基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的黑河中游地區(qū)FAO Penman-Monteith模型評(píng)價(jià)研究

梁友嘉,徐中民

(中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)試驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的黑河中游地區(qū)FAOPenman-Monteith模型評(píng)價(jià)研究

梁友嘉,徐中民

(中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)試驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

研究利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件STELLA構(gòu)建FAO Penman-Monteith模型，進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與生態(tài)建模相結(jié)合的嘗試。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際太陽輻射模擬值與GIS空間插值結(jié)果基本吻合，變化趨勢一致；潛在蒸散發(fā)量估算值與SEBS模型估算值接近，基于時(shí)間序列的變化趨勢基本相同，較好地反映了逐日蒸散發(fā)量的時(shí)間異質(zhì)性；敏感性分析發(fā)現(xiàn)潛在蒸散發(fā)量對(duì)反照率、回歸常數(shù)、輻射系數(shù)和研究區(qū)緯度值(取值范圍為37°～39°)變化不敏感；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在分析復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、模擬不同條件下系統(tǒng)因子之間相互作用以及響應(yīng)過程中具有明顯優(yōu)勢；STELLA本身強(qiáng)大的建模功能及友好圖形界面在生態(tài)學(xué)及相關(guān)研究領(lǐng)域中有廣闊前景；多學(xué)科方法、多時(shí)空尺度、多物理過程相耦合的研究將是以后該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和趨勢之一。

黑河中游地區(qū)；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；FAO Penman-Monteith模型

地表蒸散發(fā)在全球各種尺度的水文循環(huán)中起著重要作用，是地表水量與能量平衡的主要組成部分，反映了氣象因素對(duì)地表蒸散發(fā)量的影響。Rosenberg等[1]指出降落到地球表面的降水有70%通過蒸散作用回到大氣中，而在干旱區(qū)這個(gè)數(shù)字達(dá)到90%?？梢姡诘湫蛢?nèi)陸河流域進(jìn)行蒸散發(fā)研究具有更重要的意義。由于地表蒸散發(fā)受微氣象、植被、土壤等多項(xiàng)因子綜合影響，因子之間相互作用比較復(fù)雜，故一般在中尺度的區(qū)域內(nèi)，蒸散發(fā)量的估算常需先求出該地區(qū)在植被充分覆蓋、土壤水分供應(yīng)充足情況下，受氣象條件影響的潛在蒸散發(fā)量[2-3]，它是計(jì)算作物需水量和荒漠植被潛在蒸散發(fā)量的一個(gè)重要參數(shù)。有效地估算區(qū)域潛在蒸散發(fā)一直是農(nóng)學(xué)、水文學(xué)、氣象學(xué)、土壤學(xué)等學(xué)科的重要研究內(nèi)容，在區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、干旱區(qū)水資源規(guī)劃管理等各個(gè)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值[4-5]。

自1802年Dalton提出計(jì)算蒸散發(fā)公式以來，有關(guān)蒸散發(fā)的研究已取得不少成果，以Thornthwait利用邊界層相似理論計(jì)算蒸發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)方法、Swinbank的渦度相關(guān)法、Penman-Monteith公式[6-7]為代表。其中，圍繞以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)的Penman-Monteith公式開展了很多研究[8-13]，聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)于1977年給出了潛在蒸散發(fā)量的明確定義[14]。Allen等[15]在Penman-Monteith原式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)用Penman-Monteith公式計(jì)算的潛在蒸散發(fā)量與實(shí)測值最為接近。Jensen等[16]用20種計(jì)算或測定蒸散發(fā)量的方法與蒸滲儀的實(shí)測參考作物蒸散發(fā)量作比較，發(fā)現(xiàn)不管是在干旱地區(qū)還是在濕潤地區(qū)，Penman-Monteith公式都是最好的一種計(jì)算法。1998年，F(xiàn)AO對(duì)參考作物潛在蒸散發(fā)量進(jìn)行了新的定義， 即潛在蒸散發(fā)量指作物株冠完全覆蓋地面、作物高度不超過1 m且生長正常的作物[如苜蓿(Medicagosativa)等]在充分供水情況下的田間蒸散發(fā)水量。并給出了推薦使用的FAO Penman-Monteith公式[17]，隨后與之相關(guān)的應(yīng)用研究迅速興起。在國內(nèi)，龔元石[18]、杜堯東等[19]、康紹忠等[20]對(duì)傳統(tǒng)Penman-Monteith公式與FAO Penman-Monteith公式進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比分析。

