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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Tf 53

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