三江平原典型下垫面FAO Penman-Monteith模型适用性分析

提高蒸散量估算精度对于研究地表能量和水分平衡具有重要意义.基于涡度相关系统测量值和小气候观测资料,比较分析了FAO Penman-Monteith模型对三江平原典型下垫面沼泽湿地、水稻和大豆田蒸散量的模拟效果,以探讨模型在该区的适用性.结果表明:作物系数采用FAO推荐值时,FAO Penman-Monteith模型对沼泽湿地蒸散量的模拟值明显高于测量值,平均高估81.8%,模拟效率(ME)为负值,说明该模型不适用于沼泽湿地;该模型能够模拟水稻和大豆田蒸散量季节变化,且对稻田的模拟效果明显优于大豆田.沼泽湿地、水稻和大豆田3种类型下垫面的作物系数(Kc)值与叶面积指数(LAI)均呈极显著正相关关系,大豆田的Kc值还与饱和水汽压差(VPD)呈极显著负相关关系.依据线性回归方程校正Kc值后,FAO Penman-Monteith模型对沼泽湿地、水稻和大豆田估算精度均显著提高,平均偏差(MBE)为-0.1~0.3 mm·d-1,均方根误差(RMSE)为0.50~0.67 mm·d-1,ME为0.69~0.85,对水稻田蒸散量的模拟效果最好.无论是否校正作物系数,FAO Penman-Monteith模型都适用于模拟三江平原稻田蒸散量,如果用于模拟沼泽湿地和大豆田蒸散量,则必须要校正作物系数.     

森林、草地和农田典型植被蒸散量的差异

利用中国生态系统研究网络(CERN)12个试验站1990—2003年的气象资料,基于大气-土壤-植被传输(SVAT)模型模拟植被的蒸散量,分析了不同气候条件下森林、草地、农田3种植被类型蒸散的变化规律.结果表明:多年平均蒸散量从高到低依次为热带森林、亚热带农田、温带森林、温带农田和草地;对农田生态系统而言,水稻的蒸散量最高,其次为小麦,玉米最低;3种生态系统月蒸散量峰值的年际变化差异显著,森林、草地的月蒸散量峰值年际变化较稳定,农田则较明显.     

间歇灌溉对北方水稻生理生态需水的影响

通过田间试验研究了间歇灌溉(IT)条件下北方水稻生理生态需水变化特性．试验于2002年在中国科学院沈阳生态实验站水田试验区进行．分别采用非称重式蒸渗仪和小型蒸渗仪对间歇灌溉和淹灌(CSF)条件下的稻田蒸散量和棵间蒸发量进行了测定．结果表明。间歇灌溉条件下的水稻蒸腾量与淹灌相比没有达到显著差异,而稻田棵间蒸发量和渗漏量则分别减少了16％和24％。水分利用效率提高了10％,在显著减少用水量的情况下并未对水稻产量造成不良影响．针对本地区土质而言,与淹灌相比,尽管间歇灌溉可以有效地减少稻田用水量,但仍有近60％的稻田用水通过渗漏损失掉．为此,本文提出着眼于提高稻田水分利用效率、降低渗漏量和土壤水蒸发量的相应对策．     

西南地区水稻灌溉需水量变化规律

研究作物需水变化规律是制订灌溉计划和水资源规划的重要依据。本文基于西南地区38个气象站点1951—2012年逐日气象观测资料,根据FAO推荐的Penman-Monteith公式计算水稻需水量,并分析了参考作物蒸散量分布及变化趋势、水稻生育期各阶段需水量变异性及灌溉需求指数分布。结果表明:近62年来西南地区参考作物蒸散量随时间变化不明显且随纬度增加而减少,各站点多年平均水稻生育期内参考作物蒸散量占到全年参考作物蒸散量的47.6%;对水稻生育期需水量分析发现,分蘖和抽穗阶段为水稻生长需水关键期,各阶段需水变化均为中等变异;西南地区水稻多年平均需水量、灌溉需水量和灌溉需求指数分别为304.5 mm、76.9 mm和0.24,需求指数分布自西向东呈逐渐增大,但均低于0.5,整体对灌溉依赖程度较低。     

