下垫面是指地球表面与大气直接接触的物质层，是大气与地表进行能量、水分和 能量 交换的界面 （ 简单理解为：地区的地表形态 ） 。 下垫面类型不同导致局部的 气候系统、水循环和生态环境 具有相对特殊性 。
一、主要类型
1.自然下垫面
陆地：森林、灌丛、草原、沙漠、冰雪覆盖区等，
水体：海洋、湖泊、河流、湿地等。
过渡类型：沼泽、苔原等。
2.人工下垫面
城市、乡村等人类活动改造的表面。
二、判断依据
固定划分依据
反照率、热导率、比热容、粗糙度、渗透率的不同量化
·反照率：冰雪反照率高（60%~90%），吸收热量少，因而地表温度低；森林反照率低（10%~20%），吸收热量多，因而地表温度高。反照率（新雪0.8-0.9 vs 森林0.1-0.2）
·热导率（沙土0.3 W/(m·K) vs 腐殖质0.15 W/(m·K)）（当沙土厚度为1米、两侧温差为1开尔文时，每秒通过1平方米面积传导的热量为0.3焦耳。）
典型导热率对比：花岗岩（2-3）、沙土（0.3-0.5）、黏土（0.2-0.3）、新雪（0.05-0.10）、空气（0.024）
·比热容（热力学）参数：比热容（水体的4186 J/(kg·K) vs 混凝土的880 J/(kg·K)）（千克/开尔文）
· 粗糙度参数：植被覆盖度（整体植被）、曼宁系数（单一植被）、粗糙度长度、孔隙度（城市建筑区<5% vs 自然土壤30-50%）
· 水文学参数：渗透率（初始和稳定下渗率）、衰减系数（与孔隙度负相关）、 粗糙度系数（草地曼宁系数0.035 vs 水泥地面0.013）
附注：下渗应考虑时间和空间尺度，比如季节变化对下垫面的影响，比如冬季积雪改变反照率，夏季植被生长改变粗糙度和蒸腾。空间尺度，比如不同下垫面的空间分布如何影响区域气候差异。
拓展一、
影响地面温度的因素
不同下垫面的反照率（反射太阳辐射的能力）和比热容（物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量）差异显著。
（1）物理学原理：
地表能量平衡方程：Rn=H+LE+G
Rn（净辐射）：地表接收的太阳辐射与反射、长波辐射损失的差值，受反照率控制。
H（感热通量）：通过湍流（理解为空气对流的复杂形式）直接加热空气的能量，与气温升高直接相关。
LE（潜热通量）：通过水分蒸发/蒸腾耗散的能量，不直接加热空气，但影响湿度。
G（土壤热通量）：传入地下的能量，日间储热、夜间释放，受热导率影响。
（2）鲍恩比的物理内涵
定义：β=H/LE
物理意义：单位面积上感热与潜热的能量分配比例，是下垫面干湿状态的核心指标，受下垫面水分可用性（下垫面含水量多少的影响）。水分充足时，蒸发阻力小，潜热通量（LE）优先发展（如湿地 LE 占比可达85%）。
β越大，意味着下垫面水分蒸发量越少，下垫面越干旱。
取值范围：
湿润地表（水体、雨林）：β<0.3（潜热主导，蒸发旺盛）
半湿润地表（农田、草地）：0.3 <β<1.0< pan>
干燥地表（沙漠、城市）：β>1.0（感热主导，气温骤升）
（3）地理场景中的鲍恩比效应
湿润地表（低鲍恩比）：热带雨林、水稻田、湖泊
气候效应：空气湿度高，气温日较差小（如亚马逊雨林日温差仅2~3℃）。水汽凝结释放潜热，促进云层发展，形成降水正反馈。
干燥地表（高鲍恩比）：沙漠、城市硬化地面、裸露岩石
气候效应：空气干燥，气温日较差大（撒哈拉沙漠日温差可达40℃）。
城市热岛效应：硬化地面（β=5.0）导致感热积聚，比郊区气温高3~5℃。植树造林（β=0.3）可通过增加潜热缓解升温。
绿洲效应：干旱区绿洲（β=0.5）通过蒸发冷却，形成局地环流（绿洲-沙漠风）。
气候变化中的鲍恩比反馈：北极冻土融化导致地表湿润化，鲍恩比从1.2降至0.8，潜热增加加速云层覆盖，形成复杂辐射强迫。全球变暖背景下，地中海地区鲍恩比上升（β 从0.8→1.5），干旱风险加剧。感热通量加热近地面空气，形成强烈上升气流，诱发沙尘暴。
拓展二：
沙土热导率的地理影响
