当前世界环境

简介

蒸散量是水文循环的重要阶段之一，准确估算蒸散量对水分平衡研究、灌溉系统设计、作物产量模拟和水资源规划与管理具有重要意义。联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith方法在估算ET方面得到了国际上的广泛认可₀．然而，该方法的主要局限性是它需要大量天气参数的数据，而许多地点可能无法获得这些数据。

蒸散过程是两个独立过程的结合，通常称为蒸发和蒸腾。在这个过程中，水分一方面通过蒸发从表层土壤或水面流失，另一方面通过气孔动力学蒸腾从作物植物组织流失。

蒸发和蒸腾同时发生，因此没有简单的方法来区分这两个过程。耕作土壤的蒸发量主要取决于到达土壤表面的太阳辐射的比例，而不是表土的水量。当作物很小的时候，水分主要是通过蒸发从土壤表面流失的，但一旦作物发育良好并完全覆盖土壤，蒸腾作用就成为主要过程

蒸散量的估计提供了与降水量相关的土壤水分平衡的前景。这对农田作物需水量的计算和灌溉调度具有重要意义。它还决定了一个地区的农业气候性质、该地区的农业气候潜力以及作物或品种的适宜性，这些作物或品种可以成功种植并获得最佳经济回报。

许多科学家开发了数学方程来估计世界不同地区的蒸散量，但没有一个能被普遍推荐和采用。为了更好地了解、共享和比较世界范围内不同气候和农艺条件下的蒸散发信息，提出了一种标准化的估算方法采访时表示被发展为粮农组织-56 Penman-Monteith方法。

参考蒸散量的概念(采访时表示)可用于估计气候对蒸散发的影响，并表示来自一个假设的参考表面的蒸散发。许多方程被用来估计采访时表示它们主要分为两组，i)那些是经验的，对数据的要求较低，以及ii)那些基于物理的，需要按比例更多的数据。本研究主要针对常用ET的性能评价进行研究₀基于其估算精度和Penman-Monteith与其他气候方法之间相互关系的发展的估计方法。

目标

• 评价各种蒸散发估算方法
• 发展相互关系粮农组织-56 Penman-Monteith方法等ET₀估计方法。

材料与方法

最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、早晨相对湿度(RH)等气象参数的每日记录₁)、相对湿度晚上(RH₂)、风速(WV)、明亮日照时数(BSS)、蒸发皿蒸发量(EP)等数据采集自朱纳加德农业大学气象系，历时10年(2005 - 2015年)。将日数据进一步转换为月数据。采用如下所述的标准方法估算ETo。

蒸散量估算方法

利用8种ET估算方法估算蒸散量，即FAO 56 Penman-Monteith法、Samani and Hargreaves法、Makkink法、Blaney Criddle法、Jensen-haise法、Priestly-Taylor法、FAO 24辐射法和Modified Penman Monteith法。下面的部分将提供每种方法的描述。

Penman-Monteith方法(PMM)

粮农组织的Penman-Monteith方法是一种基于物理的分析方法，源于Penman-Monteith方程，⁵结合能量平衡法和传质法，指定了参考表面的阻力因子。它将参考表面定义为一个假设的绿草表面，假定均匀高度为0.12 m，表面阻力为70 s m-1，反照率为0.23，在积极生长和充足浇水的条件下。¹粮农组织Penman-Monteith估算ETo的方法如下:

在那里,
ETo =参考蒸散量[mm日^－1),
Rn =地表净辐射[MJ m .^－2一天^－1),
G =土壤热通量密度[MJ m .^－2一天^－1),
T = 2米高度的空气温度[°C]，
u₂= 2米高度风速[m s .^－1),
es =饱和蒸汽压[kPa]，
ea =实际蒸汽压[kPa]，
Δ =蒸汽压曲线斜率[kPa°C .^－1),
Γ =测湿常数[kPa°C .^－1]。
ˠ= 0.000665 * p (kpa)
Ea = (e (min) * (rhmax / 100) + e (max) * (rhmin / 100)) / 2
U2 = ws * 4.87 * 1000 /(3600 *艾敏(67.8 * 3 - 5.42))
J = 1、2、3……
G = 0

