二、地球表面层的扩散传输

　　地球表面层一般是指地表面以上不超过50米厚度的那一部分大气层。由于它处于与地球的固体表面、液体表面直接接触的地位，因此它对于地理环境内物质和能量的交换与平衡，有着十分重要的意义。与此同时，在这个地球表面层(以下简称表面层)中，同时是一个固相、液相和气相的混合体，其中包括有固体的微粒、液体的液滴和气相介质，因此三相之间互相接触的表面积，远远超出了人们所能估计出的数字。加上水分这一特殊物质，在这一层中的运动和相变，更使得本来已经十分活跃的能量交换、物质交换或质能转换更加活跃。而这种活跃的质能交换、转换和平衡，对于了解自然地理过程、分析空间特有性质、估计地理环境“应力”、评价自然生产潜力等方面，是必不可少的基础研究工作，也是判断地理区域分异和探讨地域空间发生学特性所不可缺少的基础理论。

　　当水平的风吹过地球表面层时，如果这个表层是规则的平面，则风速随着地表以上高度的变化廓线，形成一个层状界面层(其中的流线彼此平行)和一个湍流扩散层，如图16-5所示。

　　在这个表面层内，经过理论推算和大量的实验研究表明，其中的动量、热量、水汽、CO2以及其他物质组分的垂直通量，随高度增加的变化近于常数。正由于如此，前面所阐述的质能传输原理，对于此层来说，恰好具有满足这种原理所规定的边界条件和约束条件，即在这个具有常数的通量层中，相对简单的、一维方向上的传输方程是适合的。为了获得计算这种传输速率所必需的测量资料，应对地域空间的特性，有一个基本的规定，即在某种意义上保持或接近均一的状况下，习惯上要求一个空间表面的非连续的水平距离变化，至少应当为50～100倍于测量各类通量时的高度，以保证所获得的测量数据，能可靠地反映各类物理量在这个表面层中的性质，只有如此，才能应用简单的和一维的方程去进行合理的计算。当不能满足该条件时，通过不均一的边界效应面所引起的平流流量，将会以噪声的形式混入到所测数据内，给垂直通量的估算带来很大误差。这种平流流量的效应，不是这里所要讨论的内容，读者如果有兴趣的话，可以参阅微气象学方面的文献，从中可以得到比较满意的收获。

　　尽管我们考虑的仅仅是一维方程，但由于湍流扩散非常复杂，所以目前所发展出来的仍然只能是一种半经验的方程。应用与分子扩散过程相近的原理，推广到或者加以某种限制后再推广到表面层的质能传输上来。有关这方面的先锋性工作，在20世纪早期为德国学者舍密德特(Schmidt)及泰勒(Taylor)、里查孙(Richard-son)等作出，而著名的苏联学派莫宁—奥布霍夫相似性理论，也得到了极为出色的成果。而从与分子扩散相类似的描述中，所得到的一个推广是：任何物理量的垂直通量，均可应用湍流扩散系数与该物理量在垂直高度上的梯度的乘积去表达，即一个通量的方程是：

　　式中ξ为那个时间量的平均浓度，z表示垂直高度。依据上边的方程，在表面层内针对不同的物理量，均可建立起一组这种类型的通量方程：

　　(1)对于动量通量(τ)而言：

　　(2)对于显热通量(H)而言：

　　(3)对于水汽通量(E)而言：