吐魯番地區(qū)參考作物蒸散發(fā)模型適用性評價(jià)*

范留飛，于洋，他志杰，皮原月，孫凌霄，于瑞德

(中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 烏魯木齊 830011；中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

蒸散發(fā)(evapotranspiration,簡稱ET)包括陸地蒸發(fā)和植被蒸騰，陸地蒸發(fā)包括水面蒸發(fā)和土壤蒸發(fā)，是土壤-植被系統(tǒng)中水分通過蒸發(fā)和蒸騰傳輸?shù)酱髿獾耐竭^程[1]，是氣候?qū)W、水文學(xué)研究及灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與管理的重要參數(shù)[2]。陸地水分蒸發(fā)約占降水量的70%左右，而在干旱、半干旱的灌溉區(qū)多年平均蒸散發(fā)量約為年降水量的數(shù)倍，因此，蒸散發(fā)是地表水分耗散的主要形式[3]，也是地表水量平衡和能量平衡的重要組成部分[4-5]，在水循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用。參考作物蒸散發(fā)(reference crop evapotranspiration,簡稱ET0)是指水分充足地表面的蒸散發(fā)量，是計(jì)算作物需水量的關(guān)鍵因子。準(zhǔn)確估算ET0對于作物需水量估算、旱情監(jiān)測預(yù)報(bào)、水資源開發(fā)利用與管理、農(nóng)田灌溉用水調(diào)度和生態(tài)環(huán)境評估等具有重要的意義[5-6]。

目前ET0計(jì)算方法總體分為溫度法、輻射法、綜合法和蒸發(fā)皿法4類，前3類是利用各種模型根據(jù)氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算ET0，蒸發(fā)皿法是利用蒸發(fā)皿實(shí)測值乘以一個(gè)折減系數(shù)(蒸發(fā)皿系數(shù)Kpan)計(jì)算ET0。近年國內(nèi)外學(xué)者針對不同地區(qū)ET0算法的適用性展開了大量的研究。如Rahimikhoob等[7]用4種模型計(jì)算伊朗北部地區(qū)的日ET0，指出M-A模型和Turc模型在副熱帶氣候條件下表現(xiàn)出相當(dāng)大的低估現(xiàn)象，P-T模型和H-S模型效果相對較好；Mohawesh[8]用8種模型計(jì)算約旦的日ET0，指出改進(jìn)的H-S模型在干旱、半干旱環(huán)境條件下是最優(yōu)的模型；Sentelhas等[1]用3種模型計(jì)算加拿大安大略省南部地區(qū)的日ET0，指出當(dāng)缺失風(fēng)速和飽和水汽壓差資料時(shí)，P-T模型效果最好；Sheikh和Mohammadi[9]用5種模型計(jì)算伊朗東北部地區(qū)的ET0，指出H-S模型在半干旱地區(qū)的效果最好；Tabari[10]用4種模型計(jì)算伊朗4種不同氣候區(qū)的ET0，指出Turc模型在寒冷潮濕和干旱地區(qū)、H-S模型在溫暖潮濕和半干旱地區(qū)的效果最好；徐俊增等[11]基于蒸滲儀實(shí)測數(shù)據(jù)評價(jià)中國東部濕潤地區(qū)11種ET0模型，指出FAO-56 PM模型與實(shí)測值最為接近，P-T模型和Turc模型也取得了較好的結(jié)果，H-S模型效果最差；李志[12]用6種模型計(jì)算黃土高原的日ET0，指出H-S模型效果較好，P-T模型效果較低。

目前，中國對于ET0模型的研究主要是基于氣象資料以FAO-56 PM模型為標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)其他模型的適用性，不同地區(qū)的研究結(jié)果差異較大[13-18]。目前較少研究模型的適用性時(shí)考慮實(shí)際觀測值[5,11,19]，且實(shí)際觀測值主要以蒸滲儀和小型蒸發(fā)皿觀測為主，利用大型蒸發(fā)皿的實(shí)際觀測值研究相對較少，而在極端干旱的新疆地區(qū)尤其是吐魯番地區(qū)針對ET0模型適用性評價(jià)方面的相關(guān)研究更少。本文以FAO-56 PM模型為標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)8種ET0模型在吐魯番地區(qū)的適用性，并分析FAO-56 PM模型計(jì)算的ET0與大型蒸發(fā)皿實(shí)測的水面蒸發(fā)量之間的關(guān)系，力圖為吐魯番地區(qū)開展灌溉系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)找到一種相對簡單而準(zhǔn)確的ET0計(jì)算模型。