計(jì)算機(jī)建模試驗(yàn)是生態(tài)學(xué)及地理學(xué)的重要研究內(nèi)容之一，它有助于人們理解復(fù)雜的自然過程，培養(yǎng)系統(tǒng)思考能力。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(system dynamics)是美國學(xué)者Forrester于1956年創(chuàng)立的一種研究復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的方法,它根據(jù)信息反饋的控制原理并結(jié)合因果關(guān)系的邏輯分析,描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu),模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為[21]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)適合解決具有動(dòng)態(tài)反饋的系統(tǒng)問題，其理論與方法已應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境等諸多學(xué)科領(lǐng)域[22-23]。作為將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)思想與計(jì)算機(jī)建模相銜接的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模工具STELLA軟件，因具備強(qiáng)大的圖形建模環(huán)境和簡便的操作方式，備受國外科研者推崇[24-25],但在國內(nèi)關(guān)于蒸散發(fā)的研究中很少有引入此類方法的研究成果。本研究通過利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件STELLA構(gòu)建FAO Penman-Monteith模型，并作其敏感性分析，為系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法與生態(tài)建模的有機(jī)結(jié)合做一個(gè)有益嘗試。

本研究利用黑河中游甘州區(qū)的氣象觀測站點(diǎn)2000年逐日氣象資料，借助系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，進(jìn)行系統(tǒng)建模，重新構(gòu)建FAO Penman-Monteith模型，計(jì)算了全年逐日參考作物潛在蒸散發(fā)量，并利用Su等提出基于能量平衡的SEBS(surface energy balance system)模型進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算[26]。最后對(duì)2種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，并作重要參數(shù)的敏感性分析，指出系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法在生態(tài)建模中的強(qiáng)大功能和應(yīng)用前景。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)概況 鶯落峽至正義峽為黑河中游地區(qū)(圖1)，河道長185 km，行政區(qū)劃主要包括張掖市的臨澤縣、高臺(tái)縣、甘州區(qū)、山丹縣、民樂縣，總面積約為3.98×104km2。地勢平坦，光熱資源充足，景觀類型主要由綠洲和荒漠組成。除民樂縣(年均降水357.2 mm)外，其余地區(qū)均不超過200 mm，而年蒸發(fā)能力則達(dá)1 410 mm，降雨稀少，蒸散發(fā)量大，使得本已緊張的水資源供需矛盾更加引起世人關(guān)注，加之近年來綠洲經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，綠洲面積有擴(kuò)大趨勢，在有限的水資源分配過程中，過分追求水資源的經(jīng)濟(jì)效益，而忽視其生態(tài)環(huán)境效益。這一切都使得該地區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷惡化，加劇了植被衰退和沙漠化等生態(tài)環(huán)境問題[27]。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2所需數(shù)據(jù) 本研究所需的逐日氣象數(shù)據(jù)有：溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度、降水，甘州區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)的月均太陽輻射等。在黑河中游地區(qū)中，張掖市甘州區(qū)地勢相對(duì)平坦，光熱條件較好，而且數(shù)據(jù)支撐有力，故本研究選取甘州區(qū)內(nèi)的相關(guān)站點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算所用氣象數(shù)據(jù)來源于2000年太平堡村觀測站，該站位于100°22′12″ E、38°33′36″ N處，海拔1 480 m。上述各類數(shù)據(jù)均來源于數(shù)字黑河網(wǎng)站。

