CN113742636B - 一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法，步骤1，计算潜在蒸散发；步骤2，通过水分系数和植被指数建立实际蒸散发和潜在蒸散发之间的函数关系；步骤3，计算多年平均蒸散发值；步骤4，率定Kw，Kv表达式，步骤4：率定出水分系数和植被指数中的参数；步骤5，利用步骤4得到的表达式，计算单个区域的实际蒸散发值。本发明解决了现有技术中通过水文模拟计算实际蒸散发的不确定性问题。相比于利用模型模拟的方法，能够更加精确获得水分及植被变化下蒸散发的变化，去除了模型不确定性的影响，为实际蒸散发的估算提供了有力支撑。
Description
技术领域
本发明属于实际蒸散发估算技术领域，具体涉及一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法。
背景技术
蒸腾与蒸发量，简称蒸散发(evapotranspiration，ET)作为区域水量平衡和能量平衡的主要组分，不仅在水循环和能量循环过程中起着极其重要的作用，也是连接生态与水文过程的重要纽带，更是评价农业用水效率的重要基础和关键环节。它决定着地球系统中“地圈—生物圈—大气圈”的相互作用和反馈。目前，人们对自由水面、饱和土壤表面和充分供水条件下的稠密植被冠层等下垫面蒸散发理解较为深入，将其称为潜在蒸散发。实际蒸散发量一般根据潜在蒸散发进行估算，主要理论方法有两种：Penman方法和互补原理。Penman方法从田间尺度蒸散发过程出发，将潜在蒸散发作为大气对陆面蒸散发过程的外部驱动力，根据实测或模拟的陆面水分状况估算实际蒸散发。互补原理则直接从区域尺度蒸散发过程出发,将潜在蒸散发作为内部变量,根据潜在蒸散发对实际蒸散发过程的反馈来估算实际蒸散发。传统的测定方法上具有较高的精度，但主要针对局地尺度和点状数据，难以实现区域大尺度的扩展。而水文模型对于实际蒸散发的模拟又存在很大不确定性的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法，解决了水文模型对于实际蒸散发的模拟存在较大不确定性的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：利用彭曼公式计算潜在蒸散发值；
步骤2：基于潜在蒸散发值来计算实际蒸散发值；
步骤3：计算多年平均实际蒸散发；
步骤4：率定出水分系数和植被指数中的参数；基于水量平衡原理得到实际蒸散发；与步骤3中的实际蒸散发值作比较，得到水分系数和植被指数的表达式；
步骤5：利用步骤4得到的表达式，计算单个区域的实际蒸散发值。
本发明的特点还在于，
步骤1中，彭曼公式计算日潜在蒸散发值是基于逐日最高气温、最低气温、平均气温、平均水汽压、平均风速和日照时数的资料：
其中：Rn为作物表面净辐射量，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；γ为湿度计常数，kPa/℃；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率kPa/℃；T 为空气平均温度℃；u2为在地面以上2m处的风速m/s；es为空气饱和水汽压 kPa；ea为空气实际水压kPa。
步骤2具体为，依据水分供应不充分时，实际蒸散发与潜在蒸散发成正比的关系，即受到土壤供水能力和植被生长情况的影响，得到如下的实际蒸散发的计算公式：
其中，EA为年实际蒸散发值，Epmd为日潜在蒸散发之，Kw水分系数，是降水量p的函数，即：
Kw＝f(p,psummer) (3)，
Kv为植被指数，是指被覆盖指数Vc的函数，即
Kv＝f(Vc) (4)。
步骤3具体为，根据步骤2中计算出的年潜在蒸散发值，在选定序列长度m的条件下，计算多年平均实际蒸散发值如下公式：
其中，m为序列长度，EAi为第i年实际蒸散发值，为m年平均实际散发值。
步骤4中，水量平衡原理的理论基础是基于质量守恒原理，其是全面研究单个地区在一定时间段内地下水的补给量、储存量和消耗量之间的数量转化关系的平衡计算；由此可得，多年实际蒸散发值为：
