基于水文循環(huán)過程的小流域蒸散發(fā)量模擬方法評(píng)估

師晟國(guó)

（西安水文水資源勘測(cè)中心，陜西 西安 710100）

1 研究區(qū)概況

選取某排洪河，長(zhǎng)約27.80 km，流域總面積約100 km2，年平均氣溫13.30 ℃。氣候類型為溫帶季風(fēng)氣候，年均降雨量783.27 mm，降雨多集中6-9月，占年降雨量60.26%。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心和河流所在的城市氣象局提供；其中還包括流域內(nèi)及周邊6個(gè)站點(diǎn)。

3 研究方法

3.1 蒸散量計(jì)算模型

3.1.1 基于輻射能的模型

Priestley和Taylor方法

式（1）中：ETPT為潛在蒸散發(fā)量（mm）；α為校準(zhǔn)值常數(shù)，取1.26；Δ為飽和水蒸氣壓力曲線的斜率（kPa/℃）；γ為濕度計(jì)常數(shù)（kPa/℃）；Rn為凈輻射量（MJ/（m2·d））；λ為水汽化潛熱（MJ/kg）；G為土壤熱通量（MJ/（m2·d））。

Jensen-Haise方法

式（2）中：ETJH為潛在蒸散發(fā)量（mm）；Rs為太陽總輻射（MJ/（m2·d））；T為每月平均氣溫（℃）。

Makkink方法

式（3）中：ETMAK為潛在蒸散發(fā)量（mm）。

Abtew方法：

式（4）中：ETABT為參考蒸散發(fā)量（mm）；k為無量綱系數(shù)，取0.53。

McGuinness-Bordne方法：

式（5）中：ETMB為潛在蒸散發(fā)量（mm）。

3.1.2 基于空氣動(dòng)力學(xué)的蒸散發(fā)模型

Penman方法

3.1.3 基于溫度的蒸散發(fā)模型

Linacre方法

式中：ETLIN為潛在蒸散發(fā)量（mm）；A為站點(diǎn)的海拔高度（m）；φ為站點(diǎn)的緯度（°）；T為平均氣溫（℃）；Td為露點(diǎn)溫度（℃）。

Hamon方法

Hargreaves-Samani方法

3.2 FAO-Penman-Monteith模型

FAO-Penman-Monteith 模型是計(jì)算潛在蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)模型，以此模型的計(jì)算值作為基準(zhǔn)，檢驗(yàn)上述模型的準(zhǔn)確性。

式中：PETFPM為參考蒸散量（mm）；Tmean為2 m 高度的平均氣溫（℃）。

將研究對(duì)象分為春季（3-5 月）、暖季（6-9 月）和秋冬季（10-次年2月）計(jì)算分析。

3.3 模型評(píng)價(jià)方法

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，使用四種統(tǒng)計(jì)方法，即相對(duì)偏差（RBIAS）、Nash-Sutcliffe系數(shù)（NSE）、相關(guān)系數(shù)（CC）以及均方根誤差（RMSE）。此外為研究9 種模型與FAO-Penman-Monteith模型計(jì)算蒸散量的偏離程度，使用卡方檢驗(yàn)，分析在95%置信水平下的差異。

式中：X2為皮爾森卡方值；ETFPM為FAO-Penman-Monteith法計(jì)算的蒸散量；ETAM為替代模型計(jì)算的蒸散量；n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 FAO-Penman-Monteith方法

采用FAO-Penman-Monteith 方法計(jì)算的蒸散量如表1 所示。流域的月均蒸散量的最大值和最小值分別出現(xiàn)在4#站點(diǎn)和6#站點(diǎn)，分別為87.42和69.68 mm。

表1 利用FAO方法估算站點(diǎn)蒸散量 單位：mm

4.2 不同方法的蒸散量估算評(píng)價(jià)