(1) 地表温度日较差
干燥沙土：
白天：太阳辐射热量仅能传导至浅层（约20cm深度），地表快速升温（如沙漠日温可达50℃）。
夜间：浅层储热迅速散失，地表降温剧烈（如撒哈拉沙漠昼夜温差达30℃以上）。
对比湿润土壤：
水分填充孔隙后导热率升至1.0~1.5 W/(m·K)，热量向深层传递，昼夜温差减小。
(2) 土壤冻融过程
低导热性使沙土在冬季冻结深度较浅（如东北黑土冻结1.5m，沙土仅0.5m）。
春季解冻快：沙土吸收太阳辐射后，热量集中在表层，加速融雪。
(4) 生物适应性
沙漠动物（如沙蜥）利用浅层沙土的低导热性，白天钻入沙下避暑，夜间靠余温保暖。
（5）高中地理应用案例
题目：分析塔克拉玛干沙漠昼夜温差大的原因。
答案逻辑链：
沙土热导率低（0.3 W/(m·K)） → 热量难以向深层传导；
白天太阳辐射集中于地表→ 感热通量（H）占比高 → 气温骤升；
夜间地表长波辐射强烈 + 热量无法从深层补充 → 气温骤降；
（6）整体性角度扩展思考
人类活动影响：
城市硬化地面（混凝土λ=1.5 W/(m·K)）导热快，但储热能力差，加剧热岛效应。
气候变化关联：
北极冻土退化导致有机质暴露，热导率改变（从0.5→1.2 W/(m·K)），加速深层冻土融化。
拓展三：
反照率的地理影响
(1) 反照率排名：
新雪、冰盖、旧雪（水分和杂质吸热）、沙漠、混凝土、干草地、农田、阔叶林、针叶林、沥青路面、开放水体：
(2)反照率影响因素
下垫面的类型、表面颜色、粗糙度、湿度
1.表面颜色
深色物质：（如沥青、腐殖质）吸收更多短波辐射（可见光波段反照率低）；
浅色物质：（如雪、盐碱地）通过多次散射增强反射。
2.表面粗糙度
粗糙表面：（如森林）增加光线的多次反射路径，以漫反射为主，叶片吸收占主导，整体反照率较低；
光滑表面：（如冰、静水）以镜面反射为主，反照率受太阳高度角影响显著。
3.水分含量
湿润土壤反照率比干燥土壤低20%~50%（水分子增强红外波段吸收）；
雪层含水（融雪）导致反照率下降30%~60%（液态水增加吸热）。
4.光谱选择性
植被在近红外波段反照率高（0.4~0.6），但可见光波段吸收强；
雪在可见光波段反照率均匀，近红外波段迅速下降。
拓展四：
影响下渗的因素
常见下垫面的渗透率：
黏土10-7 cm/s （附注：即每秒水在黏土中仅能下渗0.000001毫米，相当于1年渗透约3 cm）。
粉砂10-4cm/s、粗砂10-2cm/s、裂隙石灰岩10-1cm/s（相对速度（以黏土为1），裂隙石灰岩约为100万倍）
物理机制：
孔隙特征：黏土颗粒直径<0.002 mm，孔隙微小（<1微米），且因片状结构排列紧密，形成曲折渗流路径。
表面张力效应：水分子与黏土矿物（如蒙脱石）的强吸附作用，进一步阻碍流动。
下渗地理影响与现象解释
（1）水文循环阻断
产流机制：降雨强度>黏土的下渗速率。
当降雨强度 > 0.0864 毫米/天时，黏土的渗透能力（10⁻⁷ cm/s）无法及时吸收雨水，多余水量转为地表径流，黏土地表迅速形成超渗产流。
附注：公式转换：1 cm/s = 864,000 mm/d（因1天=86,400秒，1 cm=10 mm）。故 10⁻⁷ cm/s = 10⁻⁷ × 864,000 = 0.0864 mm/d。
类比：如同用吸管（黏土）喝饮料，若倒入速度（降雨）超过吸管吸力（渗透率），液体溢出（径流）
实例计算：
若1小时降雨量为1 mm（强度=1 mm/h ≈ 0.000028 cm/s≈2.8×10−5cm/s ）远超黏土渗透率（10-⁷ cm/s），99%降雨转为径流。砂土（渗透率10⁻³ cm/s）可吸收同量降雨，无径流产生。
换算公式：1mm/h=0.1cm/3600s≈0.0000278cm/s
实际降雨对比
降雨类型
强度（mm/d）
与黏土渗透率对比
小雨
0.1~10
1~100倍阈值
中雨
10~25
100~300倍阈值
暴雨
>50
>500倍阈值
结论：即使小雨（0.1 mm/d）也远超黏土渗透能力，故黏土区易涝。
