变化环境下12种潜在蒸散发估算方法在不同干湿区的适用性

以国际粮农组织(FAO)彭曼-蒙迪斯方法(简称为P-M方法)为基准,根据湿度将研究区划分为5个干湿区,从相关性、多年均值、年内空间分布以及参数特征等4个方面,深入分析包括温度法、质量传输法、辐射法等3类12种潜在蒸散发估算方法在我国31个省(自治区、直辖市)不同气候区的适用性。结果表明:研究区域内,辐射法与PM方法月相关性最好,估算多年潜在蒸散发均值明显比温度法和质量传输法更接近,其中P-T法估算效果最好,Hamon法最差;在不同干湿区,温度法和质量传输法在干旱地区与P-M方法的相关性优于在湿润地区;Penman法估算的潜在蒸散发值在干旱地区与P-M方法计算值最为接近;辐射法(除去Jensen法)在不同干湿区年内分布均好于温度法和质量传输法,其中Rohwer法在所有干湿区年内分布均最好,Abtew法在干旱地区最好,P-T、Mak、Harg和Door方法在湿润地区最好,而Jensen和Kharrufa方法则在所有干湿区年内分布最差。综合来看,辐射法在研究区域内表现最优:当研究区为湿润地区时,选择温度法和质量传输法;当研究区为干旱地区时,首选Penman和Abtew方法。     

基于SEBAL模型的河套灌区永济灌域蒸散发估算及其变化特征

蒸散发是水文循环和能量循环中的关键环节，蒸散发的准确估算对农业用水调度和水资源的管理至关重要。为探索基于遥感技术建立快捷估算区域蒸散发的方法，选取河套灌区永济灌域为研究区，利用Landsat遥感影像和土地利用分类结果，基于SEBAL模型，对永济灌域2019年生长季的日蒸散量进行估算，分析研究区蒸散发时空变化特征以及不同土地类型蒸散发的差异。结果表明：(1)SEBAL模型估算结果与FAO P-M公式相比，决定系数R²为0.94,均方根误差RMSE为0.43 mm/d,相对误差MRE为8.62%,模型反演精度较高，可以为研究区提供合理的蒸散发估算；(2)永济灌域生长季内日均蒸散量呈单峰变化趋势，最大值为7月的4.56 mm/d,最小值为10月的1.87 mm/d,并存在明显的空间分布差异；(3)不同土地利用类型的日蒸散量大小依次为：水体>耕地>城乡用地>草地>荒地。基于SEBAL模型估算区域的蒸散量，可为灌区水资源的节约利用提供参考。     

SEBAL模型在台兰河流域蒸散发研究中的应用

由于陆地表面的空间非均匀性,传统的观测手段难以由点向面拓展。采用基于地表热量平衡的SEBAL模型,利用MODIS影像数据估算了位于干旱地区的台兰河流域的实际蒸散发量及其时空分布特征。结果表明:日蒸散发量的实测值与反演值相关性为0.88,月蒸散发量的实测值与反演值相关性为0.91,精度较高。估算全年总的蒸散量约为7.04亿m3,比水量平衡法计算的蒸散量大4%。通过各精度的检验可知,该模型计算结果较为可信。     

CRAE模型在新疆和田绿洲的适用性分析

新疆和田绿洲降水较少和气候干旱,蒸散发是区域内水分消耗的主要途径,合理估算蒸散发量可为绿洲地区水资源的合理配置等提供依据。利用和田站2006-2014年的气象资料以及2006-2014年的水文资料,运用CRAE模型和水量平衡法计算和田绿洲实际蒸散发量,验证CRAE模型在该地区的适用性。结果表明:模型模拟结果平水年和多年平均实际蒸散发量结果较好,枯水年和丰水年的结果误差较大;模型计算的蒸发能力ET_p与P-M公式和Hargreaves公式相比结果更为合理;利用水量平衡系数、总量平衡系数和相关系数对计算结果进行评价,误差均在合理范围内。CRAE模型在和田绿洲地区应用效果较好,可用于估算该地区多年实际蒸散发量。     

两种蒸散发模型在辽宁西部地区的适用性及对比分析

本文以辽西大凌河西支为研究流域,分别以P-M蒸散发模型和双源蒸散发模型计算研究流域的蒸散发,并和流域内哈巴气水文站实测蒸发数据进行对比分析。定量研究了不同蒸散发输入对流域水文模拟精度的影响。研究结果表明:双源蒸散发模型更适合于辽西地区的蒸散发模拟。研究成果对于辽西地区特别是无资料地区的蒸散发模拟具有参考价值。     