9種模型所計(jì)算的月蒸散量與ETFPM的相關(guān)性均在0.85以上，與ETJH、ETHS和ETHAM與ETFPM的相關(guān)性最高。不同方法之間的RMSE范圍為0.59～4.64。ETMAK方法在所有研究點(diǎn)的RMSE最低。

從N-S系數(shù)上看，不同模型在不同站點(diǎn)的模擬效果差異較大，其中ETMAK方法在各個(gè)站點(diǎn)的效果均為最好。在1#站點(diǎn)，ETJH的計(jì)算結(jié)果偏低；在3#站點(diǎn)，ETHAM的計(jì)算結(jié)果偏低；在4#、5#和6#站點(diǎn)，ETLIN的計(jì)算結(jié)果偏低，因此不適用。綜合分析不同模型對(duì)不同站點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果。其中，ETMAK對(duì)1#站（NSE=0.947）和2#站（NSE=0.851）的模擬結(jié)果最好。

為衡量9 種模型平均值的偏差程度，將所得到的數(shù)據(jù)與FAO-Penman Monteith模型進(jìn)行相對(duì)偏差分析。不同模型的相對(duì)偏差結(jié)果較大，相對(duì)偏差范圍為-54.49%～76.66%。其中ETHAM低估偏差最大，ETPT、ETABT和ETJH模型的相對(duì)偏差小且在所有站點(diǎn)均無低估。

為驗(yàn)證以上9 種模型的準(zhǔn)確度，將得到的結(jié)果與FAOPenman Monteith方法采用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行分析（表2）。與FAOPenman Monteith 方法在99%置信區(qū)間下無顯著差異的模型有ETMAK、ETPT、ETABT、ETHS和ETPEN。

表2 不同模型的卡方檢驗(yàn)P值表

使用卡方檢驗(yàn)，在不同地區(qū)計(jì)算蒸散量的9 種不同方法中，除2#和6#站點(diǎn)以外，估算蒸散量的最佳替代方法是Jensen-Haise法，2#和6#站點(diǎn)的最佳替代方法是Hamon法。

4.3 不同植被生長(zhǎng)季節(jié)ET計(jì)算方法的評(píng)價(jià)

4.3.1 暖季植被

在暖季1#、3#、4#和5#站點(diǎn)采用Jensen-Heise 法計(jì)算的蒸散量較其他方法準(zhǔn)確，蒸散量范圍為-32.92%～28.21%。在1#、3#、4#和5#站，同時(shí)RMSE和NSE值均較好。此外，對(duì)于2#和4#站，ETHAM在0.05和0.62～0.72的暖季是最準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型。

4.3.2 冷季植被

①春季結(jié)果表明，使用ETJH方法進(jìn)行各站蒸散量的估算，得到的結(jié)果偏差最小，偏差-18.62%～25.64%，同時(shí)RMSE 和NSE 分別為0.76～1.16 和0.86～0.94，可以使用Jensen-Heise 法進(jìn)行代替，來估算冷季的蒸散量。②秋冬季結(jié)果表明，ETJH在1#、3#、4#和5#站秋冬季蒸散量估算的結(jié)果中偏差較小，估算值范圍為-37.79%～5.48%，RMSE和NSE結(jié)果也較好，是這些站點(diǎn)秋冬季蒸散量估算的最佳替代方法。ETHAM是2#和6#站最準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型，蒸散量分別被低估了-29.73%和-37.79%，RMSE和NSE平均值分別為1.46和0.72。

5 結(jié)論

①基于本流域及6個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)比分析9種ET模型與FAO-Penman Monteith 模型的計(jì)算結(jié)果，評(píng)估模型在本區(qū)域的替代性。②通過分析植被生長(zhǎng)期間的月累計(jì)ET值，在不同的時(shí)季模型的適用性也不同。Jensen-Heise 方法和Hamon 方法在暖季和秋冬季的模擬效果最好，Jensen-Heise 方法在春季適用性較好，適用于所有站點(diǎn)。