关中地区参考作物蒸发蒸腾量时空变化特征及主要因子分析

【目的】充分认识关中地区参考作物蒸发蒸腾量(ET₀)时空变化特征及其主要影响因子。【方法】使用1980—2019年关中地区43个气象观测站逐日气象资料,结合Penman-Monteith(P-M)模型、反距离权重、逐步回归分析和通径分析等方法,研究1980—2019年关中地区ET₀时空变化特征及其主要影响因子。【结果】最高气温(T_max)、最低气温(T_min)、平均气温(T)呈升温趋势,上升幅度处于1.68～2.85℃之间;相对湿度(RH)呈下降趋势;日照时数(SSD)整体变化较小;平均风速(WS)则呈减小趋势;气象因子空间分布因海拔、地形不同而表现出差异性;关中地区多年平均ET₀为959 mm,整体呈增加趋势,增加速率为1.43 mm/a;ET₀空间分布差异较大,多年平均ET₀处于852～1 099 mm之间,由东北向西南递减,关中地区ET₀季节性差异明显;影响关中地区ET₀的气象因子排序...     

中国西北地区近50a气象因子时空变化特征与成因分析

为深入分析中国西北地区近50 a气象因子演变特征与驱动因素,选取西北地区69个站点1966-2016年逐日气象资料,使用Mann-Kendall检验、Morlet小波分析、GIS空间插值及相关性分析方法,定量分析了气象因子的时空变化规律及相互关系。结果表明:近50 a来西北地区风速、辐射、相对湿度均呈下降趋势,降幅分别为0.105 m/(s·10 a)、0.054 MJ/(m2·d·10 a)和0.378%/(10 a),降水及气温均呈上升趋势,增幅分别为4.9 mm/(10 a)、0.427℃/(10 a);各气象因子近50 a来呈"增大-减小"的周期振荡变化,变化主周期均为28 a,且风速、辐射、相对湿度、降水、气温均存在局部突变;各气象因子的空间分布存在区域差异,风速呈不连续的东部大西部小分布趋势,辐射呈中部大东西部较小分布趋势,降水呈由东南向西北递减趋势,气温呈由青海省向外扩增趋势;各气象因子之间存在较强相关性且相互响应关系复杂,其中辐射与风速、降水和气温均呈极显著正相关(P0.01),相对湿度与风速呈极显著负相关(P0.01)。     

考虑“蒸发悖论”的洱海灌区逐日参考作物蒸散发预测

【目的】为估算参考作物蒸散发(ET₀)和灌溉实时预报调度、区域农业干旱评估提供依据。【方法】以滇中高原上洱海湖滨灌区的大理气象站为例,探究“蒸发悖论”现象出现的时期,采用气象因子线性回归模型、蒸发皿折算系数K_p模型、气象因子+蒸发皿蒸发(E_pan)多元回归模型、Normal Copula模型等4种方法计算逐日ET₀进行预测对比,并与Penman-Monteith公式计算所得的ET₀进行对比。【结果】①1954—2018年大理站20 cm蒸发皿蒸发量呈下降趋势,ET₀和气温呈上升趋势,但ET₀的上升趋势更平缓;虽然在长时间序列上ET₀和蒸发皿蒸发量有相反的变化趋势,但在年代际存在显著的差异性,1960年和2000全年以及四季均出现“蒸发悖论”,1970年则是全年以及夏、秋、冬三季出现“蒸发悖论”,1990年仅夏季出现“蒸发悖论”,2010年秋季出现“蒸发悖论”。②在未出现“蒸发悖论”时期,加入E_pan后的气象因子多元回归模型法(ET_0,Epan+Metr)所得逐日ET₀预测结果与标准值的误差最小,其次为单纯的气象因子多元线性回归模型法(ET₀,Metr),最差为K_p模型法(ET₀,K_p);加入E_pan后的气象因子多元回归模型(ET₀,ET_0,Epan+Metr)逐日ET₀预测的相对误差(ERR)小于15%、20%、25%的样本数达到了79.18%~90.16%、89.32%~97.23%、94.79%~98.36%。③出现“蒸发悖论”时,蒸发皿蒸发与ET₀的变化趋势相反,只能采用Copula联合分布函数模型预测,构建T-T_max二维Normal Copula模型的精度更高,ERR小于15%、20%、25%的样本数为73.70%~86.56%,82.51%~92.95%,89.89%~98.52%。【结论】通过M-K检验判别是否处于“蒸发悖论”期,以决策选用加入E_pan后的气象因子多元回归模型,还是T-T_max二维Normal Copula模型,二者均可显著提高逐日ET₀预测模拟的精度。     