站点的海拔和纬度位置信息，以及太阳辐射、气温、相对湿度和风速的标准气候记录。地点位置的高度和纬度需要调整当地的心理测量常数(γ)，纬度也涉及到地外辐射(Ra)的计算。根据辐射平衡模型结合Ra计算Rn需要太阳辐射。T用于开发Δ并计算蒸汽压力赤字(VPD)。为确保ETo估算的完整性，所有气候参数均应在2米高度测量或换算为2米高度。¹

FAO 56哈格里夫斯法(HRM)

Samani和Hargreaves方法是一种基于温度的经验方法。¹¹它是从克里斯蒂安森方程发展而来的，⁷它使用乘法方法分别将ET与太阳辐射、温度、相对湿度和风速联系起来。在哈格里夫斯的实验中⁹在加利福尼亚州戴维斯的一个凉爽季节草地地区，使用ET测量值作为各种天气因素组合的函数进行回归，结果表明，温度与太阳辐射的乘法可以解释ET测量值变异性的94%，而风速与相对湿度的乘法只能解释约10%。基于这些结果，风速和相对湿度的系数被排除在方程之外，以简化和减少数据需求。目前，Hargreaves和Samani方法通常被描述为:

等₀= 0.0023R_一个(T_的意思是+ 17.8)*(t d)^0．5

在那里,
ETo =参考蒸散量[mm日-1]，
Tmean =海拔2米的日平均气温[°C]，
Tmax = 2m高度日最高温度[°C]，
Tmin = 2m高度日最低气温[°C]，
Ra =地外辐射[MJ m-2 day-1]。
TD = Tmax-Tmin

Ra =(24 * 60/3.14) * 0.82 * *博士(ws * sin(拉提。(rad) * sin (del) + cos(拉提。(rad) * cos(拉提。(rad) * sin (ws))

由于数据需求低，它通常应用于可用数据较少的情况下，特别是当只有空气温度可用时。¹⁰它还用于估计灌溉和水资源系统的ET历史序列，使用历史气温记录，^20.

FAO 24辐射法(RAM)

FAO 24辐射法是由Doorenbos和Pruitt(1977)首先提出的，是对Makkink(1957)方法的改进⁵，¹³最初的建议是，当测量的空气温度和太阳辐射可用，但风和湿度数据不可用或质量有问题时，该模型可用于Penman方法。^5、15然而，24RD模型对测量数据的表现要好得多。¹³Jensen et al.(1990)给出的24RD形式描述为:

等₀= c (W * R_年代）

在那里,
c = 1.066 - -0.00128 rh_的意思是+ 0.045 u_d-0.0002猕_的意思是u_d+ 0.0000315 (RH_的意思是）²-0.00103 (u_d）²
Δ= (4098 * (o.6108 * exp ((17.27 * tmean) / (tmean + 237.3)))) / ((tmean + 237.3)
ˠ= 0.000665 * p (kpa)
G = 0
Rn = Rns-Rnl

其中ETo为草参考蒸散发(mm day-1)，与公式3.1定义的变量相同，Rs为太阳辐射(mm day-1)(换算因子见[2])，a = -0.3 mm day-1，其中RHmean为日平均相对湿度(百分比)，Ud为日平均风速(m s-1)。¹³

Blaney-Criddle法(BCM)

Blaney和Criddle(1950)在担任土壤保持服务(SCS)工程师时开发了他们的模型，用于美国西部干旱的农田。¹²该模型的关系来源于美国西部多种作物的实验数据⁶原始模型与经典的Thornthwaite模型相似，只需要温度和日照时数的函数作为数据输入。Blaney和Criddle(1950)描述的原始模型是:

