土壤熱通量計算器

重點速覽：土壤熱通量（soil heat flux, G）指的是熱量以傳導方式在土壤中流動、進出地表下土層的速率，以每平方公尺多少瓦（W/m²）表示，是理解地表能量收支與土壤溫度動態的關鍵物理量。要理解它，先看地表的『能量平衡』：白天太陽照射，地表接收到的淨輻射（Rn，扣掉反射與長波放射後的淨得能）並不會全部用來蒸發或加熱空氣，而是分配成三部分——感熱通量 H（把熱交給貼近地面的空氣，使氣溫上升）、潛熱通量 LE（供蒸發散把水汽化帶走的能量）、以及土壤熱通量 G（向下傳入土壤、被土壤儲存起來使地溫上升）。寫成 Rn = H + LE + G。白天 G 通常為正（熱向下傳、土壤吸熱升溫），夜間地表冷卻、G 常轉為負（熱由較暖的深層向上傳回地表、土壤放熱）。G 雖然在日尺度上占淨輻射的比例不大（常 10–30%，且日間累積的熱夜間多會釋回，日總量小），但它對地表與根區溫度變化、對用能量平衡法或波文比法估算蒸散量都很重要——估蒸散時 LE = Rn − H − G，若忽略或錯估 G 會直接造成蒸散誤差。那 G 怎麼算？最基本的物理依據是傅立葉導熱定律：熱由高溫處往低溫處傳，通量正比於溫度梯度與材料的熱導率。對土壤取一維（垂直方向）近似，在兩個相近深度各埋一支地溫計，測得上（較淺）點溫度 T表 與下（較深）點溫度 T深，兩點深度差為 z，則土壤熱通量為 G = λ × (T表 − T深) ÷ z。式中 λ 是土壤熱導率（W/m/K），代表土壤導熱的能力——它強烈受含水量影響：乾砂約 0.3 W/m/K（乾土多孔、空氣是熱的不良導體，導熱差），隨含水量增加而上升，濕潤壤土約 1–2 W/m/K，飽和或緊實黏土更高；礦物成分、密度、孔隙度也有影響。(T表 − T深) 是上下兩點的溫差，除以深度差 z 就是垂直溫度梯度（K/m）。符號約定上，若淺層比深層暖（T表 > T深，常見於白天），(T表 − T深) 為正，G 為正，代表熱向下傳、土壤吸熱；若深層比淺層暖（夜間），G 為負，熱向上傳、土壤放熱。舉例，某土壤熱導率 λ = 1.2 W/m/K，淺層（如 0.05 m 深）溫度 T表 = 25°C、深層（如 0.15 m 深）溫度 T深 = 18°C，兩點深度差 z = 0.10 m：G = 1.2 × (25 − 18) ÷ 0.10 = 1.2 × 7 ÷ 0.10 = 1.2 × 70 = 84 W/m²。也就是這個溫度梯度與熱導率下，約有 84 瓦/平方公尺的熱正向下傳入土壤、使地溫上升。這個結果的用途：其一，微氣象與蒸散估算——在能量平衡/波文比或渦流相關法中，G 是必須量測或估算的分量，直接影響潛熱與蒸散的推求；其二，農學與土壤物理——理解白天地表儲熱、夜間釋熱的節律，配合土壤溫度深度衰減判斷根區與播種層的熱環境；其三，能源與工程——地表覆蓋（mulch、殘體）改變 λ 與地表溫度會改變 G，影響地溫管理與地熱利用評估。使用本一維導熱模型與工具要注意幾點：一是熱導率 λ 的取值最關鍵且變化大，務必依土壤質地與『當時含水量』選取或實測，用乾土值算濕土會嚴重低估；二是本式是有限差分近似，假設兩測點之間 λ 均勻、溫度線性，測點要夠近且埋設精確，深度差 z 誤差會直接傳遞；三是實務上 G 隨時間與土壤儲熱變化（非穩態），瞬時梯度法只給該時刻的通量，日尺度分析常改用熱通量板加校正、或結合溫度剖面與熱容量的『組合法（combination/calorimetric method）』；四是符號與正負向要與你的能量平衡約定一致（本工具以 T表 > T深 時 G 為正、熱向下）。總之，土壤熱通量以傅立葉導熱一維近似 G = λ·(T表 − T深)/z，把熱導率與地溫梯度結合成熱流速率，是地表能量平衡、蒸散估算與土壤熱環境分析的基礎。