川西高原沼泽湿地参考作物蒸散量估算方法适用性

李 春，周 英，孙 聪，严 坤

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2.重庆市万州区气象局，重庆 万州401147； 3.中国环境监测总站，北京 朝阳 100012；4.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041)

蒸发散是区域、流域生态系统水文循环中重要组成，与陆生生态系统生物量和生产力密切相关[1]。农田、草地、森林等生态系统的蒸散发可以通过实测或遥感反演，实测一般利用蒸渗仪或涡度相关等技术进行长时间观测，但测定结果难以扩展到其他区域，且大多数区域不具备开展此类研究的条件[2]。随着遥感技术的发展，通过遥感技术反演地表参数来估算区域蒸散发逐渐成为计算蒸散发的主要方法之一，但遥感仅提供瞬时信息，难以获取蒸散随时间变化的规律，蒸散发结果具有很大的不确定性[3]。目前，用参考作物蒸散发量(ET0)和作物系数(Kc)进行蒸发散估算是普遍采用的方法。因此提高参考作物蒸发量精度对全球变化下高寒沼泽湿地水文过程和生态系统管理具有重要的作用。

关于参考作物蒸散发的估算方法众多，被分为温度法、辐射法、蒸发皿蒸发法、物质法、综合法，这些方法的应用大多受区域环境影响。尽管FAO56PM是唯一被联合国粮农组织推荐的作为参考作物蒸散量的标准方法，适用于不同地区和气候条件，但该方法需要大量的实测气象资料，而这些气象数据在条件欠缺的区域往往难以获得，限制了该方法的应用。因此出现一些仅需要输入较少气象要素的简化估算方法，但这些简化方法均在特定区域和特定气候条件下产生的，如在美国西北部较干旱的气候条件下建立的Hagreaves公式，在其它区域或气候条件下应用时会出现差异，甚至相反的结论[4-6]。

若尔盖高原位于青藏高原东北缘，海拔3400～3900m，是世界上高原泥炭沼泽主要分布区域，也是青藏高原东缘气候变化敏感区和黄河上游重要的生态屏障区[7]。该区属大陆性高原气候，寒冷湿润，光照强烈，日温差大，降水主要集中分布在5～10月，植被以高山草甸和沼泽植被为主，对于高原沼泽湿地而言，蒸散量不仅影响区域水文循环，而且关系到自然生态系统退化与恢复。本文对比7种广泛使用的参考作物蒸散方法，分析不同方法在日、月尺度的适用性，寻求适合高原沼泽湿地的参考作物蒸散量估算方法，为若尔盖高原沼泽湿地生态系统水源涵养功能提升和湿地保护提供科学依据。

1 参考作物蒸散量的计算方法

1.1 FAO56PM

FAO56PM公式是以能量平衡和水汽扩散理论为基础建立的参考作物蒸散量估算方法，其形式为：

1.2 1948Pen

1948Pen是在无水汽水平输送情况下提出的参考作物蒸散量计算方法，其形式为：

1.3 FAO24Pn

FAO 24Pn是Penman公式的一个修正版本，包括风函数和修正系数，其形式为：

1.4 FAO24Rd

FAO24Rd是FAO-24推荐的基于太阳辐射资料估算参考作物的一种方法，其形式为：

1.5 1985Harg

1985Harg是在美国西北部较干旱的气候条件下建立的，其形式为：

1.6 Prs-Tylr

Prs-Tylr是在无平流假设条件下在环境湿润前提下,忽略空气动力学项而得到参考作物蒸散量方法，是EPIC、CROPSM等模型中用以估算可能蒸散量的重要方法[8]，其形式为：

