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1 绪论1

1.1 环境物理学的定义及与社会、经济发展的关系1

1.2 环境物理学的产生与发展3

1.3 环境物理学的研究对象和方法4

参考文献4

2 环境物理学概论6

2.1 大气环境物理学概述6

2.1.1 地球大气的组成6

2.1.2 系统及其状态参量16

2.1.3 分子量与摩尔数20

2.1.4 理想气体状态方程24

2.2 大气的垂直分层28

2.2.1 温度结构分层29

2.3 大气质量及其垂直分布31

2.2.2 成分结构分层31

参考文献33

3 地球大气系统环境物理学概念34

3.1 静力平衡时大气所受的力34

3.1.1 重力34

3.1.2 气压梯度力及大气静力学方程36

3.2 大气压力的测高公式38

3.3 重力位势39

3.4 匀质大气、等温大气及多元大气中压强随高度的变化40

3.4.1 匀质大气40

3.4.2 等温大气42

3.4.3 多元大气43

3.5 标准大气模式44

3.6 空气湿度参数及其表达形式49

3.6.1 温度与饱和水汽压49

3.6.3 比湿50

3.6.4 水汽压50

3.6.2 混合比50

3.6.5 绝对湿度52

3.6.6 相对湿度52

3.6.7 露点温度Td和霜点温度Tf53

3.7 空气湿度饱和度及其表达形式53

参考文献55

4 地球系统中辐射能量传输的基本物理定律56

4.1 太阳－地球－大气环境系统中辐射的物理特征56

4.2 辐射的物理量58

4.2.1 辐射通量58

4.2.2 辐射通量密度58

4.2.3 辐射亮度59

4.2.4 辐射光谱61

4.2.5 辐射源62

4.2.6 吸收率、反射率和透过率62

4.2.7 黑体和灰体63

4.3 辐射的基本物理定律64

4.3.1 基尔霍夫定律64

4.3.2 普朗克定律65

4.3.3 斯蒂芬－玻尔兹曼定律65

4.3.4 维恩定律66

4.4 太阳辐射物理特征68

4.4.1 太阳及日地系统物理参数68

4.4.2 太阳的能量、温度和热源69

4.4.3 太阳辐射光谱和太阳常数72

4.5 地球大气上界的太阳辐射能74

4.5.1 太阳高度的概念74

4.5.2 地球大气上界的太阳辐射能75

4.5.3 日出与日落时刻76

4.5.4 日出和日落方位角79

4.6 地球运动与昼夜季节和时间80

4.6.1 昼夜长短的变化80

4.6.2 昼夜长短的纬度分布和季节变化84

4.6.3 地球的季节与五带87

参考文献92

5 土壤环境物理93

5.1 土壤环境物理特征93

5.1.1 土壤的热力特征93

5.1.2 土壤热扩散率的计算方法108

5.2 土壤热通量的计算方法115

5.2.1 拉依哈特曼－采金方法115

5.2.2 调和分析法117

5.3 土壤的温度特征119

5.3.1 土壤温度的日变化119

5.3.2 土壤中的温度梯度122

5.3.3 土壤温度日变化的数值模拟122

参考文献127

6.1 土壤中水环境物理量的一些概念128

6 土壤中水环境物理128

6.2 土壤中水的输送129

6.2.1 土壤中水的稳态输送129

6.2.2 土壤中水的瞬态输送130

6.2.3 土壤中水传导特性131

6.3 土壤中水量平衡134

6.3.1 土壤水量平衡模型134

6.3.2 土壤水量平衡方程136

6.3.3 土壤水量入渗子模型136

6.3.4 作物蒸散子模型137

6.4 土壤植物根系吸水计算及模型144

6.4.1 根系吸水机理模型145

6.4.2 半理论半经验的根系吸水机理模型146

6.4.3 经验根系吸水机理模型147

6.5 土壤水运动模型147

6.5.1 数学模型147

6.5.2 差分格式与求解方法148

6.5.3 参数的确定方法150

6.5.4 边界条件的确定方法151

