水熱平衡

　　研究地表水分與熱量的相互聯繫，以及這種相互聯繫在自然地理過程和地理綜合體形成演變中的作用。它是自然地理學的一個研究方向，其基本任務是揭示地理綜合體內的物理過程，因此也可稱這一方向為水熱平衡過程或景觀地球物理。

　　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上，建立水分和熱量各組成要素之間的依賴關係，找出水熱相互關係對地理環境形成演變和發展的影響，把自然地理學的研究引向深入。

　　研究內容　水熱平衡的基本研究內容可分為：水分和熱量各要素之間的關系；利用水熱關系資料揭示地理綜合體內的物理過程。

　　關於水分和熱量各要素之間關系的研究，可以舉出水熱平衡聯系方程加以說明。水熱平衡聯系方程由地表水量平衡方程式和熱量平衡方程式導出。地表水量平衡方程式為：降水(r)=蒸發（E）+徑流(R)+水分儲量變化(△S)；熱量平衡方程式為：凈輻射(Q)=湍流熱通量(P)+蒸發耗熱量(LE)+土壤熱交換量(A)。在這兩個方程式中都有蒸發項，因此它們是有聯系的。

　　當土壤很幹燥時，全部降水最終消耗在蒸發上，徑流系數R/r（徑流與降水之比值）接近於零，蒸發系數E/r（蒸發與降水之比值）接近於1。土壤的平均幹旱程度隨著凈輻射的增加和降水量的減少而增強，則有：當Q/Lr（輻射幹燥指數，式中L為蒸發潛熱）→∞時，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生。而當降水量足夠大和凈輻射足夠小時，土壤上層將達到穩定的過濕狀況，此時主要的熱量消耗將是蒸發，即Q/Lr→0時，LE→Q。這些就是水分、熱量各要素相互之間關系的一般情況。

　　最早出現的水熱平衡聯系方程，是施瑞伯方程：

和奧裡捷柯普方程： ，式中e為自然對數的底；th為雙曲線正切函數； E 為該條件下的最大可能蒸發量（決定於該地充分濕潤條件下的凈輻射 Q， E = Q/ L）。將 E = Q/L代入奧裡捷柯普和施瑞伯方程，並對它們進行幾何平均，則有 ， 和 三個函數式，這三個函數式確定瞭年平均蒸發量、降水量、凈輻射之間的水熱平衡依賴關系。如果從水量平衡方程出發，考慮多年平均狀況時水分儲量變化為零，還可得到

和

兩個表示徑流、徑流系數和降水量、凈輻射的水熱平衡依賴關系。

　　蘇聯學者М.И.佈德科和 А.А.格裡戈裡耶夫通過全球陸地地理帶和地帶周期律的分析，研究瞭地理綜合體內的物理過程。他們引入輻射幹燥指數，定義為年輻射和以熱量單位表示的降水量之比，發現輻射幹燥指數等值線和地帶界線的方向相當吻合，證明這個指數對有水分參加的各種自然過程的綜合體的發展有著決定性意義，特別是對土壤的濕潤性質和狀況有著明顯影響，而濕潤情況對地理環境中所發生的生物過程和許多非生物過程的性質和強度又有直接的關系。他們同時引入凈輻射到區域研究，發現凈輻射在地理帶區分中具有重要意義，證明凈輻射是大多數自然過程能量的基本來源。他們把凈輻射和輻射幹燥指數結合起來，在垂直方向上由低至高對凈輻射分級排列，而在水平方向上把輻射幹燥指數由小至大加以排列，得到瞭全球陸地的地理帶和地帶的周期系統。

　　研究意義　水熱平衡過程的研究對促進地理學的發展具有重要意義。事實上，地理環境各個成分之間的熱量交換和水分交換，是地理環境各成分之間物質能量交換的基礎。這種過程使地理環境變為一個統一的、不可分割的、同時具有地域差異的整體。中國地理學傢黃秉維指出，“熱量平衡、水分平衡及其在地理環境中的作用的理論就是自然地理學最重要的基本理論”。

　　地理學水熱平衡方向的發展和深入，有賴於實際資料的積累，而直至目前，地表面熱量平衡和水分平衡的數據仍相當貧乏。隨著現代技術（包括野外測試技術）、遙感技術和計算機技術的發展，通過地理學和鄰近學科（如水文學、氣候學、土壤學等）的努力，地理學的水熱平衡研究將會進入一個空前活躍的階段。