不同蒸发计算方法对水文过程模拟影响的分析

为研究不同蒸发输入对流域水文模拟的影响,以印江河流域印江水文站以上集水区域为对象,将蒸发站蒸发皿实测资料和P-M公式计算的参考作物蒸散发作为模型蒸发输入,应用于垂向混合产流模型进行日径流过程模拟。研究结果表明,以P-M公式计算的参考作物蒸散发为蒸发输入的垂向混合产流模型,其模拟精度总体上要高于以蒸发皿实测蒸发为输入的模拟精度,能够更合理地模拟印江河流域的日径流过程。     

不同蒸散发模型在湿润地区的适用性研究

为研究不同蒸散发模型在估算湿润地区蒸散发量方面的适用性,以淮河大坡岭以上流域为研究对象,构建了考虑植被叶面积指数的分布式彭曼蒸散发模型及双源蒸散发模型。通过计算流域2010～2018年逐日蒸散发能力,并建立上述模型计算值与蒸发皿实测值的拟合关系,比较了两个模型的计算精度。结果表明:彭曼蒸散发模型及双源蒸散发模型计算的流域蒸散发能力值与蒸发皿实测值,在时间上具有较好的相似性和一致性;且双源蒸散发模型计算的流域蒸散发能力与蒸发皿实测蒸散发值的相关关系好于彭曼蒸散发模型。研究结果可为估算湿润地区的蒸散发量提供支撑。     

不同蒸散发模型在大凌河流域的对比运用研究

文章以大凌河大城子水文站以上为研究流域,分别运用考虑植被叶面积指数的双源蒸散发模型和P-M公式计算流域的蒸散发,并和大城子实测蒸发皿蒸发进行对比分析,在此基础上,还定量研究了不同气象因素和植被覆盖度对蒸发皿蒸发的影响。研究成果可以为大凌河流域蒸散发估算和水文模拟提供重要参考价值。     

涡动相关法在蒸散发实测中的运用

在区域水循环各个环节中,蒸散发是占比最大最难估算的分量,如何对其进行长时间、高精度、高频率的测定成为难题。近年来随着微气象学理论和量子激光技术的逐渐成熟,利用涡动相关法测定蒸散发成为可能。湖南省作为典型的中国南方地区,农业主要以蔬菜等经济作物以及水稻为主,在总的用水量中,农业用水占到了总用水量的70%,并且在农业总失水量中蒸散发是很大的一部分,所以对蒸散发准确的测定是十分必要的。本文简要介绍了涡动相关法的相关原理,利用EC-QCL分析仪和三维超声风速仪,以及其他一些辅助仪器对岳阳市广兴洲镇的一个大面积包菜地进行了实地蒸散发的测定,并利用EddyPro软件计算了2015年的蒸散量,分析了研究区域蒸散量在不同时间尺度的变化趋势。本文采用的研究方法可为以后蒸散发的实测工作提供参考与借鉴。     

PET估算方法在人民胜利渠灌区适用性分析

为寻求适合气象资料相对较少的人民胜利渠灌区的潜在蒸散发量(PET)计算方法,利用新乡站历年逐日气象监测资料,以Penman-Monteith法估算结果为标准,评价Hargreaves法和Priestley-Taylor法计算潜在蒸散发量的效果。结果表明:采用初始参数时,应用Priestley-Taylor法计算的年和日的PET误差较小,应用Hargreaves法计算的月PET误差较小;采用校正参数的Hargreaves法在年、月和日尺度上误差明显减小,在年和月的计算结果中误差指标均小于Priestley-Taylor法,日计算结果 Priestley-Taylor法优于Hargreaves法,建议今后该区在估算年、月的PET时优先选用Hargreaves法,而在估算日的PET时优先选用Priestley-Taylor法。     

区域蒸散发监测与估算方法研究综述

蒸散发是能量循环与水循环的结合,是陆面生态过程与水文过程的纽带。准确测定与估算区域蒸散发对气候演变研究、水资源规划与管理、农业节水研究、作物产量模拟及环境问题等方面都具有重要的现实意义。近30多年来,随着技术手段的进步,蒸散发的监测和估算取得了重大进展,本文对此进行了分析和评价,总结了测定作物蒸散发的主要方法,包括梯度法、土壤水平衡法、蒸渗仪法、波文比法、涡度相关法和闪烁通量仪法等。估算区域植被或作物蒸散发的主要方法包括区域水量平衡法、彭曼综合法、互补相关法等。本文综述了各种方法的基本原理及优缺点,分析了不同方法反映不同尺度蒸散发的适应性,提出了估算区域蒸发目前存在的问题以及未来的发展前景。     

