川西高原沼澤濕地參考作物蒸散量估算方法適用性

李 春，周 英，孫 聰，嚴(yán) 坤

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.重慶市萬(wàn)州區(qū)氣象局，重慶 萬(wàn)州401147； 3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 朝陽(yáng) 100012；4.中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

蒸發(fā)散是區(qū)域、流域生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)中重要組成，與陸生生態(tài)系統(tǒng)生物量和生產(chǎn)力密切相關(guān)[1]。農(nóng)田、草地、森林等生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)可以通過(guò)實(shí)測(cè)或遙感反演，實(shí)測(cè)一般利用蒸滲儀或渦度相關(guān)等技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，但測(cè)定結(jié)果難以擴(kuò)展到其他區(qū)域，且大多數(shù)區(qū)域不具備開(kāi)展此類(lèi)研究的條件[2]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)遙感技術(shù)反演地表參數(shù)來(lái)估算區(qū)域蒸散發(fā)逐漸成為計(jì)算蒸散發(fā)的主要方法之一，但遙感僅提供瞬時(shí)信息，難以獲取蒸散隨時(shí)間變化的規(guī)律，蒸散發(fā)結(jié)果具有很大的不確定性[3]。目前，用參考作物蒸散發(fā)量(ET0)和作物系數(shù)(Kc)進(jìn)行蒸發(fā)散估算是普遍采用的方法。因此提高參考作物蒸發(fā)量精度對(duì)全球變化下高寒沼澤濕地水文過(guò)程和生態(tài)系統(tǒng)管理具有重要的作用。

關(guān)于參考作物蒸散發(fā)的估算方法眾多，被分為溫度法、輻射法、蒸發(fā)皿蒸發(fā)法、物質(zhì)法、綜合法，這些方法的應(yīng)用大多受區(qū)域環(huán)境影響。盡管FAO56PM是唯一被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的作為參考作物蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法，適用于不同地區(qū)和氣候條件，但該方法需要大量的實(shí)測(cè)氣象資料，而這些氣象數(shù)據(jù)在條件欠缺的區(qū)域往往難以獲得，限制了該方法的應(yīng)用。因此出現(xiàn)一些僅需要輸入較少氣象要素的簡(jiǎn)化估算方法，但這些簡(jiǎn)化方法均在特定區(qū)域和特定氣候條件下產(chǎn)生的，如在美國(guó)西北部較干旱的氣候條件下建立的Hagreaves公式，在其它區(qū)域或氣候條件下應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)差異，甚至相反的結(jié)論[4-6]。

若爾蓋高原位于青藏高原東北緣，海拔3400～3900m，是世界上高原泥炭沼澤主要分布區(qū)域，也是青藏高原東緣氣候變化敏感區(qū)和黃河上游重要的生態(tài)屏障區(qū)[7]。該區(qū)屬大陸性高原氣候，寒冷濕潤(rùn)，光照強(qiáng)烈，日溫差大，降水主要集中分布在5～10月，植被以高山草甸和沼澤植被為主，對(duì)于高原沼澤濕地而言，蒸散量不僅影響區(qū)域水文循環(huán)，而且關(guān)系到自然生態(tài)系統(tǒng)退化與恢復(fù)。本文對(duì)比7種廣泛使用的參考作物蒸散方法，分析不同方法在日、月尺度的適用性，尋求適合高原沼澤濕地的參考作物蒸散量估算方法，為若爾蓋高原沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能提升和濕地保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 參考作物蒸散量的計(jì)算方法

1.1 FAO56PM

FAO56PM公式是以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)建立的參考作物蒸散量估算方法，其形式為：

1.2 1948Pen

1948Pen是在無(wú)水汽水平輸送情況下提出的參考作物蒸散量計(jì)算方法，其形式為：

1.3 FAO24Pn

FAO 24Pn是Penman公式的一個(gè)修正版本，包括風(fēng)函數(shù)和修正系數(shù)，其形式為：

1.4 FAO24Rd

FAO24Rd是FAO-24推薦的基于太陽(yáng)輻射資料估算參考作物的一種方法，其形式為：

1.5 1985Harg

1985Harg是在美國(guó)西北部較干旱的氣候條件下建立的，其形式為：

1.6 Prs-Tylr

Prs-Tylr是在無(wú)平流假設(shè)條件下在環(huán)境濕潤(rùn)前提下,忽略空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)而得到參考作物蒸散量方法，是EPIC、CROPSM等模型中用以估算可能蒸散量的重要方法[8]，其形式為：

1.7 1957Makk

1957Makk被認(rèn)為是Priestley-Taylor公式的簡(jiǎn)化公式，在寒冷地區(qū)具有較好的適應(yīng)性，其形式為：

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與評(píng)價(jià)方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用國(guó)家氣象局氣象數(shù)據(jù)中心V3.0逐日氣象數(shù)據(jù)，該區(qū)域主要涉及四川省阿壩州的若爾蓋、紅原縣和甘肅省甘南藏族自治州瑪曲縣3個(gè)國(guó)家氣象站，基本情況見(jiàn)表1。