2 研究方法

Penman-Monteith模型是基于能量平衡原理、水汽擴(kuò)散原理及空氣熱導(dǎo)定律而建立的，在1948年由英國科學(xué)家彭曼首次提出,是現(xiàn)今被廣泛應(yīng)用來計(jì)算參考物潛在蒸散發(fā)量的方法。估計(jì)參考物潛在蒸散發(fā)時(shí)，需要獲取研究區(qū)地面觀測的氣象資料，包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、氣壓等，很多研究均已證明Penman-Monteith模型適用于對(duì)較大區(qū)域能量通量進(jìn)行估算。

2.1模型基礎(chǔ) FAO1998年推薦使用的改進(jìn)的Penman-Monteith公式，是具有較小相對(duì)誤差的計(jì)算參考物潛在蒸散發(fā)量的方法。由于其在中緯度地區(qū)精度很高而得以廣泛應(yīng)用。由于土壤熱通量相對(duì)地表凈輻射很小，加之?dāng)?shù)據(jù)受限，在此忽略，故對(duì)Penman-Monteith公式進(jìn)行簡化得式(1)，最終用其進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模。

(1)

式中，ET0是潛在蒸散發(fā)量，單位為mm/d；Rn為地表凈輻射，單位為MJ/(m2·d)；T為2 m高處日平均氣溫，單位℃；es為飽和水氣壓，單位為kPa；ea為實(shí)際水氣壓，單位為kPa；γ為干濕表常數(shù)，單位為kPa/℃；Δ為飽和水氣壓曲線斜率，單位為kPa/℃；V2為2 m高處風(fēng)速，單位為m/s。

2.2模型分量確定

2.2.1地表凈輻射 凈輻射是收入的凈短波輻射和支出的凈長波輻射之差，除一些高緯度極特殊地區(qū)，日凈輻射一般總是正值。

Rn=Rns-Rnl

(2)

地表凈輻射Rn計(jì)算公式(2)中各變量分別可以由式(3)～(9)計(jì)算。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Rso=(0.75+2×10-5z)Ra

(8)

(9)

式(3)～(9)中，Ra可以由太陽常數(shù)、太陽傾角和某一天在一年中所處時(shí)序位置來估計(jì)：Gsc為太陽常數(shù)，取值為0.082 0 MJ/(m2·min)；dr為日地相對(duì)距離；φ和δ分別為緯度和太陽傾角，以弧度表示，ωs為日落時(shí)角；J為儒略日，取值范圍為1到365或366；z為站點(diǎn)海拔高度，單位為m。

2.2.2干濕表常數(shù)(γ) 干濕表常數(shù)γ由式(10)計(jì)算得到，單位為kPa/℃；其中，P是大氣壓，單位為kPa；λ為蒸發(fā)潛熱，在通常的氣溫變化范圍內(nèi)，λ隨氣溫變化不大，因此取2.45 MJ/kg，這是氣溫在20 ℃左右的蒸發(fā)潛熱值；cp為空氣定壓比熱1.013×10-3MJ/(kg·℃)；ε為水與空氣分子量之比，約為0.622。

(10)

由于大氣壓變化所引起的潛在蒸散發(fā)量變化較小，因此在計(jì)算過程中用一個(gè)地區(qū)大氣壓平均值就足夠了?？衫美硐霘怏w將大氣壓簡化，假定標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度為20 ℃，則大氣壓P可用式(11)計(jì)算，式中z為當(dāng)?shù)氐暮０胃叨?，單位為m，這里取太平堡村觀測站所在處的海拔，為1 480 m。

(11)

2.2.3水汽壓虧缺量(es-ea) 水汽壓虧缺量是指給定時(shí)間內(nèi)飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓之差。見式(12)，RHmean為平均相對(duì)濕度。

(12)

2.2.4風(fēng)速(V) 水汽移動(dòng)速度在很大程度上依賴于風(fēng)速和空氣擾動(dòng)，在水分蒸發(fā)過程中，參考物蒸發(fā)表面空氣由于水汽增多逐漸飽和，如這些空氣沒有被更干燥的空氣代替，水汽移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力和蒸散率就會(huì)減小。計(jì)算時(shí)，一般需要在2 m高處測量風(fēng)速。其他高度觀測的風(fēng)速可根據(jù)下式進(jìn)行訂正：