基于气象因子敏感性的参照蒸散发简化计算模型

Penman-Monteith（P-M）参照蒸散发计算模型参数众多,对于实测资料匮乏地区,难以适用。基于四川若尔盖湿地1980~2007年的月值气象数据,利用单因子分析法,并结合DAAG共线性诊断、残差标准差、F检验和t检验,对影响该地区参照蒸散发的气象因子的敏感性进行分析可知,按敏感性大小排序依次为最高气温、日照时数、最低气温、最大相对湿度、最小相对湿度及风速。运用多元线性逐步回归法,建立了由各气象因子构成的参照蒸散发的优化计算模型。利用P-M计算结果作为参照值,对所构建模型进行了验证。结果表明,该优化计算模型有效可行,可替代P-M模型计算若尔盖湿地蒸散发量。      

西藏高海拔地区气象数据缺失条件下的ET0计算研究

西藏高海拔地区低氧低压(平均不足海平面的2/3)、太阳辐射强(年太阳辐射6 000~8 000 MJ/m2)、近地层空气湿度变化大,加之西藏地区气象资料系列短、站点少,该地区ET_0计算具有特殊性及不便性。本研究基于西藏地区9个典型站点20年逐日气象资料,通过引入海拔因子与修正温度常数对Hargreaves(HS)模型进行改进,旨在得到一种少参、准确的高海拔地区ET_0简易计算方法。结果表明,海拔2 000 m以上地区Hargreaves-Elevation(HS-E)改进模型在不同时间尺度条件下的修正结果均明显优于HS模型且避免了原HS模型在高海拔地区ET_0计算出现负值的情况,提升了ET_0计算值的实用性与精度。以PM模型ET_0计算值为标准进行误差分析,HS-E模型逐日ET_0计算的纳什效率系数(NSE)、均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MRE)分别为0.8、0.53mm/d和13.80%,逐月ET_0计算的NSE、RMSE和MRE分别为0.84、11.90 mm/month和12.50%;对比不同时间尺度条件下(日、月)误差分析结果可知,计算时间尺度越大HS-E模型结果越优。HS-E改进模型在高海拔地区适应性较强,具有较高的计算精度,可作为西藏海拔2000 m以上地区气象数据缺失条件下ET_0计算的推荐模型。     

遥感Penman-Monteith模型中土壤含水量与土壤蒸发的关系

土壤含水量是影响土壤蒸发的重要因素,分析土壤含水量变化对土壤蒸发的影响,对水资源管理有积极作用。遥感Penman-Monteith(P-M)模型是利用遥感手段进行蒸散发模拟的重要方法,且能分别对土壤蒸发和植被散发进行计算。利用遥感P-M模型对望都站的蒸散发进行模拟,并结合地表土壤含水量数据分析了土壤含水量变化对模型参数及土壤蒸发的影响。结果表明:(1)遥感P-M模型对望都站蒸散发取得较好效果,纳什效率系数(NSE)为0.559;(2)土壤含水量变化与遥感P-M模型的土壤蒸发系数间具有不确定性;(3)在本研究的模拟期内,与植被散发相比,土壤含水量变化与土壤蒸发间的一致性更强。     

三江平原主要生态类型耗水分析和水分盈亏状况研究

利用SEBAL模型并集成MODIS卫星数据,计算了三江平原2006年生长季5—10月的地表蒸散量,结合降水量数据,借助GIS技术对主要生态类型的耗水和水分盈亏状况进行分析。计算结果表明:森林、湿地、旱田和水田生态系统在2006年生长季的耗水量分别为697.14、562.21、486.17和523.52mm,森林生态系统的蒸散量大于其他生态系统;从2006年生长季总体来看,三江平原北部和中部区域耗水量要小于降水量,东部、南部和西部则相反。森林、湿地、水田和旱田生态系统在2006年生长季水分盈亏量平均值分别为-193.46、-23.38、-1.86和37.59mm;从湿地、水田和旱田的水分盈亏情况对比来看,湿地开垦为水田比湿地开垦为旱田更适于当地的自然条件;对于农作物来说,从整个生长季来看三江平原降雨量可以基本满足地表蒸散的需求,但是时空不匹配,在特定的月份上,会出现干旱。     

Surface discharge of heavy metals from low farmland.

