基于辐射和温度的模型在吐鲁番地区的比较与修

蒸散发是土壤-植被-大气连续体中地表水分通过蒸发和蒸腾向大气传输的同步过程［1］，是地表水量平衡和能量平衡的重要组成部分［2］。参考作物蒸散发量(ET0)是指设定水分充足参考地表面的蒸散发量，表示特定区域和时间大气的蒸发能力，不考虑作物特性、土壤等因素，只考虑气象因素的影响。1998年联合国粮农组织(FAO)定义ET0是:高度为0.12 m，冠层表面阻力为70 s·m-1，反射率为0.23，近似于地表开阔，高度一致，生长旺盛，水分充足且完全遮盖地面的绿草的蒸散发量［3］。准确估算ET0对于估算作物需水量、合理配置水资源、调整农田灌溉制度、预报作物产量和发展生态节水农业具有重要意义［4-7］。

目前ET0估算模型约有50种［8］，大致划分为辐射法、温度法、综合法和蒸发皿法［9-10］。国内外应用最广泛的是FAO-56 PM模型，该模型基于能量平衡和空气动力学原理，综合考虑了影响蒸散发量的各种气象因子，但很多地区的气象站不能完整获得其需要的气象资料，从而影响其推广与应用，因此需要较少气象因子的ET0简化模型逐渐得到应用。模型的经验系数是在特定地区和气候背景条件下提出的，估算精度存在区域局限性，在适用地区外使用时不进行修正可能会产生较大误差［11］。近年来，国内外对ET0模型修正已有研究，如Xu等［12］评价并修正了5种ET0模型在瑞士的适用性，指出修正后的P-T、M-A和H-S模型精度得到了提高;王声锋等［13］研究表明修正后的H-S模型可作为新乡市ET0简化模型;赵璐等［14］对川中丘陵地区4种ET0模型进行评价，发现改进后的Irmark-Allen模型的精度得到了明显提高;吴立峰等［15］评价了气象资料缺失情况下P-M模型的8种情况和4种ET0模型在西北地区的适用性，并对其参数进行修正，认为修正后的M-A和H-S模型是该地区适宜的ET0简化模型;Li Meng［16］研究指出修正后的 H-S、M-A和P-T模型的精度均有较大提高，在淮河流域的适用性很好。

吐鲁番地区位于我国西北极端干旱区，蒸发量大，绿洲农业灌溉用水量大、利用效率不高，水资源配置不合理，供需矛盾突出，生态环境脆弱，近年来气候变化导致该地区水循环、生态环境等方面发生了显著变化［17］，水资源短缺已成为影响该地区农业发展、生态平衡和制约国民经济持续稳定发展的关键因素［18］，找到一种ET0简化估算模型对于估算作物需水量，开发作物生产潜力和发展高效节水农业具有重要意义。目前国内ET0模型的适用性评价和修正研究很少考虑研究区不同月份的气候差异［19］，且ET0简化模型在极端干旱的吐鲁番地区研究较少，具有重要的研究价值，鉴于此，本文采用M-A、H-S、P-T、Traj、M-H 和 B-H 模型分别从年、月尺度上估算ET0，以FAO-56 PM模型为标准评价其适用性，并逐月修正其原始经验系数，从而获得适宜吐鲁番地区的ET0简化估算方法，以期为吐鲁番地区作物需水量估算、生态用水安全保障、水资源优化配置和生态环境改善提供科学有效的指导，为其他干旱地区ET0估算研究提供参考。

1 研究背景

1.1 研究区域

吐鲁番地区(87°16＇—91°55＇E，41°12＇—43°40＇N)位于新疆天山东部博格达峰南坡的山间盆地，是连接新疆—中亚地区与南北疆的重要通道，属于典型大陆性暖温带干旱沙漠气候，由于西部和北部山地的阻挡，盆地地势低凹，辐射强，地表增温快，形成了日照充足、气温高、降水稀少、昼夜温差大、多大风、蒸发量大的气候特点［20-21］。年均温为13.9℃，年降水量为16 mm，年蒸发量为3 000 mm，年日照时间约3 000 h，无霜期210 d左右［22］。土种为白硝土，土壤类型为棕漠土和灌耕土［23］。

1.2 数据来源

本研究选用吐鲁番地区库米什站(88°13＇E，42°14＇N)、吐鲁番站(89°12＇E，42°56＇N)和鄯善站(90°14＇E，42°51＇N)2000—2015 年逐日气象资料，包括最高气温、最低气温、平均气温、平均相对湿度、日照时数和2 m高度处风速(由10 m高度处风速换算)等。

2 研究方法

2.1 灵敏度分析

灵敏度是模型中某一因子的取值发生微小变化时，使模型的输出结果发生数值变化的大小程度［14，24-25］。模型对某一因子的灵敏度表示为:

式中，xi为模型中第i个因子;Sxi的绝对值越大，表明ET0对xi越敏感。

2.2ET0估算模型

2.2.1 FAO-56 PM模型 FAO-56 PM模型综合考虑了太阳辐射、气温引起的辐射项和风速、相对湿度等引起的空气动力学项参数［3］，理论基础清晰，估算精度较高，1998年被FAO推荐作为估算ET0的标准方法。公式如下:

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