1 研究區(qū)域概況

吐魯番地區(qū)位于新疆天山東部支脈博格達(dá)峰南坡的山間盆地，地理位置：41°12′～43°40′N，87°16′～91°55′E，平均海拔32.8 m，年均溫13.9 ℃，夏季均溫在30 ℃左右，年均降水量16 mm，年蒸發(fā)量3 000 mm,日照時(shí)間長，全年約3 000 h，無霜期210 d左右[20]。土種屬于白硝土，土壤類型為棕漠土和灌耕土，地表有明顯礫冪，具有孔狀結(jié)皮層、石膏層和鹽磐層土層序列，有機(jī)質(zhì)含量極低[21]。獨(dú)特的氣候和光熱條件使這里盛產(chǎn)葡萄、哈密瓜、長絨棉等經(jīng)濟(jì)作物，是典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)用水完全依賴于西部和北部山區(qū)地表徑流和地下水的補(bǔ)給，農(nóng)業(yè)用水消耗量大，節(jié)水效率低，浪費(fèi)嚴(yán)重，供需矛盾突出，使得吐魯番地區(qū)水資源問題相當(dāng)嚴(yán)峻，甚至?xí)?yán)重影響地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[22]。因此，準(zhǔn)確估算吐魯番地區(qū)ET0對于計(jì)算作物需水量、灌溉預(yù)報(bào)[23]、建設(shè)節(jié)水灌溉示范工程、發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)和實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用[24]具有重要的作用。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取吐魯番站2000—2015年作物生長季(4—10月)逐日氣象資料和蒸發(fā)皿實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算ET0。吐魯番氣象站(地理位置：42°56′N，89°12′E；海拔高度：34.5 m)始建于1960年，是國家級基準(zhǔn)站，可觀測氣溫、相對濕度、風(fēng)速和氣壓等多種常規(guī)氣象觀測資料。最初該站以20 cm小型蒸發(fā)皿觀測蒸發(fā)量為主，1985年5月該站增設(shè)E-601B大型蒸發(fā)皿。E-601B型蒸發(fā)皿主要由主蒸發(fā)桶和水槽構(gòu)成，主蒸發(fā)桶直徑61.8 cm，側(cè)壁高60 cm，底部呈錐形，錐體深度7 cm，器口離地高度30 cm，主蒸發(fā)桶周圍環(huán)有4個(gè)寬20 cm、深15 cm的水槽，冬季因水面結(jié)冰，停止觀測，故缺少非生長季(當(dāng)年11月至下年3月)的資料。選取的數(shù)據(jù)分為兩類，一類是氣象數(shù)據(jù)，包括日最高氣溫(tmax)、日最低氣溫(tmin)、平均相對濕度(RHmean)、風(fēng)速(u10)和太陽輻射(Rs)等；一類是大型蒸發(fā)皿實(shí)測的日蒸發(fā)量。

2.2 參考作物蒸散發(fā)計(jì)算模型

選取較為常用的FAO-56 PM、溫度模型(H-S、Traj、和B-H)和輻射模型(J-H、Turc、P-T、M-A、M-H)，ET0模型包含很多不同的參數(shù)，包括氣溫、太陽輻射、相對濕度和風(fēng)速等。表1是各ET0模型所需參數(shù)的計(jì)算列表。