等₀= a + b

在那里,
= 0.0043 (RH_最小值) - n / n - 1.41
b = 0.82 - -0.0041 (RH_最小值) + 1.07 (n / n) + 0.066 (u_d) -0.006 (RH_最小值) (n / n) -0.0006 (RH_最小值) (u_d）
拉提(rad) * 3.14/180 =意大利
德尔= 0.409 * sin (j / 365) (2 * 3.14 * -1.39)
ws =这些“可信赖医疗组织”(tan(拉提。(rad) * tan (del))
T为月平均温度(华氏度)，P为月白天时数占全年的百分比。⁶

其中ETo为参考蒸散发(mm day-1)， p为年度白天时数的平均百分比(定义为在被检查的时间段内，如每日或每月，年度白天时数总数的百分比)，⁸T为平均气温(℃)，RHmin为最小相对湿度(%)，n/ n为可能日照时数与实际日照时数之比，U_d为白天风速2m (m s-1)。最初的Blaney- Criddle模型被设计为仅使用月值，并且已知在任何少于一个月的时间内都会产生错误的结果。¹²这种限制是由于使用温度作为唯一的气候变量。¹²然而，公元前24年版本的模型使用了湿度和风速，从而最大限度地减少了这种限制．

Priestley-Taylor法

该模型的最初目的是用于大规模数值建模，假设平流很小，从而允许原始Penman方程的气动成分减少为修改剩余方程的系数(Priestley和Taylor 1972, Jensen等，1990)。P/T模型被设计用于表面通常潮湿的潮湿地区。^19日13Jensen等人(1990)将本研究中使用的P/T的形式描述为:

Δ= (4098 * (o.6108 * exp ((17.27 * tmean) / (tmean + 237.3)))) / ((tmean + 237.3)
ˠ= 0.000665 * p (kpa)
G = 0
Rn = Rns-Rnl

其中ET为蒸散量(毫米日^－1)及所有其他术语均与上述定义相同。系数项可以根据不同的风和湿度情况进行修改，但已发现在大多数气候条件下，当前的1.26值是合理的。¹⁷

Makkink法(MKM)

马金克模型是1957年在荷兰设计的，它是在比较彭曼模型和蒸散学数据后对彭曼模型的修改。^10日,16目前，马金克在西欧很受欢迎¹⁰并已在美国成功应用⁴Allen给出了Makkink模型的操作形式:

Δ= (4098 * (o.6108 * exp ((17.27 * tmean) / (tmean + 237.3)))) / ((tmean + 237.3)
Rs = (o.25 + 0.5 * (n(小时)/ n)) * ra ^ 2
ˠ= 0.000665 * p (kpa)

其中ETo为蒸散量(mm day-1)， Rs为太阳辐射(MJ m^－2一天^－1)，与方程中定义的变量相同。

改进Penman方法(MPM)

辐射项与气动项组合形成的方程为:

在那里,
C = 0.68 + 0.0028 (RH_马克斯) + 0.018 (R_年代) - 0.068 (u_d) + 0.013 (u_d/ u_n) + 0.0097 (u_d) (u_d/ u_n) + 0.000043 (RH_马克斯) (R_年代) (u_d）

在那里,
ETo =参考作物蒸散量，单位mm/天
W =与温度相关的称重因子。
Rn =净辐射当量蒸发量(毫米/天)。
f(u) =风相关函数
Δ= (4098 * (o.6108 * exp ((17.27 * tmean) / (tmean + 237.3)))) / ((tmean + 237.3)
Rs = (o.25+0.5*(n(hrs)/n))*ra^2
Es = (Tmax+Tmin)/2

(e_年代- e_d) =平均空气温度下的饱和蒸汽压与实际空气蒸汽压之差，单位为毫巴。

C =调整因子以补偿昼夜的影响

Jensen-Haise方法(JHM)

Jensen-Haise模型本质上是原始Penman组合方程的简化版本。该模型的最初目的是用于大规模数值模拟。方程为:

等₀¹= R_年代(0.025 t)_的意思是+ 0.08)