6.5.5 源汇项的处理152

参考文献152

7 地球表面与大气之间环境物理交换过程154

7.1 地球表面的辐射交换过程155

7.1.1 地球表面总辐射的计算155

7.1.2 地球表面长波有效辐射的计算158

7.2 地－气之间动量的交换过程160

7.2.1 涡动相关法计算地－气间动量通量160

7.2.2 空气动力学法计算地－气间动量通量161

7.2.3 风速廓线梯度迭代法计算地－气间动量通量162

7.2.4 整体空气动力学法计算地－气间动量通量164

7.3 地－气间感热通量的交换过程165

7.3.1 涡动相关法计算地－气间感热通量165

7.3.2 波文比－能量平衡（BREB）法计算地－气间感热通量166

7.3.3 空气动力学法计算地－气间感热通量168

7.3.4 风速廓线梯度迭代法计算地－气间感热通量169

7.3.5 整体空气动力学法计算地－气间感热通量171

7.4 地－气间潜热通量的交换过程171

7.4.1 涡动相关法计算地－气间潜热通量171

7.4.2 波文比－能量平衡（BREB）法计算地－气间潜热通量172

7.4.3 空气动力学法计算地－气间潜热通量172

7.4.4 风速廓线梯度迭代法计算地－气间潜热通量173

7.4.5 整体空气动力学法计算地－气间潜热通量175

7.4.6 利用遥感冠层温度计算地－气间潜热通量176

参考文献182

8 遥感环境物理学185

8.1 遥感数据的大气校正185

8.2 地表环境物理参数的反演技术188

8.2.1 利用遥感技术确定植被指数和植被高度188

8.2.2 利用遥感技术监测干旱区环境物理的方法195

8.3 地表反照率的反演技术199

8.4 地表温度的反演技术207

8.4.1 分裂窗技术的基本理论208

8.4.2 下垫面温度的反演209

8.5 地表土壤湿度的反演方法213

8.5.1 相对反射率反演土壤湿度方法213

8.5.2 微分光谱反演土壤湿度方法214

8.5.3 差分反演土壤湿度方法214

8.6 大气可降水的反演方法216

8.6.1 反演方法217

8.6.2 大气透过率的参数化方法219

8.7 用近红外通道遥感整层水汽总量222

8.7.1 基本物理原理224

8.7.2 误差分析227

8.8 热惯量法遥感土壤水分方法229

8.9 作物覆盖下土壤含水量的热红外遥感方法235

参考文献238

9 植被冠层中的辐射传输243

9.1 地形对太阳直接辐射影响的计算243

9.2 植被冠层内太阳直接辐射透过率的计算245

9.3 太阳直接辐射透过植被冠层的计算247

9.4 植被冠层对总辐射的截获量的计算248

9.5 植被冠层内长波辐射的传输248

9.5.1 植被冠层向下长波辐射传输249

9.5.2 植被叶片水平和均匀分布的冠层向下长波辐射传输252

9.5.3 植被冠层向上长波辐射的传输253

9.5.4 植被冠层有效辐射和长波辐射净损耗256

参考文献259

10 植被与大气的物质、能量传输与贮存261

10.1 梯度扩散模式在能量和物质输送中的局限性261

10.2 高阶闭合模式264

10.2.1 二阶矩模式265

10.2.2 二阶矩模式的参数化处理267

10.2.3 高阶闭合模式268

10.3 流场轨迹模式271

10.4 空气动力学传导多层模式277

10.4.1 动量、感热和潜热参数化277

10.4.2 风速、温度和比湿的平均值的参数化278

10.4.3 湍流动能及垂直分量和温度的参数化278

10.4.4 混合长的参数化280

10.4.5 在植被冠层内的热输送281

10.4.6 植被冠层辐射模式284

10.5 土壤－植被－大气相互作用的环境物理过程286

10.5.1 土壤层的环境物理过程287

10.5.2 植被层的环境物理过程288

10.5.3 大气近地层的环境物理过程288

10.5.4 地表和植被层热通量和蒸发量的参数化289

10.6 植被冠层热量贮存模式292