表1 氣象站點(diǎn)基本情況

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究選擇平方根誤差(RMSE)、Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(NES)和Willmott一致性指數(shù)(d)評(píng)價(jià)FAO56PM方法與其它方法間的差異，各個(gè)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中：n為樣本數(shù)；M為FAO56PM公式計(jì)算的參考作物蒸散量，E為其他公式計(jì)算的參考作物蒸散量。RMSE代表其它公式計(jì)算值與FAO56PM計(jì)算值之間的變異程度，當(dāng)RMSE=0時(shí)，表示FAO56PM計(jì)算值與其它方法計(jì)算值之間的擬合最佳；NESE取值為-∞至1，越接近1，表示FAO56PM法計(jì)算值與其它方法計(jì)算值之間的擬合最佳，可信度高；d取值為0至1，d值越接近1，表明其它方法計(jì)算值與FAO56PM計(jì)算值的一致性越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時(shí)間尺度ET0對(duì)比

各種方法計(jì)算的逐日平均ET0均呈凸拋物線分布，變化趨勢(shì)基本一致。.基于日ET0數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表2)，各種方法與FAO56PM方法之間存在極顯著性差異(d.f.=365,p<0.01)。其中，1948Pen、FAO24Pn、FAO24Rd、Prs-Tylr與FAO56PM絕對(duì)偏差介于0.09～0.66mm·d-1，F(xiàn)AO24Rd、FAO24Pn相對(duì)偏差大于20%；1985Harg、1957Makk與FAO56PM絕對(duì)偏差為-0.28mm·d-1、-0.17mm·d-1，相對(duì)偏差為-11.74%、-7.27%。

各種方法計(jì)算的逐月ET0也呈凸拋物線分布。與FAO56PM相比，F(xiàn)AO24Pn、FAO24Rd計(jì)算的ET0均偏大；1957Makk計(jì)算的ET0偏?。?948Pen計(jì)算的ET0在1月、12月偏小，其余月份偏大；1985Harg計(jì)算的ET0在10月-翌年5月偏小，其余月份偏大；Prs-Tylr計(jì)算的ET0在10月-翌年3月偏小，其余月份偏大。通過(guò)配對(duì)樣本t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除1948Pen計(jì)算的12月-翌年1月ET0呈與FAO56PM計(jì)算結(jié)果顯著性差異外(d.f.=49，p<0.05)，其他方法在各月與FAO56PM之間達(dá)到極顯著差異(d.f.=49，p<0.01)。與FAO56PM之間相對(duì)偏差可以看出，1948Pen在溫度較低的9月至翌年3月為-0.53%～7.05%，但4～8月為9.44%～13.55%；FAO24Pn、FAO24Rd在4～8月大于20%；1985Harg全年平均相對(duì)偏差達(dá)-5.23%，但在植物生長(zhǎng)期相對(duì)偏差較小，非生長(zhǎng)季相對(duì)偏差較大；Prs-Tylr-在作物生長(zhǎng)季相對(duì)偏差較大，在氣溫較高的7月偏差甚至達(dá)到-21.1%；相比而言1957Makk方法相對(duì)偏差較小，月最大相對(duì)偏差低于-13%。

表2 各種方法和FAO56PM計(jì)算的日值間偏差及配對(duì)樣本t檢驗(yàn)

注：*表示α=0.05下顯著,**表示α=0.01下顯著

圖1 不同方法計(jì)算的日ET0與FAO56PM計(jì)算結(jié)果的線性回歸關(guān)系

3.2 參考作物蒸散量ET0回歸分析

圖1不同方法計(jì)算的日ET0與FAO56PM計(jì)算結(jié)果的線性回歸關(guān)系(a)1948Pen;(b)FAO24Pn；(c)FAO24Rd;(d)1985Harg;(e)Prs-Tylr;(f)1957Makk

圖1可以看出，1948Pen、FAO24Pn、FAO24Rd估算結(jié)果均位于y=x的左側(cè)區(qū)域，說(shuō)明這3種方法計(jì)算的日ET0均高于FAO56PM計(jì)算結(jié)果。FAO24Pn、FAO24Rd離散程度大于1948Pen，特別是在ET0≥4mm·d-1時(shí)離散程度更大，說(shuō)明蒸散發(fā)劇烈時(shí)1948Pen方法計(jì)算結(jié)果更接近FAO56PM計(jì)算結(jié)果；1957Makk的計(jì)算結(jié)果主要位于y=x的右側(cè)區(qū)域，其計(jì)算的日ET0低于FAO56PM的計(jì)算結(jié)果；1985Harg、Prs-Tylr大部分計(jì)算結(jié)果較為均勻分布在y=x兩側(cè)。通過(guò)回歸分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AO56PM與各種方法線性回歸決定系數(shù)R2大于0.85，其中1948Pen擬合效果最佳(R2=0.9853)，1985Harg的擬合效果較差(R2=0.8668)。