三江平原ET0时空特征及其未来情景下预测研究

参考作物蒸发量(Reference crop evapotranspiration, ET₀)的预测对作物需水量计算与田间水分管理具有重大意义,可为农业节水和水资源高效利用提供重要的科学依据。基于三江平原6个气象站1961—2010年逐日气象资料,采用Penman-Monteith(P-M)公式计算ET₀,对历史期(1961—2010年)ET₀及相关气象要素的时空特征进行分析;依据美国国家环境预报中心再分析数据以及大气环流模型(GCM)中加拿大CanESM2模式的预报因子日序列的输出数据,采用统计降尺度模型(SDSM)对未来RCP4.5和RCP8.5两种排放情景下的ET₀进行预测。结果表明：历史期ET₀呈上升趋势,多年年平均气温与ET₀趋势相同,而年平均风速、相对湿度和净辐射整体呈下降趋势,空间分布上多年年平均ET₀总体表现为中部高于周边、西部高于东部的趋势;模拟精度检验方面,基于CanESM2模式下historical情景模拟的ET...     

MARS模型在渭河流域参考作物蒸散量计算中的适应性研究

为有效提高气象资料缺失时渭河流域参考作物蒸散量(ET₀)计算精度,选取流域及附近20个气象站58 a (1960-2017年)逐日气象资料,基于不同气象要素组合,构建16种基于多元自适应回归样条(MARS)的ET₀计算模型,并将计算结果与Hargreaves-Samani、Makkink和Irmark-Allen模型进行对比,评价MARS模型在渭河流域的适应性及可移植性。结果表明：MARS模型能很好地甄别ET₀与各输入因子间的非线性关系,MARS2 (T_max、T_min、R_a)计算精度(平均MAE为0.225 mm/d,平均RMSE为0.327 mm/d,平均R²为0.897)能满足应用要求,模型精度随输入气象要素数量的增加而升高;输入因子中引入地球外辐射R_a,可明显提高MARS模型精度;在输入因子相同时,MARS模型精度高于Hargreaves-Samani、Irmark-Allen和Makkink模型;MAR...     

豫西地区一次大气污染过程对参考作物腾发量的影响——以洛阳市为例

综合分析了2016年6月15日20时-6月20日8时豫西地区一次大气污染过程中，洛阳市各气象要素及参考作物腾发量ET₀受气溶胶影响的变化，使用WRF-Chem双向反馈试验量化，并通过气象观测数据验证模拟结果精度，从而进一步分析了气溶胶对ET₀的影响及其机理。研究结果表明：在这次大气污染过程中，洛阳市区的PM_2.5浓度整体偏高，峰值多出现早晨与傍晚时分，洛阳市东北地区PM_2.5浓度整体高于西南地区；气溶胶存在使洛阳市各气象要素发生了变化，进而导致了ET₀的变化，各站点ΔET₀在-0.23～0.33 mm/d之间；受气溶胶的影响，ET_0-d变化幅度在-0.26～0.04 mm/d，较ET_0-n的变化程度(-0.08～0.02 mm/d)更大；各站点空气动力项ET_0-A的变化程度要大于辐射项ET_0-R，这也主导了洛阳市各地区ET₀的变化。     

基于ELM的西北旱区参考作物蒸散量预报模型

为实现气象资料缺失情况下ET₀的精确预报,选取中国西北旱区4个代表性站点的气象资料,建立15种基于极限学习机(ELM)的ET₀预报模型,并通过与其他ET₀计算模型对比和可移植性分析探究ELM在西北旱区的适用性.结果表明:基于温度和风速的ELM₇预报精度较高(整体评价指标GPI排名第4);基于温度和辐射的ELM₅预报精度(GPI排名第6)明显高于Iramk模型和Jensen-Haise模型;仅基于温度的ELM₉预报精度(GPI排名第8)高于Hargreaves-Samani模型.通过模型可移植性分析发现,ELM₇在西北旱区内各训练站点和预测站点组合下预报精度良好.因此,可将ELM₅(输入温度和辐射)、ELM₇(输入温度和风速)和ELM₉(输入温度)作为西北旱区较少气象参数输入情况下精确预报ET₀的推荐模型.     