低丘红壤区稻田实际蒸散特征及其气象影响因素

本研究分析了低丘红壤地区晚稻全生育期田间气象观测数据,阐明了水稻各生育期实际蒸散量特征及规律,采用通径分析方法与Beven敏感性公式对比研究了气象因子对实际蒸散的影响。结果表明:全生育期蒸散实测值为290.6 mm,其中移栽-分蘖期实测蒸散量最大,为96.9 mm,占全生育期蒸散量的33.3%;逐日蒸散整体呈现先增加后逐渐减小的趋势,高峰期出现在水稻分蘖中后期;一天中稻田蒸散逐时动态变化总体遵循"早晚低、中午高"的倒"U"单峰型变化规律,天气条件和生长期不同时也会产生一定的差异;通径分析与敏感性分析表明,净辐射、相对湿度等气象因子具有较高的总贡献系数和敏感性系数,是影响该区稻田蒸散的主要气象因素;其次为最高气温、最低气温、平均温度3个温度因子,而风速对蒸散的影响作用较小;蒸散量变化与气象因子间的关系存在时间尺度差异,相比于逐时尺度,逐日尺度上各气象因子对实际蒸散量的影响效果更为明显。     

基于实际蒸散构建的干旱指数在黄淮海地区的适用性

基于NOAH陆面模式模拟的实际蒸散产品,分析了2002—2010年黄淮海地区实际蒸散的时空分布特征.同时,结合MOD17潜在蒸散数据和MOD13 NDVI构建了2002—2010年的农业干旱指数——干旱敏感性指数(DSI),并以2002年1—12月为例,利用帕默尔干旱指数(PDSI)、冬小麦减产率以及实际旱情资料,分析了DSI在该地区干旱监测的适用性.结果表明: 黄淮海地区年均实际蒸散从西北向东南递增,最高值出现在研究区域东南部(800~900 mm),最低值出现在西北部(<300 mm);DSI、PDSI两种干旱指数的年际变化呈正相关(R²=0.61)和变化趋势的一致性,均在2002年达到最低(-0.61和-1.33),2003年最高(0.81和0.92),DSI与冬小麦减产率的相关性(R²=0.43)明显优于PDSI(R²=0.06),且表征干旱的空间分辨率较高,对区域农业干旱程度的判断和旱情的指示比较可靠.     

河南省冬小麦农田蒸散和作物系数

农田蒸散是农田水分消耗的主要方式,是农田管理和规划必须考虑的重要因素之一。本试验在郑州农业气象试验站开展,用Penman-Monteith公式计算了2017和2018年两年冬小麦越冬期-成熟期的参考作物蒸散量,利用大型称重式蒸渗仪观测了充分灌水(T2)和自然降水(T1)两种状况下冬小麦农田的实际蒸散量,进而计算充分灌溉下冬小麦的作物系数和自然降水条件下的冬小麦实际作物系数,并分析它们的变化规律及其与气象要素的相关关系。结果表明:不同水分条件下冬小麦农田蒸散量均呈现先升高后降低的单峰变化趋势,其中T2处理的蒸散量和波动幅度明显高于T1处理;冬小麦试验观测时期内,T2、T1处理两年总蒸散量均值分别为535.8和256.4 mm,日均蒸散量分别为3.7和1.7 mm;不同发育期日均蒸散量均是孕穗、抽穗期最高,越冬期最低;冬小麦作物系数明显高于自然降水条件下的实际作物系数,总体上均呈现降低-升高-降低的变化趋势; T1处理实际作物系数与空气湿度相关性最好,与平均气温相关性最差; T2处理作物系数与平均气温、总辐射和风速均有较好相关性,而与空气湿度相关性较差。     

