陆地表层系统野外实验原理与方法_精品文档.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:
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