在那里,
T_的意思是=平均日气温
R_年代=全球太阳辐射，毫米/天
Rs = (o.25 + 0.5 * (n(小时)/ n)) * ra ^ 2

表1:Penman - Monteith法各方法估计平均月Et0值的百分比偏差

结果与讨论

蒸散量估算方法

将各种方法估算的月平均ETo值与FAO 56 PMM估算的月平均ETo值进行比较，如图1至图7所示。Blaney-Criddle法、MPM法、JHM法、PTM法与FAO 56 Penman-Monteith法的一致性良好。结果表明，HRM与FAO 56 Penman-Monteith方法的关系不佳。

月平均ET的偏差百分比₀与PMM相关的值见表1。正偏差表示ET高估，负偏差表示ET低估₀．ET0估计方法均高估了月平均ET₀除Blaney摇篮法外，其余研究区均为季风期。随着季风的推进，偏差百分比也在增加。

月ET比较₀用各种方法与PMM估算的值如图1所示。到图7。通过线性回归分析得出PMM与其他方法之间的关系，如表2所示。因此，这些关系可以用来估计ET₀利用气象资料可用的方法，根据所期望的方法进行合理的估计。

图1为月ET对比₀采用Blaney Criddle法和FAO Penman Monteith法进行估计。由图2、图3、图4、图5、图6、图7可知，决定系数值为0.8542，高于本研究其他方法的决定系数值，说明Blaney Criddle法与Penman Monteith法具有较强的相关性。月ET比较₀Hargreaves法与FAO Penman Monteith法的估计结果如图3所示，表明与其他方法相比，其决定系数值最小。从图1、图2、图4、图7中可以看出，决定系数值均大于0.7，说明Blaney Criddle法、Jensen-Haise法、Priestly-Taylor法、Modified Penman Monteith法与Hargreaves辐射法、FAO 24辐射法、Makkink法相比具有更强的相关性。

图1:月蒸散量比较0采用Blaney Criddle法和FAO Penman Monteith法估计 点击此处查看图

图2:月ET比较0采用Jensen法和FAO Penman Monteith法进行估计 点击此处查看图

数字3:月ET比较0采用Hargreaves法和FAO Penman Monteith法估计 点击此处查看图

图4:月ET比较0用Priestly Taylor法和FAO Penman Monteith法估计 点击此处查看图

数字5:月ET比较0采用辐射法和FAO Penman Monteith法进行估计 点击此处查看图

图6:月ET比较0采用Makking法和FAO Penman Monteith法进行估计 点击此处查看图

图7:月ET的比较0采用FAO Penman Monteith方法的改进Penman Monteith方法估计 点击此处查看图

表2:各种实证方法与Pmm之间的相互关系

图8:月平均ET的比较o用基于温度的方法和Penman Monteith方法估计的值 点击此处查看图

图9:月平均ET的比较o用基于辐射的Penman - Monteith方法估计的值 点击此处查看图

数字10:月平均ET比较o用物理方法和Penman Monteith方法估计的值 点击此处查看图

表3:各种经验方法之间相互关系的回归方程

结论

已经提出了许多估计方法采访时表示基于天气数据，范围从当地开发的经验关系到基于物理的能量和质量传递模型。为了更好地了解、共享和相互比较世界范围内不同气候和农艺条件下的蒸散发信息，提出了一种标准化的估算方法采访时表示被开发出来，简称为粮农组织-56 Penman-Monteith方法。这是一种复杂的方法，需要在严格的条件下测量几个天气参数，包括空气温度、湿度、太阳辐射和风速。后来，许多科学家提出了其他方法来估计蒸散量，考虑到这一点，这项研究正在进行中

评价各种蒸散发估算方法
发展Penman-monteith与其他ET的相互关系₀估计方法。

数据来自朱纳加德农业大学计量系

利用8种ET估算方法估算了蒸散量，即FAO 56 Penman-Monteith法、Samani and Hargreaves法、Makkink、Blaney criddle法、Jensen-haise法、Priestly-Taylor法、FAO 24辐射法和Modified Penman Monteith法。经过评价，得出以下结论

