耦合CFD的土壤-植物-大气连续体模型：模拟异质微气候下植物能量与水分交换的新方法

《Agricultural and Forest Meteorology》：A Soil–Plant–Atmosphere Continuum model coupled to CFD to simulate plant energy and water exchanges in heterogeneous microclimates

本文推荐一种将土壤-植物-大气连续体（SPAC）模型与计算流体力学（CFD）软件code_saturne耦合的新方法，通过三维辐射模型模拟异质微气候（如短波/长波辐射、风速、气温）对植物能量平衡（如潜热/显热通量）和水分交换（如土壤含水量、气孔导度）的影响。该模型在ICOS实测数据验证中误差<20%，为农业光伏、农林复合等场景的植物响应研究提供高精度工具。

　　

结果

在所有后续结果中，辐射交换以及感热和潜热通量代表了土壤和植物共同参与的贡献。首先，在3.1节中将模型与连续五天的实验数据进行比较，并在3.2节中对十九个独立天数进行评估。接着，分别在3.3节（水分含量与能量交换的耦合）和3.4节（短波辐射急剧变化的影响）中研究水分胁迫和短波辐射剧烈变化的影响。

分析与模拟误差的潜在原因

本节将研究与总能量交换相关的总模拟误差（定义为第2.3.2节中的ε_tot(t)），并讨论其成因。总模拟误差相对于总能量交换被分解为净短波辐射误差、净长波辐射误差、潜热通量误差和感热通量误差。图12表明，相对于总能量交换，总模拟误差保持在20%以下。

结论与展望

A. Tuzet的土壤-植物-大气连续体模型已与高保真计算流体力学平台code_saturne耦合。结合三维辐射模型，该耦合能够研究空间异质和时间变化的微气候条件下的植物和土壤温度以及土壤含水量。模型模拟了能量和水分交换，并考虑了短波和长波辐射的影响，以及风速、气温和水汽的影响。