华北平原参考作物蒸散量变化特征及气候影响因素

参考作物蒸散量是估算作物需水量的关键因子,对指导农田灌溉是有十分重要的现实意义。在气候变化的背景下,利用Penman-Monteith方法,计算华北平原典型站点1961 2007年逐日参考作物蒸散量,并从能量平衡和动力学角度对其分解,分析年际变化和季节变化特征;结合数理统计方法,研究影响参考作物蒸散量及其构成项变化的主次气候因子,为该区农田水分管理提供更有效的科学指导。研究结果表明:在华北平原全区温度显著上升、日照时数,相对湿度,平均风速呈显著下降的背景下,绝大部分站点参考作物蒸散量及构成项呈显著下降趋势。夏季的参考作物蒸散量和辐射项值相对最高,冬季值最低;春季的空气动力学项值相对比例最高。辐射项与空气动力学项年际间呈负相关关系,春夏两季之间呈不显著正相关趋势,秋冬两季呈不显著负相关趋势。辐射项的变化主要受日照时数、风速及温度的影响,其中风速的贡献是负效应;空气动力学项的变化主要受风速、相对湿度及平均温度的影响,相对湿度的贡献是负效应。参考作物蒸散量的变化主要受日照时数、相对湿度、温度日较差和风速的综合影响。此外,降水与其呈显著负相关关系,下降幅度略高于参考作物蒸散量的变化幅度。     

奈曼地区灌溉麦田蒸散量及作物系数的确定

利用大型蒸渗仪测定了奈曼地区春小麦(Triticum aestivum L.)全生育期的蒸散量,并引用FAO Penman-Monteith等5种方法计算了相应时期的参考作物蒸散量,比较了FAO Penman-Monteith公式与其它4种方法间的关系,最后运用作物蒸散量和参考作物蒸散量计算了春小麦的作物系数．结果表明,春小麦苗期每周日平均蒸散量小于3mm·d^-1,随着叶面积系数增大,日平均蒸散量达到最大值6．49mm·d^-1(抽穗开花期),最终下降至1．94mm·d^-1(灌浆成熟期);根据试验年份的降雨分布情况,该地区的自然降水不能满足春小麦对水分需求,小麦苗期、拔节期和抽穗开花期水分亏缺比较严重,是田间水分管理的关键时期;与FAO Penman-Monteith公式的计算结果相比较,用Penman公式和FAO-24 Blaney-Criddle公式估算奈曼地区参考作物蒸散量误差较小;奈曼地区春小麦苗期、营养期、生殖期、成熟期4个生长阶段的作物系数分别为0．45、0．90、1．1l和0．52,其中成熟期的作物系数值与FAO-24给出的小麦作物系数值差异较大．     

黄河三角洲湿地蒸散量与典型植被的生态需水量

蒸散量（ET）是黄河三角洲湿地水资源的主要消耗项,包括植被蒸腾、水面蒸发以及裸土蒸发等。植被生态需水是为了保证植被生态系统能够健康维持并确保其生态服务功能得到正常发挥而必须消耗的一部分水量。准确地估算湿地蒸散量、研究植被生态需水量对于保护湿地生态环境是十分必要的。应用MODIS的地表反射率、地表温度数据与常规气象数据以及土地利用/覆盖图,利用蒸散量的遥感估算模型SEBS模型估算了晴天条件下的黄河三角洲湿地日蒸散量,采用HANTS算法插补了非晴天条件下的日蒸散量,从而得到2001～2005年的该湿地年蒸散量的时间序列,并对蒸散量进行验证和分析。结合该地区典型植被生态需水量与植被蒸散耗水量,估算了2001～2005年的生态补水量。结果表明：与实测值相比,遥感估算月蒸散量的均方差RMSD为16.4mm,平均绝对百分比误差MAPD是11.9%,两者基本一致。黄河三角洲湿地的蒸散量在空间分布上以水体及周围地区、滨海滩涂、黄河故道以及黄河两岸沼泽湿地等的蒸散量较高,居民地蒸散量较低。蒸散量的年际变化不大,季节变化呈单峰型,以5、6、7月份蒸散量最大,月蒸散量在110～120mm之间。2001～2005年期间,每年至少有40%面积的芦苇沼泽和60%面积的芦苇草甸水分供应不足,植被的正常生长受到影响,尤其2002年较为严重,2004年以后情况有所改善。2002年芦苇的生态补水量最大,在9.9&#215;10^7～3.19&#215;108m^3之间,而2004年的生态补水量最小,在3.0&#215;10^7～2.39&#215;108m^3之间。     