1.7 1957Makk

1957Makk被认为是Priestley-Taylor公式的简化公式，在寒冷地区具有较好的适应性，其形式为：

2 数据来源与评价方法

2.1 数据来源

本研究使用国家气象局气象数据中心V3.0逐日气象数据，该区域主要涉及四川省阿坝州的若尔盖、红原县和甘肃省甘南藏族自治州玛曲县3个国家气象站，基本情况见表1。

表1 气象站点基本情况

2.2 评价指标

本研究选择平方根误差(RMSE)、Nash-Sutcliffe效率系数(NES)和Willmott一致性指数(d)评价FAO56PM方法与其它方法间的差异，各个指标计算公式如下：

式中：n为样本数；M为FAO56PM公式计算的参考作物蒸散量，E为其他公式计算的参考作物蒸散量。RMSE代表其它公式计算值与FAO56PM计算值之间的变异程度，当RMSE=0时，表示FAO56PM计算值与其它方法计算值之间的拟合最佳；NESE取值为-∞至1，越接近1，表示FAO56PM法计算值与其它方法计算值之间的拟合最佳，可信度高；d取值为0至1，d值越接近1，表明其它方法计算值与FAO56PM计算值的一致性越好。

3 结果与分析

3.1 不同时间尺度ET0对比

各种方法计算的逐日平均ET0均呈凸抛物线分布，变化趋势基本一致。.基于日ET0数据的统计结果发现(表2)，各种方法与FAO56PM方法之间存在极显著性差异(d.f.=365,p<0.01)。其中，1948Pen、FAO24Pn、FAO24Rd、Prs-Tylr与FAO56PM绝对偏差介于0.09～0.66mm·d-1，FAO24Rd、FAO24Pn相对偏差大于20%；1985Harg、1957Makk与FAO56PM绝对偏差为-0.28mm·d-1、-0.17mm·d-1，相对偏差为-11.74%、-7.27%。

各种方法计算的逐月ET0也呈凸抛物线分布。与FAO56PM相比，FAO24Pn、FAO24Rd计算的ET0均偏大；1957Makk计算的ET0偏小；1948Pen计算的ET0在1月、12月偏小，其余月份偏大；1985Harg计算的ET0在10月-翌年5月偏小，其余月份偏大；Prs-Tylr计算的ET0在10月-翌年3月偏小，其余月份偏大。通过配对样本t检验发现，除1948Pen计算的12月-翌年1月ET0呈与FAO56PM计算结果显著性差异外(d.f.=49，p<0.05)，其他方法在各月与FAO56PM之间达到极显著差异(d.f.=49，p<0.01)。与FAO56PM之间相对偏差可以看出，1948Pen在温度较低的9月至翌年3月为-0.53%～7.05%，但4～8月为9.44%～13.55%；FAO24Pn、FAO24Rd在4～8月大于20%；1985Harg全年平均相对偏差达-5.23%，但在植物生长期相对偏差较小，非生长季相对偏差较大；Prs-Tylr-在作物生长季相对偏差较大，在气温较高的7月偏差甚至达到-21.1%；相比而言1957Makk方法相对偏差较小，月最大相对偏差低于-13%。

表2 各种方法和FAO56PM计算的日值间偏差及配对样本t检验

注：*表示α=0.05下显著,**表示α=0.01下显著

图1 不同方法计算的日ET0与FAO56PM计算结果的线性回归关系

3.2 参考作物蒸散量ET0回归分析

图1不同方法计算的日ET0与FAO56PM计算结果的线性回归关系(a)1948Pen;(b)FAO24Pn；(c)FAO24Rd;(d)1985Harg;(e)Prs-Tylr;(f)1957Makk

图1可以看出，1948Pen、FAO24Pn、FAO24Rd估算结果均位于y=x的左侧区域，说明这3种方法计算的日ET0均高于FAO56PM计算结果。FAO24Pn、FAO24Rd离散程度大于1948Pen，特别是在ET0≥4mm·d-1时离散程度更大，说明蒸散发剧烈时1948Pen方法计算结果更接近FAO56PM计算结果；1957Makk的计算结果主要位于y=x的右侧区域，其计算的日ET0低于FAO56PM的计算结果；1985Harg、Prs-Tylr大部分计算结果较为均匀分布在y=x两侧。通过回归分析发现，FAO56PM与各种方法线性回归决定系数R2大于0.85，其中1948Pen拟合效果最佳(R2=0.9853)，1985Harg的拟合效果较差(R2=0.8668)。

