水熱平衡（水熱平衡）

概念

水熱平衡研究的基本思想是，在地表水分平衡和熱量平衡各分量研究成果的基礎(chǔ)上，建立水分和熱量各組成要素之間的依賴關(guān)系，找出水熱相互關(guān)系對(duì)地理環(huán)境形成演變和發(fā)展的影響，把自然地理學(xué)的研究引向深入。

研究?jī)?nèi)容

水熱平衡的基本研究?jī)?nèi)容可分為：水分和熱量各要素之間的關(guān)系；利用水熱關(guān)系資料揭示地理綜合體內(nèi)的物理過(guò)程。

關(guān)于水分和熱量各要素之間關(guān)系的研究，可以舉出水熱平衡聯(lián)系方程加以說(shuō)明。水熱平衡聯(lián)系方程由地表水量平衡方程式和熱量平衡方程式導(dǎo)出。地表水量平衡方程式為：降水(r)=蒸發(fā)（E）徑流(R) 水分儲(chǔ)量變化(△S)；熱量平衡方程式為：凈輻射(Q)=湍流熱通量(P) 蒸發(fā)耗熱量(LE) 　土壤熱交換量 (A)。在這兩個(gè)方程式中都有蒸發(fā)項(xiàng)，因此它們是有聯(lián)系的。

當(dāng)土壤很干燥時(shí)，全部降水最終消耗在蒸發(fā)上，徑流系數(shù)R/r（徑流與降水之比值）接近于零，蒸發(fā)系數(shù)E/r（蒸發(fā)與降水之比值）接近于1。土壤的平均干旱程度隨著凈輻射的增加和降水量的減少而增強(qiáng)，則有：當(dāng)Q/Lr（輻射干燥指數(shù)，式中L為蒸發(fā)潛熱）→∞時(shí),R/r→0或E/r→1。隨著Q/Lr比值的減小，E/r將要減小，即有一定量的徑流要產(chǎn)生。而當(dāng)降水量足夠大和凈輻射足夠小時(shí)，土壤上層將達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)濕狀況，此時(shí)主要的熱量消耗將是蒸發(fā)，即Q/Lr→0時(shí)，LE→Q。這些就是水分、熱量各要素相互之間關(guān)系的一般情況。

最早出現(xiàn)的水熱平衡聯(lián)系方程，是施瑞伯方程：和奧里捷柯普方程：,式中e為自然對(duì)數(shù)的底;th為雙曲線正切函數(shù);E為該條件下的最大可能蒸發(fā)量（決定于該地充分濕潤(rùn)條件下的凈輻射Q,E=Q/L）。將E=Q/L代入奧里捷柯普和施瑞伯方程，并對(duì)它們進(jìn)行幾何平均，則有，和三個(gè)函數(shù)式，這三個(gè)函數(shù)式確定了年平均蒸發(fā)量、降水量、凈輻射之間的水熱平衡依賴關(guān)系。如果從水量平衡方程出發(fā)，考慮多年平均狀況時(shí)水分儲(chǔ)量變化為零，還可得到和兩個(gè)表示徑流、徑流系數(shù)和降水量、凈輻射的水熱平衡依賴關(guān)系。

蘇聯(lián)學(xué)者М.И.布德科和 А.А.格里戈里耶夫通過(guò)全球陸地地理帶和地帶周期律的分析，研究了地理綜合體內(nèi)的物理過(guò)程。他們引入輻射干燥指數(shù)，定義為年輻射和以熱量單位表示的降水量之比，發(fā)現(xiàn)輻射干燥指數(shù)等值線和地帶界線的方向相當(dāng)吻合，證明這個(gè)指數(shù)對(duì)有水分參加的各種自然過(guò)程的綜合體的發(fā)展有著決定性意義，特別是對(duì)土壤的濕潤(rùn)性質(zhì)和狀況有著明顯影響，而濕潤(rùn)情況對(duì)地理環(huán)境中所發(fā)生的生物過(guò)程和許多非生物過(guò)程的性質(zhì)和強(qiáng)度又有直接的關(guān)系。他們同時(shí)引入凈輻射到區(qū)域研究，發(fā)現(xiàn)凈輻射在地理帶區(qū)分中具有重要意義，證明凈輻射是大多數(shù)自然過(guò)程能量的基本來(lái)源。他們把凈輻射和輻射干燥指數(shù)結(jié)合起來(lái)，在垂直方向上由低至高對(duì)凈輻射分級(jí)排列，而在水平方向上把輻射干燥指數(shù)由小至大加以排列，得到了全球陸地的地理帶和地帶的周期系統(tǒng)。

研究意義

水熱平衡過(guò)程的研究對(duì)促進(jìn)地理學(xué)的發(fā)展具有重要意義。事實(shí)上，地理環(huán)境各蛤成分之間的熱量交換和水分交換，是地理環(huán)境各成分之間物質(zhì)能量交換的基礎(chǔ)。這種過(guò)程使地理環(huán)境變?yōu)橐粋€(gè)統(tǒng)一的、不可分割的、同時(shí)具有地域差異的整體。中國(guó)地理學(xué)家黃秉維指出，“熱量平衡、水分平衡及其在地理環(huán)境中的作用的理論就是自然地理學(xué)最重要的基本理論”。

地理學(xué)水熱平衡方向的發(fā)展和深入，有賴于實(shí)際資料的積累，而直至目前，地表面熱量平衡和水分平衡的數(shù)據(jù)仍相當(dāng)貧乏。隨著現(xiàn)代技術(shù)（包括野外測(cè)試技術(shù)）、遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)地理學(xué)和鄰近學(xué)科（如水文學(xué)、氣候?qū)W、土壤學(xué)等）的努力，地理學(xué)的水熱平衡研究將會(huì)進(jìn)入一個(gè)空前活躍的階段。