基于水文循环过程的小流域蒸散发量模拟方法评估

师晟国

（西安水文水资源勘测中心，陕西 西安 710100）

1 研究区概况

选取某排洪河，长约27.80 km，流域总面积约100 km2，年平均气温13.30 ℃。气候类型为温带季风气候，年均降雨量783.27 mm，降雨多集中6-9月，占年降雨量60.26%。

2 数据来源

本研究由中国气象科学数据中心和河流所在的城市气象局提供；其中还包括流域内及周边6个站点。

3 研究方法

3.1 蒸散量计算模型

3.1.1 基于辐射能的模型

Priestley和Taylor方法

式（1）中：ETPT为潜在蒸散发量（mm）；α为校准值常数，取1.26；Δ为饱和水蒸气压力曲线的斜率（kPa/℃）；γ为湿度计常数（kPa/℃）；Rn为净辐射量（MJ/（m2·d））；λ为水汽化潜热（MJ/kg）；G为土壤热通量（MJ/（m2·d））。

Jensen-Haise方法

式（2）中：ETJH为潜在蒸散发量（mm）；Rs为太阳总辐射（MJ/（m2·d））；T为每月平均气温（℃）。

Makkink方法

式（3）中：ETMAK为潜在蒸散发量（mm）。

Abtew方法：

式（4）中：ETABT为参考蒸散发量（mm）；k为无量纲系数，取0.53。

McGuinness-Bordne方法：

式（5）中：ETMB为潜在蒸散发量（mm）。

3.1.2 基于空气动力学的蒸散发模型

Penman方法

3.1.3 基于温度的蒸散发模型

Linacre方法

式中：ETLIN为潜在蒸散发量（mm）；A为站点的海拔高度（m）；φ为站点的纬度（°）；T为平均气温（℃）；Td为露点温度（℃）。

Hamon方法

Hargreaves-Samani方法

3.2 FAO-Penman-Monteith模型

FAO-Penman-Monteith 模型是计算潜在蒸散量的标准模型，以此模型的计算值作为基准，检验上述模型的准确性。

式中：PETFPM为参考蒸散量（mm）；Tmean为2 m 高度的平均气温（℃）。

将研究对象分为春季（3-5 月）、暖季（6-9 月）和秋冬季（10-次年2月）计算分析。

3.3 模型评价方法

为验证模型的准确性，使用四种统计方法，即相对偏差（RBIAS）、Nash-Sutcliffe系数（NSE）、相关系数（CC）以及均方根误差（RMSE）。此外为研究9 种模型与FAO-Penman-Monteith模型计算蒸散量的偏离程度，使用卡方检验，分析在95%置信水平下的差异。

式中：X2为皮尔森卡方值；ETFPM为FAO-Penman-Monteith法计算的蒸散量；ETAM为替代模型计算的蒸散量；n为数据个数。

4 结果与分析

4.1 FAO-Penman-Monteith方法

采用FAO-Penman-Monteith 方法计算的蒸散量如表1 所示。流域的月均蒸散量的最大值和最小值分别出现在4#站点和6#站点，分别为87.42和69.68 mm。

表1 利用FAO方法估算站点蒸散量 单位：mm

4.2 不同方法的蒸散量估算评价

9种模型所计算的月蒸散量与ETFPM的相关性均在0.85以上，与ETJH、ETHS和ETHAM与ETFPM的相关性最高。不同方法之间的RMSE范围为0.59～4.64。ETMAK方法在所有研究点的RMSE最低。

从N-S系数上看，不同模型在不同站点的模拟效果差异较大，其中ETMAK方法在各个站点的效果均为最好。在1#站点，ETJH的计算结果偏低；在3#站点，ETHAM的计算结果偏低；在4#、5#和6#站点，ETLIN的计算结果偏低，因此不适用。综合分析不同模型对不同站点的预测结果。其中，ETMAK对1#站（NSE=0.947）和2#站（NSE=0.851）的模拟结果最好。

为衡量9 种模型平均值的偏差程度，将所得到的数据与FAO-Penman Monteith模型进行相对偏差分析。不同模型的相对偏差结果较大，相对偏差范围为-54.49%～76.66%。其中ETHAM低估偏差最大，ETPT、ETABT和ETJH模型的相对偏差小且在所有站点均无低估。

为验证以上9 种模型的准确度，将得到的结果与FAOPenman Monteith方法采用卡方检验进行分析（表2）。与FAOPenman Monteith 方法在99%置信区间下无显著差异的模型有ETMAK、ETPT、ETABT、ETHS和ETPEN。

表2 不同模型的卡方检验P值表

使用卡方检验，在不同地区计算蒸散量的9 种不同方法中，除2#和6#站点以外，估算蒸散量的最佳替代方法是Jensen-Haise法，2#和6#站点的最佳替代方法是Hamon法。

4.3 不同植被生长季节ET计算方法的评价

4.3.1 暖季植被

在暖季1#、3#、4#和5#站点采用Jensen-Heise 法计算的蒸散量较其他方法准确，蒸散量范围为-32.92%～28.21%。在1#、3#、4#和5#站，同时RMSE和NSE值均较好。此外，对于2#和4#站，ETHAM在0.05和0.62～0.72的暖季是最准确的预测模型。

4.3.2 冷季植被

①春季结果表明，使用ETJH方法进行各站蒸散量的估算，得到的结果偏差最小，偏差-18.62%～25.64%，同时RMSE 和NSE 分别为0.76～1.16 和0.86～0.94，可以使用Jensen-Heise 法进行代替，来估算冷季的蒸散量。②秋冬季结果表明，ETJH在1#、3#、4#和5#站秋冬季蒸散量估算的结果中偏差较小，估算值范围为-37.79%～5.48%，RMSE和NSE结果也较好，是这些站点秋冬季蒸散量估算的最佳替代方法。ETHAM是2#和6#站最准确的预测模型，蒸散量分别被低估了-29.73%和-37.79%，RMSE和NSE平均值分别为1.46和0.72。

5 结论

①基于本流域及6个站点的数据，对比分析9种ET模型与FAO-Penman Monteith 模型的计算结果，评估模型在本区域的替代性。②通过分析植被生长期间的月累计ET值，在不同的时季模型的适用性也不同。Jensen-Heise 方法和Hamon 方法在暖季和秋冬季的模拟效果最好，Jensen-Heise 方法在春季适用性较好，适用于所有站点。