Influence of evapotranspiration assessment on the accuracy of moisture transport modeling under the conditions of sprinkling irrigation in the south of Ukraine

ABSTRACT

The paper presents the results of computational experiments for evaluating the impact of different evapotranspiration assessment methods usage on the accuracy of soil moisture dynamics simulation for the conditions of sprinkling irrigation. We consider a differential one-dimensional model of moisture transport stated in terms of water head which uses as an initial data the estimates of evapotranspiration according to the methods of Ivanov, Shtoiko, Penman–Monteith and SEBAL. The differential moisture transport model was discretized using the finite-difference scheme. Its unknown parameters values were found by solving an inverse problem using the metaheuristic particle swarm optimization algorithm. We perform water head modeling accuracy assessment using different methods of evapotranspiration evaluation along with their linear combination. The Ivanov’s method was found to be the most accurate in the conditions of soybean growing in the south of Ukraine under sprinkling irrigation while linear combination of four considered methods gives an additional increase of accuracy by 6.5%.     

东北地区参考作物蒸散量对主要气象要素的敏感性分析

利用国家气象局提供的地面气候资料日值数据集,通过FAO推荐的Penman-Monteith公式计算了东北地区1961-2008年生长季(5-9月)逐日的参考作物蒸散量(ET0),分析了ET0及主要气象要素的变化趋势,并通过响应曲线、敏感矩阵、敏感系数等方法分析了ET0对气温、日照时数、平均风速、平均相对湿度的敏感性。结果表明:(1)近50a来,东北地区的气温呈极显著上升趋势(P0.01),日照时数、平均风速、平均相对湿度呈极显著下降趋势(P0.01);东北地区生长季平均日ET0在以3.60mm.d-1为平均值、±0.3mm.d-1的范围内波动,总体上比较稳定,最大值出现在2001年(3.87mm.d-1),最小值出现在1990年(3.28mm.d-1);(2)当气温、日照时数、平均风速的变化量从-20%变化到20%时,ET0表现为逐渐增加的趋势,当平均相对湿度的变化量从-20%增加到20%时,ET0则逐渐减小;(3)气温、日照时数、平均风速、平均相对湿度的生长季平均日敏感系数均具有较强的空间分异特性,其中气温变化对ET0的影响最为明显,其次是平均相对湿度,日照时数、平均风速对ET0的影响较小。     

江苏地区不同参考作物蒸发蒸腾量估算模型

为了研究不同参考作物蒸发蒸腾量ET₀估算方法在江苏地区的适用性,收集了江苏省徐州市、高邮市和昆山市1957年1月至2019年12月的气象数据,采用12种不同模型估算了各站点的ET₀,其中模型Priestly-Taylor,Hansen,Jensen-Haise,Makkink是基于辐射数据的模型;MC-Cloud,1985 Hargreaves,Thornthwaite是基于温度数据的;Copais,Valiantzas 1和Valiantzas 2是综合法模型;XGBoost和SVM是机器学习模型.12种ET₀的估算模型计算值分别与Penman-Monteith模型(PM)计算值进行比较,结果表明:各站点的综合评价指数GPI最高的为机器学习模型中的SVM模型;在输入参数相同的情况下,机器学习模型模拟精度优于综合法和温度法以及辐射法中的Pristley-Taylor和Makkink模型;机器学习模型随着输入参数减少,模拟精度依次降低.研究结果可以为江苏地区气象数据不完善时估算ET₀提供科学依据.     

T-ET函数法作物需水规律和灌溉制度模型研究

以阿克苏苜蓿灌溉制度制定为例进行了研究,利用Penman-Monteith公式,通过建立作物生长天数与作物需水量的函数T-ET,构建了T-ET函数法作物灌溉制度模型。结果显示:采用32#喷嘴,射程20m,流量4.71 m3/h,有效控制面积315 m2,灌溉强度14.95 mm/h的喷灌设计,通过计算,该地区苜蓿年灌溉次数为25次,设计灌溉总量为750mm。结论表明通过灌溉制度模型可以快速地得到该地区苜蓿的需水规律和相应灌溉制度,该方法对于缺乏灌溉实验资料的区域及作物,简捷地制定出较合理的灌溉制度,具有较强的实用性。     

大理河流域参考作物蒸散量的时空分布特征及原因分析

基于Penman-Monteith公式计算了我国大理河流域3个气象站1963―2012年的ET0,对大理河流域ET0的时空变化进行了分析,并使用Mann-Kendall法对ET0变化趋势的显著性及突变点进行了探讨;最后,通过Peasron相关系数分析了导致流域ET0变化的主要气象因素。结果表明,1963―2012年大理河流域的ET0总体呈波动性递增,但变化趋势并不显著,突变点为1970、1975、1993年。大理河流域的气候在1963—2012年出现暖干化;ET0在年内分布不均,其最大值在6月,达到了173.8 mm;在流域空间上ET0分布基本呈现出自东北向西南递减的趋势;ET0与平均温度、平均日照时间、平均风速呈极显著正相关关系(α=0.01),与平均相对湿度呈极显著负相关关系。     