Runoff heavy metals from farmland were examined using the field data for the summer of 2005. The observation farmland is located on lowland where the irrigation water was contaminated with the drained water from the upstream farmlands. The area of the farmland is 11.2 ha, of which 6.0 ha and 4.5 ha have been used for rice paddy fields and soybean cultivation, respectively. During the observation, heavy metal concentrations at the downstream end were usually found to be higher than those in the irrigation water. That is, the heavy metal concentrations increased due to the passage of the water through the farmland. This increase in the heavy metal concentrations is not equal to the discharge of the heavy metal because the evaporation on the surface of the paddy field and the absorption by plants makes the surface water volume small. The discharged load from the farmland generally indicates the gross surface load from the farmland. When the effects of circulation irrigation on the heavy metal concentrations are estimated, the discharged load from the farmland should be calculated as the net surface load. When the runoff heavy metals from the circulation irrigation farmland are estimated, it is important to consider the inflowing heavy metals with irrigation water. All the heavy metal types observed in this study were discharged from the farmland. The net surface loads of Cr, Fe, Cd, and Pb were 371 microg m(-2) day(-1), 14.9 mg m(-2) day(-1), 0.26 microg m(-2) day(-1), and 3.3 microm( -2) day(-1), respectively.     

华北平原不同种植模式作物耗水监测与特点分析

为探究华北平原不同种植模式的作物耗水与生产能力以评价其缓解地下水超采的潜力,于2021—2022年在中国农业科学院北京市顺义试验站进行了冬小麦-夏玉米、冬小麦-夏大豆和冬小麦-夏休闲3种种植模式的对比试验。利用大型称重式蒸渗仪监测各种植模式的蒸散、土壤储水和渗漏,使用FAO-56推荐的双作物系数法估算不同种植模式的蒸散量,同时分析了估算效果和蒸散与环境的响应特征,并比较不同种植模式的水分利用效率和产量、效益的相对关系。结果表明：3种种植模式的实测蒸散量与净辐射呈指数函数关系、与气温呈二次函数关系、与水汽压差呈线性函数关系,可以使用双作物系数法或非线性拟合公式较好地估算不同种植模式的蒸散量;冬小麦-夏玉米种植模式的产量、水分利用效率和经济效益最高,耗水量也最高,地下水净消耗量为197.52 mm,而冬小麦-夏休闲模式净地下水消耗量最小,比冬小麦-夏玉米模式低72.28%。未来需要结合华北平原不同区域可利用和开采的地表水、地下水资源量和土壤储水能力以及作物耗水量优化作物种植模式,以达到地下水的采补平衡。     

Analysis and prediction of reference evapotranspiration with climate change in Xiangjiang River Basin,China

Reference evapotranspiration(ET_0) is often used to estimate actual evapotranspiration in water balance studies. In this study, the present and future spatial distributions and temporal trends of ET_0 in the Xiangjiang River Basin(XJRB) in China were analyzed. ET_0 during the period from1961 to 2010 was calculated with historical meteorological data using the FAO Penman-Monteith(FAO P-M) method, while ET_0 during the period from 2011 to 2100 was downscaled from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5(CMIP5) outputs under two emission scenarios, representative concentration pathway 4.5 and representative concentration pathway 8.5(RCP45 and RCP85), using the statistical downscaling model(SDSM). The spatial distribution and temporal trend of ET_0 were interpreted with the inverse distance weighted(IDW)method and Mann-Kendall test method, respectively. Results show that:(1) the mean annual ET_0 of the XJRB is 1 006.3 mm during the period from 1961 to 2010, and the lowest and highest values are found in the northeast and northwest parts due to the high latitude and spatial distribution of climatic factors, respectively;(2) the SDSM performs well in simulating the present ET_0 and can be used to predict the future ET_0 in the XJRB; and(3) CMIP5 predicts upward trends in annual ET_0 under the RCP45 and RCP85 scenarios during the period from 2011 to 2100.Compared with the reference period(1961e1990), ET_0 increases by 9.8%, 12.6%, and 15.6% under the RCP45 scenario and 10.2%, 19.1%, and27.3% under the RCP85 scenario during the periods from 2011 to 2040, from 2041 to 2070, and from 2071 to 2100, respectively. The predicted increasing ET_0 under the RCP85 scenario is greater than that under the RCP45 scenario during the period from 2011 to 2100.