2.2.1 FAO-56 Penman-Monteith(FAO-56 PM)模型

1998年聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)對P-M模型進(jìn)行了修訂與說明，定義ET0是高度為0.12 m，冠層表面阻力為70 s/m，反射率為0.23，近似于地表開闊、高度一致、生長旺盛、水分充足且完全遮蓋地面的綠草的蒸散發(fā)量，并推薦將其作為ET0的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法[25]。模型公式由輻射平衡引起的輻射項(xiàng)和氣溫、風(fēng)速與水汽壓等引起的空氣動力學(xué)項(xiàng)組成，修訂的具體公式如下

(1)

式中：ET0為參考作物蒸散發(fā)量，mm/d；Rn為地表凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；tmean為平均氣溫，℃；U2為2 m高度處風(fēng)速,m/s；es、ea分別為飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃。

FAO推薦月時(shí)間步長設(shè)定的草地參考面的土壤熱通量可以由Gmonth,i=0.14(tmonth,i-tmonth,i-1)計(jì)算，其中tmonth,i為i月的平均溫度，℃；tmonth,i-1為i月上月的平均溫度，℃[25]。

2.2.2 Hargreaves-Samani(H-S)模型

H-S模型最初是為估算美國西北部干旱氣候條件下草地蒸散發(fā)，Hargreaves和Samani[26]提出用大氣頂層輻射(Ra)代替太陽輻射Rs估算ET0，在缺少太陽輻射、相對濕度和風(fēng)速等氣象資料的地區(qū)被廣泛使用。具體公式如下

ET0=0.002 3Ra equ(tmean+17.8)(tmax-tmin)0.5,

(2)

式中：Ra equ蒸發(fā)量表示的大氣頂層輻射，mm/d；tmax為最高氣溫，℃；tmin為最低氣溫，℃。

2.2.3 Jensen Haise(J-H)模型

J-H模型是基于輻射的方法，所有必要的參數(shù)都可以通過海拔高度、最高氣溫和最低氣溫來計(jì)算[27]。具體公式如下

ET0=CT(tmean-tx)Rs,

(3)

(4)

表1 ET0模型所需參數(shù)列表Table 1 List of parameters required by ET0 models

(5)

式中：Rs為太陽輻射，MJ/(m2·d)；h為站點(diǎn)海拔高度，m;其余參數(shù)同上。

2.2.4 Turc模型

Turc模型是基于輻射的方法，并且需要平均氣溫(tmean)、太陽輻射(Rs)、平均相對濕度(RHmean)和汽化潛熱(λ)4種參數(shù)，適用范圍廣泛，既適用于干旱地區(qū)，也適用于寒冷、濕潤地區(qū)[28]。具體公式如下

RHmean≥50%,

(6)

(7)

式中：λ為汽化潛熱，一般取值2.45 MJ/kg[28]；RHmean為平均相對濕度，%；其余參數(shù)同上。

2.2.5 Priestley-Taylor(P-T)模型

P-T模型是假設(shè)周圍環(huán)境濕潤，忽略空氣動力學(xué)項(xiàng)得出的Penman簡化模型[29]，因所需參數(shù)較少而被廣泛應(yīng)用。具體公式如下

(8)

式中：α為原始經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值1.26，其余參數(shù)同上。

2.2.6 Makkink-Allen(M-A)模型

M-A模型可以看成是一種簡化的Priestley-Taylor模型。具體公式如下

(9)

2.2.7 Trajkovic(Traj)模型

ET0=0.002 3Ra equ(tmean+17.8)(tmax-tmin)0.424.

(10)

2.2.8 Makkink-Hansen(M-H)模型

(11)

2.2.9 Berti-Hargreaves(B-H)模型

ET0=0.001 93Ra equ(tmean+17.8)(tmax-tmin)0.517.