(13)

式中，V2為2 m高處風(fēng)速，單位為m/s；VZ為Z m高處測量的風(fēng)速；Z為風(fēng)速計(jì)儀器安放的離地面高度，單位為m。

2.2.5飽和水汽壓曲線斜率(Δ) 由式(14)計(jì)算，式中，Δ是氣溫為T時(shí)的飽和水汽壓斜率，單位為kPa/℃；T為攝氏氣溫。

(14)

2.3系統(tǒng)模型構(gòu)建 根據(jù)模型基礎(chǔ)和模型分量的函數(shù)關(guān)系式建立基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的常微分方程組，使用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件STELLA構(gòu)建黑河中游地區(qū)FAO Penman-Monteith模型的系統(tǒng)流程圖(圖2)，最終完成公式(1)～(14)的圖形化建模。

最終，基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)構(gòu)建的FAO Penman-Monteith模型中共包括6個(gè)常量，23個(gè)計(jì)算變量，4個(gè)圖函數(shù)，圖2中各參數(shù)的編碼意義詳見表1。

圖2 Penman-Monteith模型系統(tǒng)流程圖

表1 模型主要參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1實(shí)際太陽輻射擬合度分析 利用黑河中游地區(qū)太平堡村觀測站的相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；同時(shí)，已有的輻射數(shù)據(jù)為月值，各站點(diǎn)數(shù)據(jù)不完全匹配(圖3)，故利用ArcGIS空間插值方法獲取太平堡村觀測站處2000年12個(gè)月的插值輻射驗(yàn)證數(shù)據(jù)，將每月該站點(diǎn)處輻射值錄入數(shù)據(jù)庫，以備比對(duì)分析所用。與模型計(jì)算所得的實(shí)際太陽輻射作對(duì)比。插值結(jié)果以2000年6月份為例(圖4)。

如圖5，經(jīng)過云修正的實(shí)際太陽輻射與空間插值結(jié)果進(jìn)行擬合度對(duì)比。空間插值過程中，利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行趨勢分析發(fā)現(xiàn)，基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)，采用徑向基函數(shù)插值(RBF)[28-29]有最好的插值效果。故最終所用空間插值方法為RBF。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢基本一致，同一時(shí)間剖面上看，擬合值總是小于插值結(jié)果，拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間也基本一致，分別為5、6、7月中旬。對(duì)插值和擬合值做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者的變化高度相關(guān)，表現(xiàn)為線性關(guān)系，R2=0.957 7(圖6)，說明利用ArcGIS進(jìn)行基

圖3 站點(diǎn)示意圖 圖4 2000年6月份輻射插值圖

圖5 擬合度對(duì)比

圖6 相關(guān)性檢驗(yàn)

于RBF的空間插值有其優(yōu)勢，當(dāng)數(shù)據(jù)足夠精確時(shí)，在一定空間尺度上會(huì)取得更好的模擬效果；同時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模方法又可以彌補(bǔ)前者對(duì)時(shí)間序列表現(xiàn)過于粗略的缺點(diǎn)，更加細(xì)致地刻畫模型在時(shí)間序列上變化的細(xì)節(jié)。探討2種研究方法的交匯使用顯得很有必要，這樣可以更好的表現(xiàn)出模型時(shí)空尺度上的全面變化，最終會(huì)產(chǎn)生更加精確的模擬效果。

3.2潛在蒸散發(fā)量估算 利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件STELLA構(gòu)建的FAO Penman-Monteith模型進(jìn)行計(jì)算，得出潛在蒸散發(fā)量；為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算效果，將結(jié)果與SEBS模型所得的蒸散發(fā)估算值進(jìn)行對(duì)比，SEBS模型是由Su[30]提出的一個(gè)模型，通過估算大氣湍流通量和蒸發(fā)比，進(jìn)而對(duì)較大區(qū)域范圍地表能量通量進(jìn)行估算。本研究用SEBS模型計(jì)算結(jié)果做驗(yàn)證數(shù)據(jù)，將兩者的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行時(shí)間序列對(duì)比(圖7)。