960-2011年西北五省潜在蒸散的时空变化

基于Penman-Monteith模型和Hurst指数模型,分析了我国西北五省1960-2011年潜在蒸散(ET₀)的时空演变特征及其未来趋势,并采用敏感性分析方法定量分析了驱动ET₀变化的主导因素.结果表明:研究期间,西北五省ET₀整体呈下降趋势,降速为-0.72 mm·a^-1,但1993年之后,ET₀逐渐增加;ET₀空间分布存在显著差异,西北五省ET₀平均值为1158 mm 675~2282 mm),最大值出现在新疆的七角井（2282 mm）,低值区主要分布在陕南秦巴山地（<800 mm）.除春季外,其余季节ET₀均呈下降趋势,且在未来趋势分析中,西北五省81.4%的区域ET₀由减少转为增加,在全球变暖背景下,该区暖湿化程度将有所减弱,而新疆中部的ET₀将持续减少.西北五省全年及各季节影响ET₀变化的主导因素主要为风速,但风速在不同季节、不同区域的影响范围有所差异,冬季风速影响范围覆盖整个西北五省,夏季则影响整个新疆及甘肃和青海的西北部.     

三江平原典型沼泽湿地蒸散发估测

2006年5—9月,利用涡度相关技术对三江平原典型沼泽湿地蒸散发进行了连续观测,在分析生长季内沼泽湿地蒸散发时间动态的基础上,采用Penman-Monteith（PM）和Priestley-Taylor（PT）模型分别模拟了沼泽湿地的日蒸散发,并利用实测值对两种模型的模拟精度进行了验证.结果表明：生长季内（5—9月）,研究区沼泽湿地蒸散发具有明显的季节变化,月均日蒸散量在5月最低、7月最高;生长季内平均蒸散发为1.94 mm·d^-1,总蒸散量293 mm.生长季前期和后期,与蒸散发实测值相比,PM模型的模拟值存在明显低估现象;PT模型模拟值与实测值在整个生长季内的一致性较好,且PT模型的形式简单、所需参数少,更适于沼泽湿地的蒸散发模拟.     

Changes of China agricultural climate resources under the background of climate change. VII. Change characteristics of agricultural climate resources in arid and semi-arid region of Tibet Plateau

Based on the 1961-2007 ground observation data from 55 meteorological stations in arid and semi-arid region of Tibetan Plateau, and by using 5-day moving average method and ArcGIS-IDW module, this paper analyzed the spatiotemporal change characteristics and climatic trend rates of agricultural climate resources in the region in 1961-1980 (period I) and 1981-2007 (period II). In 1961-2007, the sunshine duration during the growth season of chimonophilous crops in the study region changed less, while that during the growth season of thermophilic crops increased but with little spatial change. Comparing with those in period I, the average value of accumulated temperature in period II showed an increasing trend, and the area with > or = 1500 degrees C x d during the growth season of thermophilic crops increased by 33.9%. The precipitation decreased gradually from southeast to northwest. During the growth season of chimonophilous crops, the precipitation in the southeast in the two periods reached 800 mm, but the climatic trend in other areas was positive or negative, and the change rate was small. The area with precipitation > or = 400 mm during the growth season of thermophilic crops in period II expanded by 40%, as compared in period I. The reference crop evapotranspiration (ET0) generally increased slightly, and shared the similar spatial distribution pattern with sunshine duration and accumulated temperature. During the growth season of thermophilic crops, the area with ET0 > or = 400 mm in period II expanded by 35.7%, compared with that in period I. In the study period, the heat and precipitation resources during crop growth seasons in Tibet Plateau increased in a certain degree, which was very beneficial to the agriculture-stock production. However, the increase of reference crop evapotranspitation indicated the increase of potential evaporation. Thereby, the researches about the possible effects of climate change on agriculture-stock production should be further strengthened.     