(12)

2.3 誤差分析方法

為研究不同ET0模型在吐魯番地區(qū)的適用性，主要選用均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAE)和平均相對誤差(MRE)3個(gè)指標(biāo)評價(jià)各ET0模型的誤差情況。RMSE、MAE和MRE值越接近0，模型效果越好。計(jì)算方法如下：

(13)

(14)

(15)

式中：n為樣本數(shù)；x為各模型計(jì)算的ET0，mm/d；y為FAO-56 PM模型計(jì)算的ET0，mm/d；ymean為FAO-56 PM模型計(jì)算的ET0的平均值，mm/d。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型計(jì)算ET0和蒸發(fā)皿蒸發(fā)量日值序列統(tǒng)計(jì)分析

對吐魯番站各ET0模型計(jì)算的多年日值序列和相應(yīng)的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析。由表2可以看出，蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的平均值最大，Turc模型計(jì)算的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差最?。籎-H模型計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)差、方差和變異系數(shù)最大；P-T、Traj、M-H和B-H模型的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、方差和變異系數(shù)均接近FAO-56 PM模型的計(jì)算結(jié)果，說明四者和FAO-56 PM模型計(jì)算值具有較高的相似性。Traj模型計(jì)算的變異系數(shù)在所有模型中最小，說明該模型計(jì)算的ET0最穩(wěn)定。所有模型計(jì)算的變異系數(shù)均小于0.7，變異程度較低，表明ET0日值序列具有很好的可靠性。

3.2 模型計(jì)算ET0逐月結(jié)果比較

由圖1可以看出：所有模型在生長季期間均呈單峰型變化趨勢，除Turc模型峰值在6月份外，其余模型峰值均在7月份，谷值均在10月份；除P-T模型外，其余模型計(jì)算值與FAO-56 PM模型計(jì)算值的差異隨ET0的增大而增大。H-S和B-H模型生長季計(jì)算的多年月均ET0明顯高于其他模型，Turc模型計(jì)算值明顯低于其他模型，且季節(jié)差異較小。J-H模型計(jì)算值季節(jié)差異較大，6—8月高于FAO-56 PM模型計(jì)算值，其余月份比FAO-56 PM模型計(jì)算值低。M-H模型計(jì)算值在4—5月和9—10月與FAO-56 PM模型計(jì)算值基本相等，在6—8月表現(xiàn)出低估現(xiàn)象。M-A模型計(jì)算值在10月與FAO-56 PM模型計(jì)算值基本相等，4—9月表現(xiàn)出低估現(xiàn)象。Traj模型計(jì)算值在5—8月表現(xiàn)出略微高估現(xiàn)象，其余月份與FAO-56 PM模型計(jì)算值基本相等。

表2 模型計(jì)算ET0和蒸發(fā)皿日值序列統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Statistic characteristics for daily ET0 between models and pan evaporation

圖1 不同模型計(jì)算的2000—2015年ET0月均值比較Fig.1 Comparison of calculated monthly mean ET0 from 2000 to 2015 among different models

以FAO-56 PM模型計(jì)算的ET0為標(biāo)準(zhǔn)，對各模型計(jì)算值進(jìn)行線性回歸，得到回歸方程如表3，同時(shí)計(jì)算各模型的誤差情況。由表3可見，各模型的決定系數(shù)R2均大于0.96。除H-S、Traj和B-H模型高估月ET0外，其他模型均在不同程度上低估了月ET0，其中Turc模型表現(xiàn)出嚴(yán)重低估現(xiàn)象。Traj模型表現(xiàn)出最優(yōu)擬合效果，線性回歸方程的斜率最接近1(1.044)，R2最高(0.999)，RMSE、MAE和MRE最小。其次M-H模型也表現(xiàn)出較好的擬合效果，斜率為0.953，R2為0.998，RMSE、MAE和MRE較小。Turc模型擬合效果最差，斜率為0.518，RMSE、MAE和MRE最大。所有模型依據(jù)誤差指標(biāo)擬合效果排序?yàn)門raj>M-H>P-T>B-H>J-H>M-A>H-S>Turc。

3.3 模型計(jì)算ET0偏差原因分析

將各模型計(jì)算的絕對月偏差與氣象因子作相關(guān)性分析如圖2，由此可以看出，溫度模型和輻射模型計(jì)算值偏差的主要影響因子不同。Rn是影響溫度模型計(jì)算值偏差的最主要因子。H-S、Traj和B-H模型計(jì)算值偏差與Rn相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)介于0.815～0.976，且偏差與Rn呈正相關(guān)。VPD、n、Rs和tn對溫度模型計(jì)算值偏差影響也較大，相關(guān)系數(shù)介于0.757～0.965。