圖7 模型蒸散發(fā)估算對(duì)比

可以發(fā)現(xiàn)，基于FAO Penman-Monteith模型潛在蒸散發(fā)的估算值和基于SEBS模型的估算值變化趨勢基本一致，但FAO Penman-Monteith模型估算的潛在蒸散發(fā)總體上大于SEBS模型所得，并且對(duì)1月到3月中旬、10月中旬到12月的模擬效果細(xì)節(jié)表現(xiàn)的更加清晰；總體看，潛在蒸散發(fā)值在5-8月間較大，而由圖8可知，該時(shí)期溫度值也較大，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)兩者有如下關(guān)系：

y=1.197 3e0.066 4x

式中，x為溫度，y為潛在蒸散發(fā)值，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.716 7，表明溫度與潛在蒸發(fā)量有較好的相關(guān)性。同時(shí)，降水量在5月到8月間增強(qiáng)，使得地表水分增多，加之此段時(shí)間內(nèi)溫度較高，造成更大的蒸發(fā)；相對(duì)濕度和潛在蒸散發(fā)之間未發(fā)現(xiàn)有明顯的相關(guān)性，分析風(fēng)速與潛在蒸散發(fā)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者之間擬合關(guān)系最好的公式如下：

y=-0.000 2x2+ 0.061 8x- 0.720 8

式中，x為風(fēng)速，y為潛在蒸散發(fā)值，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.599 1，相關(guān)性不明顯，說明風(fēng)速對(duì)潛在蒸散發(fā)的影響也不是很明顯，但好于濕度。通過對(duì)影響潛在蒸散發(fā)的氣象因子分析可認(rèn)為，在黑河中游地區(qū)，影響潛在蒸散發(fā)大小的關(guān)鍵因子有降水、溫度，風(fēng)速也起一定作用，較前兩者而言，作用較弱；由于相對(duì)濕度較小，對(duì)潛在蒸散發(fā)的影響不大。

圖8 研究區(qū)氣象參數(shù)變化

3.3敏感性分析 利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件STELLA敏感性分析模塊，進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析，通過敏感性分析可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)變量對(duì)某參數(shù)變化的響應(yīng)敏感程度。模型計(jì)算過程中對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的敏感性分析。一般來說，在FAO Penman-Monteith模型中，反照率值的確定十分關(guān)鍵，本研究充分利用STELLA敏感性分析功能，以反照率為例進(jìn)行敏感性分析。對(duì)綠色植物而言，一般取值范圍是0.20～0.25，潮濕裸露的土壤表面為0.05，鮮冰/雪為0.9，本模型計(jì)算中取值為0.23。為檢驗(yàn)此取值對(duì)潛在蒸散發(fā)量的影響，對(duì)反照率作敏感性分析，分別假定反照率為0.23、0.59、0.95，結(jié)果如圖9。可以發(fā)現(xiàn)，潛在蒸散發(fā)在不同反照率值下變化并不明顯，最大差值為0.2，變化幅度很小，可以認(rèn)為潛

圖9 反照率敏感性分析

在蒸散發(fā)量對(duì)反照率變化不敏感。同樣分析發(fā)現(xiàn)潛在蒸散發(fā)值對(duì)回歸常數(shù)、輻射系數(shù)和緯度值(取值范圍為37°～39°)的變化也不敏感。說明本模型中反照率、回歸常數(shù)、輻射系數(shù)的取值比較合理，在中緯度(37°～39°)地區(qū)進(jìn)行FAO Penman-Monteith模型估算也是合理的。利用敏感性分析往往可以更容易的抓住問題本質(zhì)，分出主次。對(duì)于參數(shù)眾多、要素之間相互作用復(fù)雜，過程響應(yīng)機(jī)理分析困難的研究對(duì)象來說，采用基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模方法進(jìn)行參數(shù)敏感性分析非常有用。