参考作物蒸发蒸腾量的多元线性回归模型研究

利用FAOPenman Monteith(1992)公式,根据新疆生产建设兵团农七师127团2004年7月至8月每日的气象资料,计算了逐日参考作物潜在腾发量,建立与实测的日平均气温(T)、日照时数(N1)、风速(W)、相对湿度(RH)的相关关系,Y=0.005+0.162×T-0.03×RH+0.607×W+0.077×N1,Y=-3.382+0.205×T+0.679×W+0.118×N1,Y=3.738+0.131×T-0.047×RH,Y=-1.258+0.218×T。利用这些相关关系进行参考作物潜在腾发量的估算,通过验证精度较高,方法简单。     

参考作物腾发量计算方法适用性分析

受地区间气象、地形和地貌时空异质性的影响,不同参考作物腾发量计算公式适用性各不相同。以湖南省83个站点1971~2000年气象观测资料为样本,论述了Penm an-Monte ith公式和FAO-Monte ith修正式主要方程、参数以及适用范围的差异性。结果表明:根据生育期作物需水特点,运用标准化的Penm an-Monte ith公式计算南方地区参照作物潜在腾发量是合适的。     

中国参考作物腾发量时空变化特性分析

分析参考作物腾发量的时空变化特征，有助于了解中国农业及生态需水的分布与演变规律。基于全国范围200多个气象站测站逐日气象观测资料，应用FAO-Penman-Monteith公式，计算得出各站历年逐日参照作物腾发量ET₀。利用GIS的空间分析功能，采用反距离空间插值方法得到全国参考腾发量的分布图，统计分析了不同分区不同时段ET₀的变化情况。结果表明：西北河西走廊地区和南方岭南地区的参考作物腾发量较大，最大值超过1500 mm。而东北黑龙江一带和四川盆地附近，参考作物腾发量较小，在600～700 mm之间。此外，夏季ET₀的分布特征决定了全年ET₀的分布特征。选取4个代表气象站，对其ET₀的历年变化及其与气象因素的关系进行了分析。分析表明，受风速减小和气温增加的共同影响，干旱地区、半干旱地区和半湿润地区的参考作物腾发量呈现减少趋势，湿润地区则相对稳定。     

基于日天气预报数据估算小麦生长季参考作物蒸散量

为了在气象要素类型不完整条件下采用Penman-Monteith方法估算小麦生长季蒸散量,运用2014/2015和2015/2016年度两个小麦生长季新乡历史日天气预报数据和对应日气象实测数据,以及修正后的太阳辐射参数和调节系数,首先验证天气预报气温值的准确性,并以预报气温为基础,估算实际水汽压和太阳辐射,最后利用天气预报气温和平均风速值,以Penman-Monteith公式为基础估算参考作物蒸散量。结果表明：日天气预报温度数据可以代替气温观测数据;用天气预报中的最高和最低气温估算的水汽压和太阳辐射能满足Penman-Monteith公式的要求;用天气预报数据估算的辐射项的精度高于空气动力项的精度。总体上,用天气预报数据估算的日参考作物蒸散量中辐射项的精度高于空气动力项,用天气预报估算值总体偏低,但低估范围在7%之内,经统计分析,用天气预报估算与利用Penman-Monteith估算的日参考作物蒸散量相关性较高（R2=0.77）。因此,采用日天气预报的气象资料估算参考作物蒸散量这一方法可行,建议在干旱半干旱地区采用辐射法估算参考作物蒸散量,这给农业灌溉预报提供了理论和方法上的保证,并对指导当地农业水资源的优化配置具有参考意义。     

六种冠层阻力模型在冬小麦蒸散估算中的应用

蒸散量是农田水循环中水分损失的主要途径,其准确估算对节水灌溉具有重要意义。单源的Penman-Monteith （P-M）模型是最常用的蒸散量估算方法,但模型中冠层阻力的合理参数化一直是研究中的难点。该研究选取常用6种冠层阻力模型,使用北京顺义2 a（2020年和2021年）的波文比实测结果,分析不同模型进行冬小麦冠层阻力及蒸散估算的可行性。结果表明：1）无参数校正条件下,6种模型均低估了冬小麦冠层阻力,同时高估了蒸散量。其中,Todorovic模型（TD）的普适性最好,其模拟的冠层阻力、蒸散量与实测值的R2都在0.605及以上;耦合的冠层阻力模型（CO模型）普适性最差,冠层阻力、蒸散量与实测值的R2分别为0.113、0.046;2）进一步使用2021年的试验数据进行模型参数校正、2020年的数据进行验证,发现校正后的JA、CO、GA、KP及FAO56-PM模型计算的冠层阻力和蒸散量与实测值的一致性大幅提高。除JA模型低估冠层阻力外,其余均高估冠层阻力、低估蒸散量。其中KP模型模拟的冠层阻力和蒸散量效果最好,R2均在0.907及以上,而其余5种模型估算精度也较好。6种模型的估算精度排序为KP、GA、TD、FAO56-PM、CO、JA。综上,所评价的模型校正后均可作为P-M模型的冠层阻力输入来估算冬小麦蒸散量,但TD 模型不需要参数校正,在数据不足时可作为首选;而KP模型参数较少,校正后拟合精度最高,在数据充足时可作为首选。研究结果对华北地区使用P-M一步法计算冬小麦蒸散量具有重要价值。