中国西南五省参考作物蒸散量时空变化分析

为深入了解中国西南5省ET0演变规律,利用1954—2013年广西、重庆、云南、贵州、四川5个省市119个站点逐日地面气象资料,采用FAO-56推荐的Penman-Monteith公式计算各站点逐日ET0,并使用Mann-Kendall检验、Morlet小波分析和GIS反距离加权插值定量分析ET0时空变化特征。结果表明,1954—2013年西南5省ET0多年平均值为855 mm,波动范围为819~901 mm,年均ET0总体呈下降趋势(倾向率为-1.5 mm/10 a),在春、夏、秋、冬季也均呈下降趋势(倾向率分别为-0.4、-0.7、-0.3、-0.1 mm/10a),分别占全年的26.7%、46.7%、20%、6.6%;西南5省ET0多年平均值分别以26 a、12 a、5 a为第1、第2、第3周期进行“增大-减小”交替变化;1954—2013年,西南5省年均ET0空间分布总体表现为南部大于北部,云贵高原西部和广西地区明显大于四川盆地和云贵高原东部,四川盆地相对最小,川西高原南部和云贵高原东部地区相对最大;西南5省ET0在春、夏、秋、冬季空间分布较高值区分别为云贵高原西部、四川盆地和云贵高原东部、广西地区、云贵高原西部,较低值区分别为四川盆地、云贵高原西部、四川盆地和川西高原东北部、四川盆地和广西地区。     

川中丘陵区近60 a主要气象因子变化趋势研究

为深入了解川中丘陵区近60 a气候变化规律,基于川中丘陵区13个站点1954—2013年逐日气象资料,使用Mann-Kendall检验、Morlet小波分析和相关性分析,定量研究了气象因子的变化趋势及变化周期。结果表明,近60 a来川中丘陵区辐射、降水、风速及相对湿度均呈整体下降趋势(降幅分别为0.242 3 MJ/(m~2·d·10 a)、0.050 0 mm/10 a、0.025 7 m/(s·10 a)和0.137 2%/10 a),温度呈上升趋势(增幅为0.031 6℃/10 a);气温、辐射、降水、风速及相对湿度等气象因子60 a来均呈现"增大-减小"的周期性变化规律,变化主周期分别为6、12、13、21、24 a,且其局部突变分别发生在1964年和1996年、1986年、1957—1985年、1958—1963年和2008年;各气象因子相关性较为明显且交互影响关系复杂,其中风速与辐射显著正相关(P0.05),与湿度极显著负相关(P0.01),而辐射与气温极显著正相关(P0.01),与湿度显著负相关(P0.05)。     

改进Hargreaves-Samani模型预测广西盆地参考作物蒸散量

准确估算参考作物蒸散量(ET₀)对于区域水资源管理和灌溉决策有着重要意义.Hargreaves-Samani模型(HS)是目前公认结构最简单且精度较高的ET₀估算模型.为了进一步提高HS模型预测精度,采用蜂群理论和广西盆地20个气象站(1961—2019年)数据对HS模型全局校准,使用1961—2000年数据对HS模型进行校准,2001—2019年数据在日、月、年尺度上验证.结果表明：全局优化后的经验参数C,m和a中,参数a随地形起伏差异较大,而参数C和m差异较小;校准后HS模型(平均MAE和R²分别为1.06 mm/d和0.86)优于原始HS模型(MAE和R²分别为2.20 mm/d和0.68);在日、月和年时间尺度上,校准HS模型和原始HS模型都高估了ET₀,但校准的HS模型与P-M模型计算的ET₀更为接近.因此,对仅有温度数据的地区,推荐采用校准的HS模型估算ET₀.     

4种人工智能模型在江西省参考作物蒸散量计算中的适用性

为了实现气象资料缺失下参考作物蒸散量ET₀的高精度预测,以江西南昌、吉安及龙南站1966-2015年每日最高气温T_max、最低气温T_min、日照时数n、相对湿度RH和2 m高风速u₂作为输入参数,以FAO-56 Penman-Monteith(P-M)公式的计算结果作为对照,建立了6种不同气象要素组合条件下的4种ET₀计算模型,并分别与输入相同数据的经验法计算结果进行了比较.结果表明,在3个站点中,多元自适应回归样条法MARS模型的精度最高,且计算简便,可作为江西省蒸散量模拟的推荐方法.当4种模型的输入数据完整时,模拟精度均达到最高,表明4种模型均可适用于对参考作物蒸散量的模拟;输入数据缺失条件下,各气象要素对智能模型模拟ET₀的影响由大到小按参数排序依次为T_max,T_min,n,RH,u₂.与传统经验公式相比,4种智能模型的ET₀计算结果精度均优于输入相同数据的经验法.     

