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综合指标的植被气候分类系统
以上分类指标和分类系统均采用单一的气候因子,所确定的植被-气候界线固然有一定意义,但植物与植被对气候和其他环境因子的反应是综合的,因此必须强调气候因子的综合影响。
可能蒸散常被用作植被-气候相关分析与分类的综合气候指标,包括所有表面的蒸发与植物蒸腾,并涉及到决定植物分布的两大气候要素:温度与降水。
可能蒸散率(potential evapotranspiration ratio, PER)是可能蒸散与降水的比率。
PER是一个综合温度与水分平衡的气候指标,通常用来表征和评价植被的气候控制,或称干燥度、干燥指数、湿润指数等,这些指数通常对应于一定的植被类型。
然而,可能蒸散(PE)在实际工作中进行连续测定十分困难,通常用公式来估算,为此,许多学者进行了大量的实验和研究。估算PE的公式较多,目前应用较广的计算PE与气候分类方法有Penman公式及其改进形式,Thormthwaite公式及其气候分类,Holdridge生命地带分类系统,Budyko方法等。
1. Penman分类系统
理论上,最有确定可能蒸散(PE)的方法应涉及辐射平衡、空气温度和湿度等各种影响因素。
Penman(1948, 1956)综合了涡动传导与能量平衡的途径而推导出一个近似的计算PE的方程式,采用水汽压、净辐射、在一定温度条件下的空气干燥力以及风速来确定蒸散。
McCilloch(1956), Monteith(1965)对公式进行了改进。此后,Penman分类系统被广泛应用于估算世界各地的可能蒸散,在中国也有较多使用。
Penman(1956)的可能蒸散量的计算式为:
式中,为蒸发力(最大可能蒸散量,mm/d); H为净辐射量(换算为蒸发量单位,mm/d);△为气温Ta时的饱和水汽压曲线的斜率(/dTa);γ 为干湿表常数0.46 mm/℃; 为干燥力(mm/d)。
为太阳辐射的理论最大值(mm/d);a为反射率(水面取0.05,湿润裸土取0.10,新鲜绿色植被取0.20); n/N为日照百分率;为气温T时的理论黑体辐射(换算为蒸发量单位,mm/d);为水汽压(mm)。
式中u为2m高度的风速(mile/d);为空气的饱和水汽压(mm);(-)为百叶箱高度的饱和差(mm)。
2. Thornthwaite(桑士伟)分类系统
Thornthwaite估算可能蒸散量的方法在美国是最著名和得到最广泛应用的方法,它不仅被气候学家和植物生态学家在气候分类与联系植被-气候的定量相互关系时所应用,而且在果树、经济作物与农作物栽培中被普遍用来估测作物的灌溉需水量,从而在生产实践中起到了重要作用。
Thornthwaite(1948)分类系统是根据气温计算可能蒸散。利用实验数据得到可能蒸散与月均温之间的经验关系式,并根据实际的日长时数与每月日数进行校正后,得到校正的可能蒸散值与热量系数。又进一步根据月平均降水量与可能蒸散的差值进行土壤水分平衡的计算,从而对估量各种土壤条件下的作物灌溉需水量有参考价值。他的分类系统由3部分组成:
★最大可能蒸散量(Potential evapotranspiration)
★水分平衡计算
★水分指数及其水分气候的划分
3. Holdridge(霍尔德里季)分类系统
在众多的可能蒸散计算方法与植被-气候分类系统中,Holdridge(1947, l967)的生命地带分类系统是应用较为广泛的。该系统开始形成于热带,以后应用到其他地区,最后扩展到全球。由于该系统简明、合理、且与植被类型密切相关,因而受到普遍重视和广泛应用。
地球表面的植被类型及其分布基本上决定于3个因素,即热量、降水与湿度,后者又取决于前两者,植物群落组合可在上述3个气候变量的基础上予以限定,这种组合就称为“生命地带”。
4. Budyko(布迪科)分类系统
Budyko (1974)认为,在陆面充分湿润条件下,陆面最大可能蒸散量可以利用确定水面蒸发量相类似的方法计算,即水面或潮湿表面的蒸发与按蒸发表面的温度计算出来的空气饱和差成正比。一般借用热量平衡方程来确定蒸发面的温度,从而可求出蒸发力。Budyko公式在理论上是有根据的,且计算方法比Penman公式简便。
由于蒸发量是根据实验求得的,因此根据水量平衡经验公式计算干燥度或湿润指数来划分气候的分类法尚有许多缺点。如果一个地区的水源无穷,那么该地区可能蒸散最好由太阳辐射平衡直接计算得到。 Budyko使用年辐射平衡与降水量蒸发需热的比来计算辐射干燥度指数(K=R/Lr,R为年辐射平衡值,Lr为降水量蒸发需热),有较好的物理意义。