表3 各模型的線性回歸系數(shù)和誤差Table 3 Coefficients of linear regression and the RMSE, MAE， and MRE values for different models

U2為2 m高處風(fēng)速；RH為平均相對濕度；tn為平均溫度；tx為最高溫度和最低溫度差；VPD為飽和水氣壓差；n為日照時(shí)數(shù)；Rs為太陽輻射；Rn為凈輻射。圖2 各模型計(jì)算值絕對月偏差與氣象因子的相關(guān)性Fig.2 Correlation of absolute bias errors for different models with meteorological factors

影響輻射模型計(jì)算值偏差的主要因子差異相對較大。Turc和M-A模型計(jì)算值偏差與VPD相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)均為0.993，且偏差與VPD呈正相關(guān)。tn、n、Rs和Rn對兩者偏差影響也較大，相關(guān)系數(shù)介于0.882～0.977。但影響P-T模型計(jì)算值偏差的最主要因子為RH，相關(guān)系數(shù)為-0.964。U2對其計(jì)算值偏差影響也較大，相關(guān)系數(shù)為0.941。影響J-H模型計(jì)算值偏差的最主要因子為tx，相關(guān)系數(shù)為-0.758。

P-T模型主要考慮太陽輻射的影響，沒有考慮相對濕度和風(fēng)速的影響，只考慮輻射項(xiàng)參數(shù)，忽略空氣動力學(xué)項(xiàng)參數(shù)，常數(shù)α是利用海面和濕潤陸面資料得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，實(shí)際反映的是平流的作用[30]。吐魯番地區(qū)4—8月風(fēng)速較大，平均相對濕度較小，平流作用明顯，因此P-T模型總體結(jié)果偏小，4—8月偏差較大，9—10月偏差較小。

H-S模型計(jì)算值偏大，平均相對誤差為27.71%，該模型考慮的氣象因素是溫度(平均溫度和溫差)和大氣頂層輻射，沒有考慮n、Rs和Rn的影響。2000—2015年吐魯番地區(qū)生長季溫差平均為14.3 ℃，溫差較大時(shí)計(jì)算值變化較大，因此該模型表現(xiàn)出高估現(xiàn)象。Traj和B-H模型是H-S模型的兩種修正模型，Traj模型賦予溫差的指數(shù)(0.424)相比H-S模型(0.5)小，因此該模型偏差較小(MRE為4.29%)；B-H模型賦予溫差的指數(shù)(0.517)相比H-S模型大，但該模型的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(0.001 93)相比H-S模型(0.002 3)小，因此該模型誤差介于Traj和H-S模型偏差之間(MRE為12.14%)。

Turc模型最早應(yīng)用于美國東南部和歐洲西部濕潤氣候條件下的ET0計(jì)算，是基于輻射的方法，考慮平均氣溫、太陽輻射和相對濕度3個(gè)參數(shù)。在干旱氣候條件下，溫度較低時(shí)模型計(jì)算值會出現(xiàn)負(fù)值，在吐魯番地區(qū)生長季期間未出現(xiàn)負(fù)值。影響該模型偏差的主要因子包括VPD、tn、Rn、Rs和n，但該模型未考慮VPD、Rn和n，因此出現(xiàn)較大偏差。

M-A模型是一種簡化的P-T模型，沒有考慮G、VPD、Rn和n的影響，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)主要取決于Rn/Rs，不同季節(jié)Rn/Rs值存在差異，原始經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值為0.61是在極端干旱的吐魯番地區(qū)估算偏小的主要原因。M-H模型是一種修正的Makkink模型，所有氣象因子對M-H模型計(jì)算值偏差的影響均未達(dá)到顯著水平，原始經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值為0.7，模型估算效果較M-A模型好，總體誤差較小。

J-H模型考慮的氣象因素是最大和最小溫度下的飽和水汽壓，圖2中影響其計(jì)算值偏差的最主要因子為tx，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。生長季吐魯番地區(qū)4月和10月相對溫差較小，因此該模型計(jì)算值在溫差較小月份估算值偏小，誤差偏大。