参考文献295

11 生物圈与大气圈物质、能量输送300

11.1 简单生物圈模型（SiB）结构301

11.1.1 简单生物圈模型（SiB）的主要参数、驱动变量和预测变量302

11.1.2 简单生物圈模型（SiB）的主要控制方程303

11.2 改进简单生物圈模型（SiB2）305

11.2.1 增加了光合作用生理化学模块306

11.2.2 引入了光合－气孔导度方程，实现了光合作用与水汽传输的耦合306

11.2.3 使用卫星遥感数据描述植被动态参数307

11.2.4 改进简单生物圈模型（SiB2）的控制方程308

11.3 简单生物圈模型（SiB）中存在的问题310

11.4 植被光合作用、冠层气孔导度和蒸散的环境物理机理311

11.4.1 植被冠层和地表能量平衡312

11.4.2 植被冠层蒸发蒸腾的计算方法313

11.4.3 土壤－植被－大气系统阻力计算方法314

11.4.4 植被冠层植物生物物理参数的计算317

11.5 冠层内部辐射传输319

11.5.1 辐射传输方程319

11.5.2 叶角分布函数321

11.5.3 光合有效辐射的直接和散射辐射的比例322

11.5.4 冠层总光合速率323

11.5.5 土壤水分胁迫对冠层总光合速率的影响324

11.5.6 植物呼吸速率的计算324

11.5.7 土壤呼吸速率的计算325

参考文献327

12 陆面生态系统环境物理过程预测方法331

12.1 地面温度Tg的确定方法331

12.1.1 多层土壤方法331

12.1.2 地表能量平衡方程法332

12.1.3 HA强迫法333

12.1.4 强迫恢复法334

12.2 地面温度Tg的其他近似确定方法和试验结果335

12.3 土壤含水量的强迫恢复处理338

12.4 单层植被环境物理过程的参数化340

参考文献346

13 土壤－植被－大气系统环境生物物理过程349

13.1 土壤表面环境生物物理过程349

13.2 植被冠层环境生物物理过程355

13.3 阻力系数和空气动力学阻力358

13.4 表面辐射环境生物物理过程359

13.5 植被热量和水汽的输送过程361

13.6 土壤温度的预测369

13.7 地表水文过程373

参考文献376

14 土壤－植被－大气系统水分输送环境物理模式378

14.1 大气子系统参数化380

14.1.1 大气动力、热力和水汽基本方程380

14.2 植被子系统参数化381

14.1.2 边界层湍流参数化381

14.3 土壤子系统参数化383

14.3.1 地表能量参数化383

14.3.2 土壤含水量和表面湿度参数化386

14.4 模式的初、边值条件及数据的处理方法388

14.4.1 数据的处理方法388

14.4.2 模式的初值条件388

14.4.3 模式的边界条件390

14.5 不同植被覆盖度对地表热力平衡的影响390

14.5.1 地表蒸散的连续变化和逐日变化390

14.5.2 地表含水量的连续变化和逐日变化393

14.5.3 地表温度的连续变化和逐日变化395

14.5.4 地表能量的变化398

14.6 验证性实验400

14.6.1 改变冠层风速对蒸腾的影响400

14.6.2 改变土壤表层含水量wg和土壤净含水量w2对蒸腾的影响402

14.6.3 地表含水量饱和时的蒸散变化及地表含水量变化404

14.6.4 对Noilhan订正的验证405

参考文献408

15 森林植被陆面物理过程及局地环境气候效应410

15.1 模式介绍411

15.1.1 大气子系统方程411

15.1.2 湍流交换系数412

15.1.3 辐射能量通量413

15.1.4 植被层子系统415

15.1.5 土壤子系统416

15.2 差分格式、边界条件与初条件419

15.3 森林生态系统环境物理特征421

15.4 非均匀森林植被陆面物理过程和大气边界层423

相互作用及局地气候效应423

参考文献437