Application of a multi-cylinder evapotranspirometer method for evapotranspiration measurements in wetlands

This paper introduces a multi-cylinder evapotranspirometer method, which can directly measure evapotranspiration (ET) from emergent plants in different species and states as well as simultaneously measure evaporation (E_W) from an open water surface. Values of daily ET from three contrasting reed (Phragmites australis) stands, with different leaf area indexes (LAI), were obtained through in situ measurements of the Baiyangdian wetland using this method during the growing seasons in 2008 and 2009. The results showed that the ET rate of the reed belt was very high, even exceeding 20 mm d⁻¹ under extreme weather conditions. Depending on the LAI change, the annual ET from the different reed canopies ranged from 970 to 2035 mm, whereas the ET/E_W ratios ranged from 2.05 to 3.98. Accuracy analysis results showed that the errors of the measurement from this method were no more than 2 mm. The relative errors of the measurement were correspondingly from 0.04% to 0.33%. It is indicated that the accuracy of our measurement is good enough for the requirements of the ET measurement.     

华北平原冬小麦农田蒸散量

以华北平原冬小麦农田为研究对象,采用涡度相关技术和热红外遥感技术,研究了不同环境条件下土壤含水量与农田蒸散量及作物冠层温度的关系.结果表明,冬小麦在农田郁闭(LAI≥3)、晴天和土壤相对含水量低于田间持水量65%的情况下,蒸发比值日变化正午前后出现相对较低且平稳的变化趋势.在晴天情况下,农田潜热通量与作物冠层温度日变化和季节变化均呈极显著的非线性相关关系,而冠气温差、农田相对蒸散量则与0～100 cm土层的土壤相对含水量密切相关.以13:30～14:00的平均冠层温度值T_c、日最高气温T_{a max}和日净辐射总量Rn_d为统计数据,确立了冬小麦农田日蒸散量ET_d （mm）估算简化模式参数.     

1965-2018年广西西江流域参考作物蒸散量时空演变及其影响因子

估算参考作物蒸散量(ET0)有助于揭示流域的水热平衡和水循环过程,为合理利用与开发流域水资源提供基础。本研究通过重新拟合研究区的净短波辐射系数,使用改进后的Penman-Monteith模型,计算1965-2018年广西西江流域的ET0,使用Mann-Kendall法对ET0进行趋势分析与突变点检测,用反距离权重法插值后分析ET0时空演变特征,根据气候因子的贡献率判断ET0的影响因子。结果表明:在空间上,ET0呈现随海拔降低而增加的趋势,其高值主要位于流域中部地区,而低值位于西北侧的云贵高原边缘及斜坡带,春季ET0呈现出经度梯度性,夏季ET0与年际的空间格局类似;在时间上,流域年均ET0为637.2mm,增长率为-0.018 mm·a^-1,整体呈微弱的下降趋势。除春季(0.053 mm·a^-1)呈上升趋势外,夏季(-0.053 mm·a^-1)、秋季(-0.011 mm·a^-1)和冬季(-0.007 mm·a^-1)ET0均呈现出下降趋势,ET0的下降主要体现在夏季;影响流域ET0的主导因子是相对湿度(贡献率为39.0%)、平均风速(贡献率为27.2%)、日照时数和平均气温;平均相对湿度对ET0是负贡献(r=-0.673),日照时数、平均风速和平均气温均是正贡献;影响ET0的因子组合和贡献率在流域的不同区域有一定差异。     