3.4 FAO-56 PM模型計(jì)算的ET0與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之間的關(guān)系

蒸發(fā)皿蒸發(fā)量表示在輻射、氣溫、風(fēng)速和濕度等氣象因子綜合作用下，觀測區(qū)域自由水面最大可能的蒸發(fā)量[25]。一般氣象站都可以獲得蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)，F(xiàn)AO建議可以用蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)來計(jì)算ET0，并推薦Class A型和Colorado sunken型蒸發(fā)皿的蒸發(fā)系數(shù)。中國常用的是20 cm小型蒸發(fā)皿和E-601B大型蒸發(fā)皿，與國外常用的蒸發(fā)皿型號、尺寸、安裝方式等規(guī)格差異較大，蒸發(fā)皿距地面安裝距離大于國外蒸發(fā)皿的安裝距離，因此受生長作物頂風(fēng)吹程影響相對較小，并且中國的觀測通常也不將其考慮進(jìn)去，因此生長作物頂風(fēng)吹程不予考慮。Kpan值不僅受周圍環(huán)境條件的影響，而且受蒸發(fā)皿規(guī)格的影響，已有的Kpan值及其計(jì)算方法在中國的應(yīng)用受到很大的限制。

將FAO-56 PM模型計(jì)算的ET0與蒸發(fā)皿實(shí)測值繪制在圖3上。由圖3(a)可知，吐魯番地區(qū)FAO-56 PM模型計(jì)算的16 a生長季逐月ET0與蒸發(fā)皿實(shí)測值之間呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.990。蒸發(fā)皿實(shí)測值總體高于FAO-56 PM模型計(jì)算值，離散程度隨FAO-56 PM模型計(jì)算值的增大而增大。

根據(jù)吐魯番站2000—2015年實(shí)測的氣象資料，利用FAO-56 PM模型計(jì)算生長季逐月ET0-FAO-56 PM，計(jì)算的ET0-FAO-56 PM與對應(yīng)ET0-pan的比值即為實(shí)際的Kpan。然后以實(shí)際的Kpan為因變量，分析其與氣象因子(平均相對濕度和10 m高度處的風(fēng)速)的線性關(guān)系，建立吐魯番地區(qū)的Kpan模型[31-33]，得到如下結(jié)果

Kpan=0.547·RHmean+0.241·U10+0.300.

(16)

Allen等[25]認(rèn)為蒸發(fā)皿系數(shù)(Kpan)在0.35～0.85；Chen等[34]認(rèn)為中國的蒸發(fā)皿系數(shù)在0.6～0.8。與之比較，計(jì)算得到的生長季逐月蒸發(fā)皿系數(shù)(表4)合理。

表4 多月平均蒸發(fā)皿系數(shù)Table 4 Pan coefficients (Kpan) for multi-monthly mean ET0

將計(jì)算得到的逐月Kpan與對應(yīng)的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量相乘，就得到蒸發(fā)皿估算的ET0-pan值。由圖3(b)可知，蒸發(fā)皿實(shí)測值估算的ET0-pan值與FAO-56 PM模型計(jì)算的ET0-FAO-56 PM值非常接近，相關(guān)系數(shù)為0.996，且兩者之間斜率非常接近1，表明蒸發(fā)皿實(shí)測值估算的ET0-pan值與ET0-FAO-56 PM值非常接近，可以相互代替，估算效果較好。

圖3 ET0-FAO-56 PM和ET0-pan的關(guān)系Fig.3 Relationships between ET0 calculated by FAO-56 PM model and ET0-pan