（2）地理现象与灾害关联
城市地基：若日降雨>0.1 mm（如上海年均雨日134天），持续低强度降雨即可引发积水，因排水依赖人工管网（自然渗透几乎无效）。
农业影响：
土壤特性反馈：淮北平原黏土区，夏季日降雨常>10 mm，导致农田积水3~5天，小麦根系呼吸受阻根系呼吸受阻→小麦减产30%~50%乃至于窒息死亡。过量降水导致土壤承压能力<100 kPa下降，机械化作业受限（土壤承压能力<100 kPa）。长江中游黏土区，小时雨量>2 mm即引发地表径流，而砂质土壤需>10 mm。
土壤特性反馈——龟裂现象：干旱区黏土失水后收缩裂缝（裂缝宽可达5 cm），但降雨时裂缝因快速闭合反而加剧地表径流。
地下水补给：黏土层作为天然隔水层（如华北平原第四纪黏土层阻隔深层地下水补给）
工程设计：黏土区需每20米设排水沟（砂土区可放宽至100米）。
地基处理：铁路路基需掺入30%砂土以提高渗透率，否则含水率变化引发膨胀变形（黏土膨胀指数可达20%）。
垃圾填埋场防渗：压实黏土衬层（渗透率需<10⁻⁷ cm/s）是阻止污染物迁移的关键屏障。
人类改造：深耕打破犁底层可使渗透率提高10倍（从10⁻⁷→10⁻⁶ cm/s）；城市硬化地面等效渗透率<10⁻⁹ cm/s，远超天然黏土。
（3）高中地理应用
题目：为何江南黏土丘陵区暴雨后易发生滑坡？
逻辑链：
降雨强度（如50 mm/h ≈ 0.014 cm/s）>> 黏土渗透率（10⁻⁷ cm/s）→ 雨水无法下渗；
水分积聚于表层→ 土体饱和→ 自重增加+黏土矿物（如蒙脱石）遇水膨胀→ 剪切强度下降；
坡度>15°时，土体失稳滑动。
总结：10⁻⁷ cm/s的渗透率是黏土“致密性”的量化表达，其地理效应体现在水文过程、生态适应及工程实践等多维度
拓展五、
曼宁系数
曼宁系数是水文学中描述地表粗糙度对水流阻力影响的关键参数。
（1）曼宁系数的物理意义
曼宁系数反映地表物质对水流的阻碍程度，值越大，水流阻力越强，流速越慢。
例如：光滑表面（如混凝土）：n≈0.012（阻力小，流速快）
粗糙表面（如密林）：n≈0.1-0.2（阻力大，流速慢）
短草地（草高<10 cm）：n=0.035高草地（草高>30cm）n=0.05灌木丛n=0.07（草茎、根系和枯落物增加了水流摩擦，使流速比裸地降低约30%~50%。）
季节变化：冬季枯草n值比夏季低20%~30%（草茎倒伏减少阻力）
（2）地理学中的实际影响
洪水调控：草地通过高n值延缓径流，降低洪峰流量。长江中游退耕还草后，流域n值从0.025升至0.04，洪峰到达时间延迟2~3小时。
土壤侵蚀控制：流速降低减少水流冲刷力，草地比裸地减少侵蚀量60%~80%。
生态水文响应：湿地植被（如芦苇n≈0.06）通过高阻力延长水流停留时间，促进沉积物和污染物沉降。
城市水文设计：绿地与排水沟的n值差异（0.035 vs 0.013）需在设计中协调，避免局部积水。
（3）高中地理应用案例
题目：分析三江源地区恢复高寒草甸对河流水文特征的影响。
逻辑链：
1. 草甸恢复 → 曼宁系数从0.025（退化裸地）升至0.045（茂密草甸）；
2. 地表径流流速下降 → 洪峰滞后，基流增加；
3. 侵蚀减少 → 河水含沙量降低（如黄河源区近年含沙量减少15%）；
4. 生态效应：水流缓慢下渗更多，湿地面积扩大。
拓展六、
粗糙度长度对气流的阻碍作用
（1）定义：
粗糙度长度（z₀）是气象学和流体动力学中描述地表对气流阻碍作用的关键参数，表示风速降至零时的高度。地表越粗糙（如森林、城市），粗糙度长度越大对气流的摩擦阻力越强。
光滑水面粗糙度为0.0001~0.001，几乎无阻力。
短草地粗糙度为0.01~0.05，轻微阻力。
农田或灌木粗糙度为0.1~0.3，中等阻力。
森林/城市粗糙度为0.5~2.0，极强阻力。
（2）地理学中的实际影响
局地气候效应：
城市热岛增强：高粗糙度减少通风，湍流交换减弱，热量堆积（如北京城区粗糙度≈1.2 m，夏季比郊区升温2~3℃）。