根据由水量平衡原理和潜在蒸散发计算出的多年实际蒸散发值应相等，即可得到：
根据公式(8)可率定出水分系数Kw和植被指数Kv的函数表达式。
步骤5中，根据率定出的水分系数和植被指数表达式，可直接依据公式 (2)计算实际蒸散发值。
本发明的有益效果是：本发明一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法，基于水量平衡原理，提出了一种利用水分系数及植被指数关系推求实际蒸散发的方法。在实际蒸散发的估算研究中，相比于利用模型模拟的方法，能够更加精确获得水分及植被变化下蒸散发的变化，去除了模型不确定性的影响，为实际蒸散发的估算提供了有力支撑。
附图说明
图1是本发明一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法进行进一步详细说明。
如图1所示，一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法，根据彭曼公式计算潜在蒸散发，再利用水量平衡原理，率定出水分系数以及植被指数与降水量等因子的关系，从而直接计算某一流域的实际蒸散发，具体按照以下步骤实施：
步骤1，基于彭曼公式计算出逐日潜在蒸散发Epmd；
步骤2，假设年实际蒸发
其中，Kw为水分系数，Kv为植被指数；
步骤3，多年平均实际蒸散发
步骤4，基于水量平衡得根据/>率定出Kw， Kv中的参数；
步骤4.1，假定长期水量平衡后Δω＝0由于水文模拟的Δω不准确，所以不直接用水量平衡计算实际蒸发EA，而水量平衡得/>
步骤4.2，水分系数kw＝f(P,Psummer，…)为年降水量等变量的函数,例如 Kw＝a0+a1P+a2Psummer或其他形式；Kv是植被覆盖指数Vc的函数，例如 Kv＝b0+b1Vc+b2Vc或其他形式；根据由水量平衡原理和潜在蒸散发计算出的多年实际蒸散发值应相等即可得到Kw、Kv的函数表达式。
步骤5，利用公式直接计算某一区域或者流域的实际蒸散发。
进一步地，步骤1具体为，计算逐日的潜在蒸散发值Epmd。
Penman(1948)第一次将能量平衡与空气动力学方法结合，并巧妙利用饱和水汽压-温度曲线斜率的概念，提出了适用于宽阔自由水面、湿润裸土和短草的蒸发解析式，之后Monteith(1965)在Penman公式的基础上，考虑了植被生理特征，引入冠层阻力和空气动力学阻力，仍然保持Penman公式的形式，建立了Penman-Montheith公式。该公式的自变量包含了辐射、温度、风速、湿度、和气压等气象数据，可分为辐射项和空气动力项两部分。综合了空气动力学的湍流传输与能量平衡，较为全面地考虑了影响潜在蒸散的气象因素，是目前较为普遍的计算潜在蒸散发的一种方法。
Penman-Montheith公式为：
进一步地，步骤2具体为，在蒸散发的研究中，实际蒸散发(EA)与潜在蒸散发(Epmd)之间的关系对于分析气候与水文相互作用关系具有非常重要的作用。当水分供应不充分时，陆面实际蒸散发与潜在蒸散发成正比，其大小取决于水分的有效性，即将实际蒸散发表征为潜在蒸散发的函数，采用土壤水分含量、植被生长状况等作为限制因子。Penman正比假设理论可以表示为EA＝KwEpmd，Kw为水分系数，表示为土壤供水能力函数，在有植被或作物生长情况下，EA＝KwKvEpmd，Kv为植被指数，表示植被生长函数(作物系数)。因此，建立基于水分系数和植被指数的实际蒸散发与潜在蒸散发的函数关系。
进一步地，步骤3具体为，根据步骤2中计算出的年潜在蒸散发EA，计算多年平均的潜在蒸散发：
进一步地，步骤4具体为，水量平衡原理是全面研究某一地区(或均衡区)在一定时间段内地下水的补给量、储存量和消耗量之间的数量转化关系的平衡计算，其理论基础是质量守恒原理。假定长期水量平衡后Δω＝0 由于水文模拟的Δω不准确，所以无法直接用水量平衡计算实际蒸发EA，而由水量平衡可得：
进而得到：
既而得到水分系数Kw以及植被指数Kv的函数表达式；
步骤5，即为利用公式(2)计算实际蒸散发。