New empirical formula for hourly estimations of reference evapotranspiration

A new empirical equation for estimating hourly reference evapotranspiration ET₀ is proposed. This equation requires data for three pertinent meteorological attributes, solar radiation R_s, air temperature T, and relative humidity RH. A routine surface polynomial regression analysis in three stages, is employed in order to estimate the factors c_i entering the empirical model ET₀=f(R_s, RH, T; c_i). For the calibration of the proposed model, data sets collected from Copais (Greece) were used. Verification of the validity of the model was obtained using independent data from Copais as well as data from CIMIS (Davis, Sacramento, CA). A comparative evaluation of the model was performed against some of the most widely used and strongly recommended models for estimating hourly ET₀. Among them are the recently proposed Penman–Monteith (FAO56-Penman–Monteith), CIMIS version of Penman (CIMIS-Penman), and the American Society of Civil Engineers version of Penman–Monteith (ASCE-PM). Statistics and scatterplots, using ASCE-PM as the standard model indicate that the new empirical equation (Copais) operates quite satisfactorily for both regions, therefore may provide the premises to become a tool, for routine hourly reference evapotranspiration calculations.     

基于NARX模型的参考作物蒸散发预测

为了实现气象资料缺失情况下参考作物蒸散量(ET0)精确计算和预测,以攀枝花站点为例,构建非线性自回归滤波器(NARX)模型预测ET0.以Penman-Monteith模型计算的ET0作为预测标准,将日最高温、日最低温、日照时数、风速和相对湿度作为模型的输入参数,建立11种不同气象因子组合的NARX模型,并与Hargre...     

基于改进Makkink模型的四川盆地参考作物蒸散量估算

为了有效提高四川盆地参考作物蒸散量ET₀的预报精度,选取四川盆地16个代表性气象站点1961-2019年逐日气象数据,基于差分进化算法(DE)对辐射模型的经验参数校准改进Makkink模型并估算四川盆地ET₀,在日、月尺度上对改进的Makkink模型(M1-M6)和Jennsen-Haise(JH)及Irmak(IK)模型评价.结果表明:在日尺度上,改进的Makkink(M1-M6)模型(R²为0.77~0.87)模拟结果比JH和IK模型(R²为0.74~0.76)更精确,改进的Makkink模型中,M4模型估算精度最高,综合性指标GPI中位数为1.05;在月尺度上,改进的Makkink模型模拟结果(误差为3.59~15.71 mm/月)也优于JH和IK模型(误差为6.84~25.31 mm/月),其中M4模型估算精度最佳,综合性指标GPI为1.72.总体而言,推荐以温度和相对湿度作为输入数据的M4模型模拟四川盆地ET₀.     

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.     

基于公共天气预报的广东青年运河灌区参考作物腾发量预报方法比较

为提出高精度适合广东青年运河灌区参考作物腾发量(ET₀)预报方法,制定精准的灌溉预报,降低农业用水量,本研究以灌区内的湛江站为研究对象,收集了该站点2003-01-01-2017-05-31逐日气象观测数据和2016-01-01-2017-05-31日的预见期为7 d的逐日公共天气预报数据,采用FAO-56 Penman-Monteith计算值作为基准,比较Hargreaves-Samani(HS)法、简化Penman-Monteith(PT)、逐日均值修正法的预报效果.结果表明:以上3种方法1~7 d预见期平均绝对误差平均值分别为0.908 3,0.903 1,0.947 9 mm/d,平均绝对误差分别为1.099 1,1.099 9,1.192 4 mm/d,相关系数分别为0.649 5,0.649 8,0.615 9,PT法的平均绝对误差以及相关系数均最好.就每个预见期而言,1~5 d预见期的最优预报方法均为PT法,6~7 d为HS法.因此,建议采用PT法进行青年运河灌区的ET₀预报.     

通辽玉米滴灌灌溉制度

为更加合理制定玉米滴灌灌溉制度,以我国“节水增粮行动”为背景, 于2016年在内蒙古通辽开展玉米滴灌灌溉制度试验研究.根据试验区34 a的降雨资料进行降雨频率分析,选取不同水文年型的代表年,结合玉米滴灌试验得到实际耗水规律,对比6种灌溉处理在各生育阶段的变化情况,测定了株高、叶面积指数、玉米产量等指标.结果表明:中水处理作物性状及产量较高,且水分利用效率最高,为最佳灌水处理;以中水处理作为滴灌灌溉制度的参考依据,通过气象数据计算参考蒸发蒸腾量ET₀.利用实际耗水量获取各生育阶段作物系数,结合代表年型的ET₀计算需水量.根据降雨量,得到不同水文年型滴灌灌溉制度:枯水年覆膜滴灌灌溉定额1 575 m³/hm²,无膜滴灌灌溉定额1 785 m³/hm²;平水年覆膜滴灌灌溉定额1 125 m³/hm²,无膜滴灌灌溉定额1 425 m³/hm²;丰水年覆膜滴灌灌溉定额600 m³/hm²,无膜滴灌灌溉定额900 m³/hm².