图2 不同方法计算的月ET0与FAO56PM计算结果的线性回归关系

图2不同方法计算的月ET0与FAO56PM计算结果的线性回归关系(a)1948Pen;(b)FAO24Pn;(c)FAO24Rd;(d)1985Harg;(e)Prs-Tylr;(f)1957Makk

从图2可以看出，各种方法ET0月值估算结果与y=x分布规律基本与日值相同。1948Pen、FAO24Pn、FAO24Rd估算结果位于y=x的左侧区域；1957Makk的计算结果位于y=x的右侧区域；1985Harg、Prs-Tylr基本均匀分布在y=x两侧。各种方法月值回归斜率与日值回归斜率相比基本没有变化，说明各种方法在估算日值、月值时与标准方法相对关系较为稳定。

3.3 误差分析

表3是各种方法与FAO56PM方法之间计算结果评价指标值。日尺度上，NES与d变化范围为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变化范围是0.30～0.88mm·d-1，FAO24Rd取得最大值0.88mm·d-1，1948Pen取到了最小值0.30mm/d-1。对NES、d、RMSE进行排序并加权发现，1948Pen计算值与FAO56PM计算值差异最小，其次为1985Harg、1957Makkink、Prs-Tylr、FAO24Pn，而FAO24Rd与FAO56PM计算结果差异最大，精度最低，这与高飞等[9]在暖温带大陆性极端干旱气候下发现FAO24Rd方法适用性最差的结论基本一致。在月尺度上，各个方法与FAO56PM之间差异表现出与日尺度基本相同的规律，仍然为1968Pen与FAO56PM之间差异较小，FAO24Rd与FAO56PM之间差异较大，但1985Harg与1957Makk排序略有差异，日尺度上1957Makk法优于1985Harg法，月尺度上1985Harg法优于1957Makk法。

表3 FAO56PM与其它方法计算结果之间的RMSE、NES、d

通过对气象数据可获取程度、拟合精度等综合权衡，高原沼泽湿度区域在仅有气温数据的条件下可以优先考虑使用1985Harg方法，在有日照和气温数据条件下，可以优先选择Makk方法。

4 结论与讨论

若尔盖高原位于青藏高原东北部，是全球重要的碳库，若尔盖高原沼泽湿地对于维持生态系统功能、缓解全球气候变化具有重要的作用。蒸散发作为区域重要的水文过程，是退化生态恢复与湿地可持续管理的基础。由于参考作物蒸散发估算方法建立时考虑条件不同，选用了不同的辐射项和空气动力项，致使简化方法适用性具有一定的区域或气候条件限制。本文利用若尔盖高原3个国家气象站数据，以FAO56PM方法为标准，分析了各种方法在不同时间尺度估算ET0的适用性，得出以下结论：

(1)7种方法计算的参考作物蒸散的日、月变化趋势基本一致。与FAO56PM计算的日ET0计算结果相比，FAO24Pn、FAO24Rd计算结果相对偏差大于20%，1985Harg、1957Makk相对偏差为10.0%左右；与FAO 56PM月ET0计算结果相比，不同月份ET0月值相对偏差存在差异，1948Pen、FAO24Pn、FAO24Rd、Prs-Tylr在生长季相对偏差较大，1985Harg在植物生长季偏差较小。

(2)通过评价指标等级排序，ET0月、日估算最优方法为1948Pe法(RMSE=0.30mm·d-1，NES=0.93，d=0.98)。当气象数据难以获取时，可以优先选择1985Harg或1957Makk方法。