防风林设计：林带可使下风向风速降低50%~70%（有效防护距离为树高15~20倍）。
污染物扩散：
高粗糙度区域（如工业区）湍流强，但垂直混合受限，可吸入颗粒物易在街道峡谷聚集。
风能开发限制：
风电场选址要求粗糙度<0.1 m，否则风机效率下降（森林区需砍伐树木降低粗糙度）。
（3）高中地理应用案例
题目：分析亚马孙雨林破坏对区域风场的影响。
逻辑链：
雨林砍伐→ 粗糙度从1.5 m降至0.1 m（牧场草地）；
地表阻力锐减→ 近地面风速增加30%~50%；
湍流减弱→ 水汽垂直输送减少，降水下降（如巴西马托格罗索州年降水减少20%）；
次级效应：土壤蒸发加剧，干旱化风险上升。
（4）参数动态性说明
季节变化：
落叶林夏季粗糙度≈0.8 m，冬季无叶时降至0.3 m。
人类改造：
城市绿化（如屋顶花园）可降低粗糙度至0.2~0.4 m，改善通风。
三、重要功能
1. 影响热量平衡
通过地面对太阳辐射的吸收和地面辐射对大气的加热作用以及大气逆辐射的保温作用，保持了地区的热量平衡。
2. 影响地面水分
下垫面的渗透性和持水能力会影响地面水分的下渗和汇聚。比如植被覆盖好的地方下渗多，地表径流少，而城市地面硬化导致径流增多，容易内涝。地表粗糙度也会影响径流的形成速度，粗糙度越大径流形成越缓慢。
植被覆盖的土壤通过蒸散（蒸发+植物蒸腾）向大气输送水分（海洋是大气水汽的主要来源。）；城市硬化路面则减少渗透，增加地表径流。
3. 局地气候调节
城市下垫面（混凝土、沥青）比热容小，导致“城市热岛效应”；水体或植被则能降温增湿。
例如：绿洲效应、湖泊效应等。
4. 空气动力学影响
粗糙度：森林或城市建筑会增加地表粗糙度，减弱风速；平坦沙漠或冰原则风速较大。
四、研究意义和典型案例
气象与气候模型：下垫面参数（如反照率、粗糙度、土壤湿度）是数值天气预报和气候模拟的关键输入。
生态与环境：下垫面变化（如城市化）可能引发区域气候异常、生物多样性丧失。城市热岛效应中人工下垫面导致城市温度比郊区高2~5℃。大面积砍伐亚马逊雨林可能减少蒸散发，导致降水减少。极地冰雪融化导致反照率下降加剧全球变暖。
灾害防治：例如，城市排水设计需考虑不透水地面的径流增加问题。
果园选址：要求具备一定的防风能力和相对适中的下垫面比热容以缓冲昼夜温差对作物的影响，同时避免因强风导致的热量散失和树枝折损
梯田设计：将坡地粗糙度从0.1提升至0.4，减少径流侵蚀（土壤流失量降低80%）
五、地理逻辑链构建
建立参数-过程-效应三级链条
（逻辑链的严谨性，可能需要从下垫面性质→能量交换过程→水文响应→气候效应的链条一步步推导，避免跳跃。）
初级链：比热容差异→温度变化速率→海陆风强度（如青岛海陆风出现频率比内陆高80%）
中级链：粗糙度梯度→湍流混合→逆温层破坏（城市通风廊道设计使PM2.5下降15-20%）
高级链：下垫面改变→行星边界层发展→区域气候调整（黄土高原治理使年降水量增加50 mm）
案例一、以城市热岛效应为例
下垫面改变：自然植被→混凝土（反照率从0.18→0.10，比热容下降80%）
能量再分配：潜热通量占比从40%→15%，感热占比升至60%
微气象响应：日间储存的热量增加（G值提高200%），夜间长波辐射增强（ε从0.92→0.94），提高大气温度
大气动力调整：边界层（空气对流运动的）高度抬升300-500 m，混合层增温2-3℃
次级环流形成：城市热低压诱发乡村风（热力环流背景）（风速降低1-2 m/s）
污染物聚集：气流稳定流向城市，污染物难以扩散，PM2.5浓度升高。
案例二、热带雨林破坏的气候效应
森林→农田：反照率从0.12升至0.20（+67%）
地表反射辐射增加→净辐射（Rn）减少
潜热通量（LE）主导转为感热通量（H）主导（鲍恩比β从0.3→1.5）
近地面升温加速对流，但水汽减少抑制云形成→区域降水减少20%~30%
数据验证：亚马逊流域观测显示，毁林区日间温度比森林区高2~3℃，年降水量减少200~400 mm。