下面通过具体的实施例对本发明一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法进行进一步详细说明。
步骤1，计算潜在蒸散发：
基于彭曼公式计算潜在蒸散发，如图1所示。
步骤2：基于潜在蒸散发计算实际蒸散发值：
水分供应不充分时，陆面实际蒸散发与潜在蒸散发成正比，其大小取决于水分的有效性，即将实际蒸散发表征为潜在蒸散发的函数，采用土壤水分含量、植被生长状况等作为限制因子。即：
其中，公式(3)Kw＝f(p,psummer) (3)的形式从以下公式中选择拟合效果最好的公式：
公式(4)Kv＝f(Vc)的形式从以下公式中选择拟合效果最好的公式：
步骤3：计算多年平均的潜在蒸散发
步骤4，确定Kw、Kv的函数形式：
步骤4.1，根据水量平衡原理计算实际蒸散发值；
假定长期水量平衡后Δω＝0由于水文模拟的Δω不准确，所以不直接用水量平衡计算实际蒸发EA，而水量平衡得到/>
步骤4.2，对比步骤3中计算的实际蒸散发结果，
由此得到，水分系数Kw以及植被指数Kv的函数表达式；
步骤5，根据水分系数Kw以及植被指数Kv表达式由公式(2)可直接计算实际蒸散发。
本发明一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法，解决了现有技术中通过水文模拟计算实际蒸散发的不确定性问题。相比于利用模型模拟的方法，能够更加精确获得水分及植被变化下蒸散发的变化，去除了模型不确定性的影响，为实际蒸散发的估算提供了有力支撑。
Claims (6)
1.一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：利用彭曼公式计算潜在蒸散发值；
步骤2：基于潜在蒸散发值来计算实际蒸散发值；
步骤3：计算多年平均实际蒸散发；
步骤4：率定出水分系数和植被指数中的参数；基于水量平衡原理得到实际蒸散发；与步骤3中的实际蒸散发值作比较，得到水分系数和植被指数的表达式；
步骤5：利用步骤4得到的表达式，计算单个区域的实际蒸散发值。
2.根据权利要求1所述的一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法，其特征在于，步骤1中，所述彭曼公式计算日潜在蒸散发值是基于逐日最高气温、最低气温、平均气温、平均水汽压、平均风速和日照时数的资料，具体如下公式(1)：
3.根据权利要求1所述的一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法，其特征在于，步骤2具体为：依据水分供应不充分时，实际蒸散发与潜在蒸散发成正比的关系，即受到土壤供水能力和植被生长情况的影响，得到如下公式(2)的实际蒸散发的计算公式：
其中，Kw为水分系数，Kw为植被指数。
4.根据权利要求1所述的一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法，其特征在于，所述步骤3具体为，根据步骤2中计算出的年潜在蒸散发值，在选定序列长度m的条件下，计算多年平均潜在蒸散发值如下公式：
其中，m为序列长度，EAi为第i年实际蒸散发值，为m年平均实际散发值。
5.根据权利要求1所述的一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法，其特征在于，步骤4中，水量平衡原理的理论基础是基于质量守恒原理，其是全面研究单个地区在一定时间段内地下水的补给量、储存量和消耗量之间的数量转化关系的平衡计算，因此，可由水量平衡计算多年实际蒸散发：
根据由水量平衡原理和潜在蒸散发计算出的多年实际蒸散发值应相等，即可得到：
进而即可率定出水分系数Kw和植被指数Kv的函数表达式。
6.根据权利要求3所述的一种基于气象观测数据和植被指数的流域实际蒸发量估算方法，其特征在于，根据步骤4中率定出的水分系数和植被指数表达式，可由公式(2)直接计算实际蒸散发值。
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