4 討論與結(jié)論

本研究利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件STELLA進(jìn)行FAO Penman-Monteith模型系統(tǒng)建模，分析發(fā)現(xiàn)，基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的FAO Penman-Monteith模型對(duì)黑河中游地區(qū)、尤其是甘州區(qū)的實(shí)際太陽輻射的模擬和ArcGIS空間插值結(jié)果基本吻合，隨時(shí)間序列變化趨勢一致；對(duì)潛在蒸散發(fā)的估算與SEBS模型估算結(jié)果接近，基于時(shí)間序列的變化趨勢基本相同，從而充分反映了逐日潛在蒸散發(fā)的時(shí)間異質(zhì)性；借助敏感性分析發(fā)現(xiàn)，潛在蒸散發(fā)值對(duì)反照率、回歸常數(shù)、輻射系數(shù)和研究區(qū)緯度值(取值范圍為37°～39°)變化不敏感，STELLA軟件的敏感性分析模塊對(duì)分析關(guān)鍵參數(shù)、理解研究對(duì)象本質(zhì)有重要作用。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用日益普及，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模將給生態(tài)模擬帶來極大幫助，其分析復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、模擬不同條件下系統(tǒng)響應(yīng)過程的優(yōu)點(diǎn)會(huì)愈加突出，而如系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件STELLA之類的圖形化建模工具憑借其強(qiáng)大的建模功能及友好的人機(jī)交互界面，將在生態(tài)學(xué)及相關(guān)研究領(lǐng)域中具有更加廣闊的前景。

由于數(shù)據(jù)受限，本研究只做了潛在蒸散發(fā)估算，今后將基于潛在蒸散發(fā)和其他相關(guān)因素構(gòu)建更復(fù)雜的分布式流域水文模型及植物生長模型，實(shí)現(xiàn)水文生態(tài)過程的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模塊化集成，通過靈活的組合不同模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域水文生態(tài)更全面、更合理的分析。從這點(diǎn)上講，本研究只是拋磚引玉，還有很多工作要繼續(xù)深入的開展下去。如借助空間建模環(huán)境(spatial modeling environment，SME)和ArcGIS，將STELLA構(gòu)建的精確單元格模型擴(kuò)展到空間域，實(shí)現(xiàn)模型集成及時(shí)空尺度上的異質(zhì)性模擬；多學(xué)科方法、多時(shí)空尺度、多物理過程相耦合的研究將是以后研究的重點(diǎn)之一。

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EstimationofFAOPenman-MonteithmodelinthemiddlereachesofHeiheRiverbasedonSystemDynamics

LIANG You-jia, XU Zhong-min

(Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, CAS, Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River Basin, Gansu Lanzhou 730000, China)

The system dynamics software STELLA was used to built a FAO Penman-Monteith model and the system dynamics modeling and the ecological models was firstly combined in this study. This study showed that the simulation value of the actual solar radiation (Rs) was accord with the spatial interpolation by ArcGIS. The estimated value of potential evapotranspiration(ET0) was consistent with the simulated value of SEBS model, indicating that the evapotranspiration changes of time series reflected the heterogeneity of every day evapotranspiration. The sensitivity analysis of STELLA showed that ET0was insensitive to alpha, As, Bs and area latitude (range from 37°-39°). This study suggested that the system dynamics change showed the great advantages in the analysis of complex systems dynamics and simulation interaction between the system factors and the response process under different conditions, that STELLA’s powerful features and good graphical interface could be applied in the ecology modeling and related research, and that the multidisciplinary approach, more temporal and spatial scale and multi-phase coupling of physical processes would be the focus in this field and an important trend in the future.

The middle reaches of Heihe River; system dynamics; FAO Penman-Monteith model

S126；S181

A

1001-0629(2011)01-0018-09

2010-03-03 接受日期：2010-07-02

中國科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目“黑河流域遙感-地面觀測同步試驗(yàn)與綜合模擬平臺(tái)建設(shè)”(KZCX2-XB2-09);中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目群“地表過程集成系統(tǒng)研究”(KZCX2-YW-Q10-4-03)

梁友嘉(1985-),男,甘肅鎮(zhèn)原人,在讀碩士生,主要從事生態(tài)經(jīng)濟(jì)與空間建模方面的研究。

E-mail:liangyj05@lzu.cn