圖2 不同方法計(jì)算的月ET0與FAO56PM計(jì)算結(jié)果的線性回歸關(guān)系

圖2不同方法計(jì)算的月ET0與FAO56PM計(jì)算結(jié)果的線性回歸關(guān)系(a)1948Pen;(b)FAO24Pn;(c)FAO24Rd;(d)1985Harg;(e)Prs-Tylr;(f)1957Makk

從圖2可以看出，各種方法ET0月值估算結(jié)果與y=x分布規(guī)律基本與日值相同。1948Pen、FAO24Pn、FAO24Rd估算結(jié)果位于y=x的左側(cè)區(qū)域；1957Makk的計(jì)算結(jié)果位于y=x的右側(cè)區(qū)域；1985Harg、Prs-Tylr基本均勻分布在y=x兩側(cè)。各種方法月值回歸斜率與日值回歸斜率相比基本沒(méi)有變化，說(shuō)明各種方法在估算日值、月值時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)方法相對(duì)關(guān)系較為穩(wěn)定。

3.3 誤差分析

表3是各種方法與FAO56PM方法之間計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)值。日尺度上，NES與d變化范圍為0.37～0.93、0.90～0.98，其中FAO24Rd取得最小值0.37和0.90，1948Pen取得最大值0.93和0.98；RMSE變化范圍是0.30～0.88mm·d-1，F(xiàn)AO24Rd取得最大值0.88mm·d-1，1948Pen取到了最小值0.30mm/d-1。對(duì)NES、d、RMSE進(jìn)行排序并加權(quán)發(fā)現(xiàn)，1948Pen計(jì)算值與FAO56PM計(jì)算值差異最小，其次為1985Harg、1957Makkink、Prs-Tylr、FAO24Pn，而FAO24Rd與FAO56PM計(jì)算結(jié)果差異最大，精度最低，這與高飛等[9]在暖溫帶大陸性極端干旱氣候下發(fā)現(xiàn)FAO24Rd方法適用性最差的結(jié)論基本一致。在月尺度上，各個(gè)方法與FAO56PM之間差異表現(xiàn)出與日尺度基本相同的規(guī)律，仍然為1968Pen與FAO56PM之間差異較小，F(xiàn)AO24Rd與FAO56PM之間差異較大，但1985Harg與1957Makk排序略有差異，日尺度上1957Makk法優(yōu)于1985Harg法，月尺度上1985Harg法優(yōu)于1957Makk法。

表3 FAO56PM與其它方法計(jì)算結(jié)果之間的RMSE、NES、d

通過(guò)對(duì)氣象數(shù)據(jù)可獲取程度、擬合精度等綜合權(quán)衡，高原沼澤濕度區(qū)域在僅有氣溫?cái)?shù)據(jù)的條件下可以?xún)?yōu)先考慮使用1985Harg方法，在有日照和氣溫?cái)?shù)據(jù)條件下，可以?xún)?yōu)先選擇Makk方法。

4 結(jié)論與討論

若爾蓋高原位于青藏高原東北部，是全球重要的碳庫(kù)，若爾蓋高原沼澤濕地對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)功能、緩解全球氣候變化具有重要的作用。蒸散發(fā)作為區(qū)域重要的水文過(guò)程，是退化生態(tài)恢復(fù)與濕地可持續(xù)管理的基礎(chǔ)。由于參考作物蒸散發(fā)估算方法建立時(shí)考慮條件不同，選用了不同的輻射項(xiàng)和空氣動(dòng)力項(xiàng)，致使簡(jiǎn)化方法適用性具有一定的區(qū)域或氣候條件限制。本文利用若爾蓋高原3個(gè)國(guó)家氣象站數(shù)據(jù)，以FAO56PM方法為標(biāo)準(zhǔn)，分析了各種方法在不同時(shí)間尺度估算ET0的適用性，得出以下結(jié)論：

(1)7種方法計(jì)算的參考作物蒸散的日、月變化趨勢(shì)基本一致。與FAO56PM計(jì)算的日ET0計(jì)算結(jié)果相比，F(xiàn)AO24Pn、FAO24Rd計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏差大于20%，1985Harg、1957Makk相對(duì)偏差為10.0%左右；與FAO 56PM月ET0計(jì)算結(jié)果相比，不同月份ET0月值相對(duì)偏差存在差異，1948Pen、FAO24Pn、FAO24Rd、Prs-Tylr在生長(zhǎng)季相對(duì)偏差較大，1985Harg在植物生長(zhǎng)季偏差較小。

(2)通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)排序，ET0月、日估算最優(yōu)方法為1948Pe法(RMSE=0.30mm·d-1，NES=0.93，d=0.98)。當(dāng)氣象數(shù)據(jù)難以獲取時(shí)，可以?xún)?yōu)先選擇1985Harg或1957Makk方法。