热红外影像；步骤3.2：提取无人机热红外温度；步骤3.3：建立基于热红外的作物蒸散就散模型根据冠层和空气阻力计算蒸散发的Penman-Monteith方程表达式为：基于rc/ra的冠层温度表达式为：联立(5)、(6)式得：式中：ETc为作物蒸散量，mm/day；Rn为净辐射，MJ/m2·day；G土壤热通量，MJ/m2·day；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；es-ea为饱和水汽压差，kPa；Δ饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；γ为湿度计常数，kPa/℃；Cp为空气定压比热容，1.013×10-3MJ/(kg·℃)；rc为冠层阻抗、ra为空气动力学阻抗，s/m；Tc为冠层温度、Ta为空气温度，℃；在一个实施例中，步骤3.3：建立基于热平流项的作物蒸散计算模型根据公式(6)、(7)，结合热平流项A计算公式(4)，联立得：即推导得出基于热平流项A的作物蒸散模型，式中参数含义均与上文相。在一个实施例中，所述步骤3.1获取无人机热红外影像，其具体为，无人机数据采集时间为上午10:00～12:00，无人机飞行高度50-70m，速度2m/s-4m/s，飞行时间约为2.5min-3.5min。步骤3.2：提取无人机热红外温度；在一个实施例中，所述步骤3.2：提取无人机热红外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法，其特征在于，该基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法包括以下步骤：/n步骤1：建立地表能量平衡计算模型；/n步骤2：建立热平流计算模型；/n步骤3：利用无人机热红外影像获取地表温度，建立作物蒸散量计算模型；/n步骤4：将步骤1与步骤2的数据代入步骤3中，获取作物蒸散量，并分析气候要素对作物蒸散量的贡献率。/n

【技术特征摘要】
1.基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法，其特征在于，该基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法包括以下步骤：
步骤1：建立地表能量平衡计算模型；
步骤2：建立热平流计算模型；
步骤3：利用无人机热红外影像获取地表温度，建立作物蒸散量计算模型；
步骤4：将步骤1与步骤2的数据代入步骤3中，获取作物蒸散量，并分析气候要素对作物蒸散量的贡献率。


2.根据权利要求1所述的基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法，其特征在于，所述建立地表能量平衡计算模型步骤，具体包括以下步骤：
步骤1.1：建立地表能量平衡方程
地表能量平衡方程表示为：
Rn-G-S＝H+LE(1)
式中：Rn为净辐射；G为土壤热通量；S为植被冠层热储存量变化；H为显热通量；LE为潜热通量；
步骤1.2：建立忽略植被冠层热储存量变化的地表能量平衡方程：
由于植被冠层热储存量变化S极小通常被忽略，因此，能量平衡方程可表示为：
Rn-G＝H+LE(2)
式中：Rn为净辐射；G为土壤热通量；H为显热通量；LE为潜热通量；
步骤1.3：建立表面能量发生非均质性变化时的地表能量平衡方程：
表面能量发生非均质性，就会发生热平流A，通常的四项能量平衡不再闭合，其表达式为：
Rn-H-LE-6+Imb＝0(3)
其中：不平衡项Imb是体积内的蓄热S、生物热交换B、温度的总和趋势TT，热平流A，和任何其他不可解释的因素Ot的总和，
其表达式为：Imb＝S+B+TT+A+Ot。


3.根据权利要求2所述的基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法，其特征在于，所述建立热平流计算模型步骤：热平流A是能量不平衡Imb主要的部分，其计算模型为：



式中：ρ为空气密度，单位kg/m3；Cp为比热容，单位J/kg/℃；Δz为大气高度，单位m；U为风速，单位m/s；ΔT是两点之间的热梯度，此处用(Tc-Ta)表示，Tc为热红外温度、Ta为涡度空气温度，单位℃；ΔX为两点之间的距离，单位m。


4.根据权利要求1所述的基于热平流对非均匀下垫面蒸散发的计算方法，其特征在于，所述利用无人机热红外影像获取地表温度，建立作物蒸散量计算模型步骤中，其具体为，
步骤3.1：获取无人机热红外影像；
步骤3.2：提取无人机热红外温度；
步骤3.3：建立基于热红外的作物蒸散就散模型；
根据冠层和空气阻力计算蒸散发的Penman-Monteith方程表达式为：



基于rc/ra的冠层温度表达式为：



联立(5)、(6)式得：



式中：ETc为作物蒸散量，mm/day；Rn为净辐射，MJ/m2·day；G土壤热通量，MJ/m2·day；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；es-ea为饱和水汽压差，...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏征，陈鹤，张宝忠，李益农，蔡甲冰，彭致功，陆榕彬，谢薇，谢天慧，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11