宁夏六盘山人工林和天然林生长季的蒸散特征

为了系统地认识森林生态系统结构对蒸散特征的影响,2009年5-10月,应用热扩散技术和传统水文学方法,对六盘山香水河小流域华北落叶松人工林和华山松天然林的蒸散及分量进行对比研究.结果表明: 华北落叶松人工林生长季总蒸散量为518.2 mm,是同期降雨量的104.6%,远高于天然林蒸散量420.5 mm.两种林分总蒸散量在其垂直层次上的分配比例相近,表现为冠层蒸腾量>草本+土壤层蒸散量>灌木蒸腾量,但林分各组成分量占总蒸散量的比例明显不同.其中,人工林冠层月均截留量和蒸腾量为19.6和25.2 mm,分别是天然林的1.2和1.9倍;人工林灌木层月均蒸腾量为 4.4 mm,占天然林的23.4%;人工林草本+土壤层月均蒸散量为37.1 mm,是天然林的1.8倍.采用Penman-Monteith方程对林分的实测蒸散量进行对比检验,两种方法对林分蒸散量的估计值基本接近.
     

华北平原参考作物蒸散量时空变化及其影响因素分析

根据华北平原56个气象站1960—2012年逐日气象数据和Penman-Monteith模型计算了各站及区域整体参考作物蒸散量(ET0),利用样条插值法、气候倾向率、累积距平、敏感性系数等方法对华北平原ET0的时空变化及其影响因素进行了分析。结果表明:(1)华北平原多年平均ET0为1071.37mm,空间上呈现高低值相间分布格局,高值中心分布在冀北、鲁中、豫西,而低值中心分布在冀东、鲁南、豫东及豫南等地;(2)近53年ET0呈减少趋势(-12.8mm/10a),山东半岛北部及冀北等地有缓慢增加趋势,其余地区以减少为主;(3)ET0对气温、平均风速、日照时数为正敏感,而对相对湿度为负敏感。平均气温与日照时数敏感系数呈现下降趋势,相对湿度与风速敏感系数表现出上升趋势。ET0对气温和风速敏感度高的区域同时对日照时数和相对湿度敏感度较低;(4)归因分析表明,华北平原ET0的主导因子是日照时数,平均风速次之,相对湿度、最高温度、最低温度对ET0变化影响较小,日照时数主导区域包括冀北、坝上地区、冀中、豫西、豫南、鲁中及鲁西北,平均风速的主导区域为冀南、河南黄河以北、豫中、鲁西北,温度主导区域零星分布于冀北、豫西、山东半岛等地,相对湿度的主导区域主要分布在鲁南、山东半岛。     

鼎湖山顶级森林生态系统水文要素时空规律

运用连续7a(1993～1999)的水文观测资料,对南亚热带顶级生态系统鼎湖山季风常绿阔叶林集水区水文要素时空规律进行分析,得到如下一些主要结论：(1)鼎湖山多年平均降水量为1910mm,湿季降水量占年降水量80％,干季仅占20％。6月份的降水量最大,1月份最小。(2)季风常绿阔叶林冠层截留率为31．8％,湿季的截留量占全年截留量的66．7％,截留量最大值和最小值所在的月份分别为7和1月份。各月的截留率差异很大,截留量大的月份,截留率较低;截留量小的月份,截留率较高。(3)季风常绿阔叶林集水区多年平均总径流量953．0mm,总径流系数49．9％,其中地表径流量为252．3mm,地表径流系数13．2％;地表径流与降水量之间存在二次抛物线型回归关系,与降水强度的关系不大,这说明季风常绿阔叶林的产流形式是是蓄满产流。(4)季风常绿阔叶林多年平均蒸散948．2mm,占同期降水量的49．7％;蒸散力1031．4mm,年蒸散系数为0．92,蒸散月变化规律较降水量的月变化规律有所滞后。(5)系统贮水量的月变化很大,2～8月份,系统处于蓄水阶段;9月份至翌年1月份,系统处于失水阶段。蓄水和失水的最大值分别出现在湿季和干季的第一个月,即4月份和10月份。(6)集水区多年平均水量总输入2129．9mm,实际输入1910mm(降水量),其中219．9mm的水量输入是由系统贮水量变化而产生。支出的总水量2129．9mm,实际支出1901．3mm(径流和蒸散量),其中228．6mm的水量支出是由系统贮水量变化引起的。