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水 利 学 报

2021 年 5 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 5 期

文章编号：0559-9350（2021）05-0556-10

冰期河湖与大气的热交换模型

杨开林
（流域水循环模拟与调控国家重点实验室，中国水利水电科学研究院，北京 100038）

摘要：河湖与大气的热交换模型是计算分析冰凌形成、发展、消融时空变化规律的基础。基于现有太阳辐射、长
波辐射、蒸发和对流模型研究成果，以现场冰情要素观测及历史天气资料为依据，建立了适用于冰期计算分析的
河湖与大气的热交换非线性模型。提出了考虑晴天散射的太阳辐射计算模型，以 Iziomon 公式计算大气长波逆辐
射，以俄罗斯冬季公式计算蒸发和对流。基于现场观测雪面或冰面温度 T s接近于 T a 的实际，提出了在 T s=T a 点对
河湖与大气的多参数非线性热交换模型线性化，然后利用历史天气资料，采用线性回归的方法确定热交换系数 h sa。
研究证实：（1）气象站风级或者风速资料一般不能准确估计地势低洼河面的风速；（2）采用典型年历史天气资料得
到的 h sa可用于预测其他年的热交换；（3）h sa与 T a成正比，且北京、沈阳、保定、包头的 h sa的平均值>10.0 W/（m·℃）；
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（4）漠河和拉萨的 h sa略小于北京等地区。
关键词：冰期；太阳辐射；长波辐射；蒸发和对流；线性化；热交换系数
中图分类号：P332.8 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200550

1 研究背景

河湖与大气的热交换模型是计算分析冰凌形成、发展、消融时空变化规律的基础，也是太阳能
利用、气候变化、水文、水资源研究的重要课题。河湖热交换是指敞露水面、冰盖和雪盖与太阳辐
射、长波辐射、表面蒸发和对流、降雪或降雨之间的热交换。
［1］
Ashton 归纳总结了当时河湖与大气的热交换模型，建议采用 Angström 日照百分率模型和 Wun⁃
derlich 云量百分率模型计算太阳辐射，并在分析冰情的过程中采用线性化模型描述冰期河湖与大气
的热交换，即取河湖与大气的净热通量 ϕ = -h (T - T a ) ，式中： h 为热交换系数，T 为河湖表面
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温度，T 为气温。不过，他没有给出如何选取h 的方法。
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Angström 和 Wunderlich 模型的特点是采用晴天直射为云天太阳辐射计算的起始值，没有考虑晴天
散射辐射的影响。王炳忠等 ［2-3］ 以理想大气晴天日射为云天太阳辐射计算的起始值，考虑了晴天散射
辐射的影响，成果被《凌汛计算规范（SL428—2008）》采用，不过计算的过程比较复杂，需要查专用图
［4］
表。和清华等 利用中国 54 个站 1961—2000 年的逐日太阳总辐射和日照百分率资料，以线性日照百
分率模型为基础，分别以天文辐射、晴天日射和理想大气日射作为起始值建立了各站的太阳辐射回
归方程，推荐采用以天文辐射为起始值计算云天辐射。这就产生了一个问题，在河湖冰工程中采用
那一个太阳辐射模型较好。
［6］
Ashton 提出的线性化模型形式已经在冰工程中得到广泛应用 ［5-8］ 。沈洪道 针对北美地区，采用
［8］
［7］
h =20.0W/（m·℃）。蔡琳等 和冀鸿兰等 针对黄河，当水面敞露时，取h =10.0W/（m·℃）；当冰封
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收稿日期：2020-07-22；网络首发时间：2021-03-05
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210305.1417.002.html
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基 金 项 目 ： 水 利 部 公 益 性 行 业 科 研 专 项（201501025）； 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目（2018YFC1508403）； 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目
（51979291，52009144）
作者简介：杨开林（1955-），教授级高级工程师，主要从事水力控制研究。E-mail：yklciwhr@sohu.com
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