4 討論

本研究表明Traj模型和M-H模型在干旱的吐魯番地區(qū)的適用性較好，其他6種ET0模型(P-T、H-S、J-H、Turc、M-A和B-H模型)的擬合效果相對較差。這與Adeboye等[27]的研究結(jié)果一致，他們評價(jià)2種ET0模型在尼日利亞西南部亞熱帶地區(qū)Abeokuta的適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)氣象資料完整時(shí)H-S模型表現(xiàn)出高估現(xiàn)象，J-H模型表現(xiàn)出低估現(xiàn)象，兩者與FAO-56 PM模型的偏差與降雨量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。與Djaman等[28]的研究結(jié)果也一致，他們評價(jià)16種ET0模型在塞內(nèi)加爾干旱區(qū)的適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)H-S、Traj和B-H模型表現(xiàn)出高估現(xiàn)象，M-H和Turc模型表現(xiàn)出低估現(xiàn)象，并指出風(fēng)速、氣溫和相對濕度是該地區(qū)蒸散發(fā)的驅(qū)動力，模型偏差與這些氣象因子有關(guān)。與Fotios等[35]的研究結(jié)果略有差異，他們評價(jià)13種ET0模型在希臘克里特島半干旱氣候條件下的適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)H-S和M-A模型表現(xiàn)出低估現(xiàn)象，夏季偏差較大，且偏差與風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系，M-H和Turc模型擬合效果最優(yōu)，J-H模型表現(xiàn)出夏季高估，冬季低估現(xiàn)象，指出太陽輻射和風(fēng)速是影響該地區(qū)蒸散發(fā)的兩個(gè)主成分因子。與袁小環(huán)等[5]的研究結(jié)果不同，他們評價(jià)4種ET0模型在半濕潤北京地區(qū)的適用性，發(fā)現(xiàn)P-T模型低估ET0，H-S模型高估ET0，并指出太陽輻射能量是土壤植被大氣連續(xù)體系統(tǒng)中水分從植被向大氣運(yùn)動的主要動力。

氣候變化研究中30 a是包含氣候變異的最短時(shí)段[12]，研究僅依據(jù)干旱區(qū)吐魯番站16 a的氣象資料，研究的時(shí)間、空間尺度都比較小，得到的結(jié)果具有一定的局限性。在后續(xù)的研究中還應(yīng)在更多的干旱區(qū)站點(diǎn)進(jìn)行長時(shí)間序列的ET0計(jì)算。

5 結(jié)論

對吐魯番地區(qū)2000—2015年參考作物蒸散發(fā)模型適用性進(jìn)行評價(jià)研究，主要得出以下結(jié)論：

1)以FAO-56 PM模型計(jì)算的ET0為標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)其他ET0模型，表明Traj和M-H模型在吐魯番地區(qū)的計(jì)算值非常接近FAO-56 PM模型的計(jì)算值，誤差小于5%，可以利用Traj和M-H簡單模型代替FAO-56 PM模型計(jì)算吐魯番地區(qū)的ET0。各種模型計(jì)算的逐月ET0在生長季內(nèi)變化趨勢一致，季節(jié)差異明顯，最高值在6—7月，最低值在10月。

2)影響溫度模型和輻射模型計(jì)算值偏差的主要?dú)庀笠蜃硬煌?，Rn和VPD是溫度、輻射模型計(jì)算值偏差的主要影響因子。各模型采用不同的輻射項(xiàng)和空氣動力學(xué)項(xiàng)參數(shù)，原始經(jīng)驗(yàn)系數(shù)在吐魯番地區(qū)的適用性存在差異。

3)FAO-56 PM模型計(jì)算的ET0和蒸發(fā)皿蒸發(fā)量之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。利用Kpan估算的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量ET0-pan值與FAO-56 PM模型計(jì)算的ET0非常接近，在實(shí)際應(yīng)用中可以采用蒸發(fā)皿蒸發(fā)量進(jìn)行代替，為利用水面蒸發(fā)量估算吐魯番地區(qū)ET0提供了參考。

本文雖然明確了8種ET0模型在吐魯番地區(qū)的適用性，但各模型的開發(fā)都是來自特定地區(qū)的氣候條件背景，參數(shù)也都是通過經(jīng)驗(yàn)獲得，在其他地區(qū)應(yīng)用時(shí)如何結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況對其進(jìn)行適當(dāng)修正以提高模擬精度值得進(jìn)一步研究。