BCM, MPM, JHM和PTM是PMM的替代方法，可以更好地估计ET₀印度古吉拉特邦的朱纳加德地区。

以下是Penman-Monteith和其他ET之间的相互关系₀估计方法。

参考文献

1. 艾伦，r.g.，佩雷拉，l.s.，雷斯，D.和史密斯，M.作物蒸散。计算作物需水量的指南。粮农组织灌溉和排水文件56，罗马，意大利，300页(1998年)。
   CrossRef
2. 利用FAO-56双作物系数法对灌区进行蒸散发相互比较研究。水文学报，229,27-41(2000)。
   CrossRef
3. Allen, r.g.， Tasumi, M. & Trezza, R.．利用内部校准(METRIC)模型绘制蒸散发的卫星能量平衡。Irrig。下水道。E。，133， 380-394(2007)。
4. 阿马特亚，d.m.，斯卡格斯，R.W.和格雷戈里，J.D.估计REF-ET方法的比较。灌溉排水工程学报;121(6): 427-435(1995)。
   CrossRef
5. 用FAO修正的Penman方程估算蒸散函数的准确性。水利学报(自然科学版)，28(4)，422 - 422(1984)。
6. 布兰尼，H. F. & Criddle, W. D.从气候灌溉数据确定灌区需水量，美国农业部，土壤保持服务，技术项目。第96号，48页(1950年)。
7. Christiansen, J. E.来自气候数据的蒸发皿蒸发量和蒸散量。Irrig。下水道。Div。94, 243-265(1968)。
8. 杜伦博斯，j。o。普鲁特。作物需水量预测指南。粮农组织。灌溉排水论文24。联合国粮农组织。罗马(1977年)。
9. 水分有效性和作物生产。ASAE,18~ 5,980 - 984(1975)。
   CrossRef
10. 李志刚，李志刚，李志刚:我国土壤蒸散方程的研究进展。下水道。Eng。，129，53.–63 (2003).
11. 张志刚，李志刚，张志刚，张志刚。土壤蒸散量的估算。下水道。Eng。，108，225–230 (1982).
12. 汉森，v.e.， O.W.以色列森，G.E.斯特林厄姆。灌溉原则与实践^th纽约州纽约:约翰·威利父子公司(1980年)。
13. 詹森·m.e.， R.D.伯曼和R.G.艾伦，蒸发量和灌溉需水量， ASCE手册和工程报告。练习70，上午。Soc。民事Eng。，New York, NY, 360 pp (1990).
    CrossRef
14. Jensen, C.， Stougaard, B. & Olsen, P.利用DAISY模型模拟丹麦三个地点的氮动态。《阿格利司。Scand。，Sect. B, Soil and Plant Science,44, 75-83(1994)。
15. 简森，D. T.，哈格里夫斯，G. H.， Temesgen, B. & Allen, R. G.非理想条件下ETo的计算，J. Irrig。下水道。Eng。，123.，394–400 (1997).
16. 马金克，G.F.用蒸渗计测试彭曼公式。水利工程师和科学家学会杂志。卷。11。277 - 288(1957)。
    CrossRef
17. Mcaneney, K.J. & Itier, B. Priestley-Taylor公式的操作限制。灌溉科学17:37-43(1996)。
18. 开放水域、裸露土壤和草地的自然蒸发，r . Soc。Lond。， 193, 120-145(1948)。
    CrossRef
19. 普里斯特利，C.H.B. &泰勒，R.J.用大尺度参数评估地表热流通量和蒸发。天气月报。100:81-92(1972)。
    CrossRef
20. Vanderlinden, K, Gira´ldez, J.V.和Van Mervenne, M.用哈格里夫斯方法评估西班牙南部的参考蒸散量。j . Irrig。下水道。Eng。中国科学(1)，53-63(2004)。
    CrossRef