不同冠层阻力模型对冬小麦返青-成熟期蒸散量估算的影响

蒸散量是农田水循环的重要组成部分,其准确估算对精准灌溉及农业节水具有重要意义。PenmanMonteith(P-M)模型是常用的估算方法之一,但冠层阻力/表面阻力的准确表达一直是应用中的难点。选取常用的7种冠层阻力模型,根据北京市顺义区2a(2020年和2021年)的波文比实测结果,对不同模型模拟的小麦冠层阻力及P-M估算的小麦蒸散量进行比较,并进一步分析影响小麦冠层阻力的主要因子。结果表明,7种模型均低估了小麦冠层阻力,同时高估了蒸散量。总体而言,Todorovic模型(TD)模拟效果最好,其模拟的冠层阻力和蒸散量的R2均大于0.605,平均偏差(MBE)分别为-82.8s·m^(-1)和10.4W·m^(-2),相应的均方根误差(RMSE)分别为254.4s·m^(-1)和33.5W·m^(-2);其余6种模型表现均较差,所模拟的冠层阻力R2仅0.113~0.241,MBE和RMSE在-236.4~-61.3s·m^(-1)、277.2~373.8s·m^(-1);基于6种模型模拟阻力得到的小麦蒸散量与实测值的R2在0.046~0.184,MBE和RMSE分别在44.5~97.4W·m^(-2)、81.4~147.9W·m^(-2)。7种模型模拟效果排序为TD>FAO56-PM>Katerji-Perrier(KP)>Garc?á-Santos(GA)>idso(IS)>Jarvis(JA)>CO。相关分析表明,净辐射(Rn)对小麦冠层阻力的影响最大,气温(Ta)和冠层温度(Tc)对其影响最小,各因子影响力大小表现为Rn>叶面积指数(LAI)>相对湿度(RH)>饱和水汽压(VPD)>土壤水分(θ)>冠气温差(?T)>Tc>Ta。这一结果较好地解释了TD模型的良好普适性,既考虑了Rn、VPD、?T等影响冠层阻力的关键因子,且不含待校正参数,使用方便。

冬小麦不同生育期最小冠层阻力的估算

作物最小冠层阻力是研究农田蒸发和作物缺水的一个重要参数。使用作物的冠层红外温度信息 ,将作物在充分灌溉情况下冠层温度与空气温度之差与空气的饱和水汽压差的经验关系同其理论解释相结合 ,通过实验数据 ,估算了在华北平原气候条件下的冬小麦 ( Triticum aestivum L.)的平均最小冠层阻力 ,为基于这种阻力的应用提供基础。研究表明冬小麦最小冠层阻力随发育期而不同 ,并且抽穗前后差异明显 。

不同冠层阻力公式在玉米田蒸散模拟中的应用

在我国北方地区,水分供给一直是影响粮食产量的主要因素。玉米作为我国三大粮食作物之一,关乎其水分蒸散的观测和模拟一直是气象、水文、生态等相关学科的重要研究内容。研究玉米蒸散对于粮食安全、节水灌溉、提高作物水分利用效率具有重要意义。作为经典的双源模型,Shuttleworth-Wallace(SW)模型分别考虑土壤蒸发和植被蒸腾,非常适合于稀疏植被的蒸散估算。本文在SW模型中采用不同冠层阻力公式对玉米地蒸散进行模拟,并用涡度相关实测通量数据对模型的模拟效果进行验证。结果表明,采用Jarvis冠层阻力公式的SW1模型与采用Kelliher-Leuning冠层阻力公式的SW2模型模拟的蒸散量都与实测值吻合较好,相关系数均在0.85以上(P<0.01),一致性指数都达到0.92以上。敏感性分析表明,SW模型估算蒸散对冠层阻力最敏感。在计算冠层阻力的各个参数中,SW1模型估算蒸散对田间持水量最敏感,其次是最小气孔阻力和有效叶面积指数;SW2模型估算蒸散对最大气孔导度最敏感。传统SW模型中,冠层阻力计算采用Jarvis公式,计算复杂。改用Kelliher-Leuning公式后,在一定程度上简化了模型的计算,更方便模型应用。

Penman-Monteith模型中水稻冠层阻力的模拟

针对Penman-Monteith模型冠层阻力的参数化问题,以南京地区2012-2013年水稻为研究对象,参照Jarvis的气孔阻力模型,建立了水稻的冠层阻力rc与气象、环境因子(太阳净辐射、饱和水汽压差、气温和土壤水分)的关系模型,并以蒸渗仪实测蒸散量资料为对照,对模型的精度进行检验。结果表明,所建水稻冠层阻力模型的拟合度2012年为0.911,2013年为0.810,将模型应用于Penman-Monteith公式计算稻田蒸散量,两年的拟合精度分别为0.967和0.953,能较精确地估算稻田耗水量。对模型的敏感性分析表明,饱和水汽压差的拟合参数a2对模型的影响最显著。模型在一定程度上解决了冠层阻力计算复杂,观测量大且易产生观测误差的问题,可作为稻田蒸散的计算方法之一。

ET_0计算公式设定条件下冠层阻力的实验率定研究

本文通过对我国半干旱区参考作物(修剪苜蓿)ET0值的率定实验研究,揭示了在ET0计算公式设定条件下冠层阻力rc的变化规律,认为:随着作物生育期的延长,冠层阻力呈现递增趋势,且生育中期实验条件及结果比较接近ICID和FAO建议ET0值的设定条件,期间冠层阻力变化幅度在86.9 s/m和66.3 s/m之间;冠层阻力的日变化过程呈现"U"形,最低点出现在中午,低于50s/m,最高点出现在早晨8∶00、20∶00,普遍高于100s/m;在冠层阻力PM、Todorovic计算公式中,共同影响rc的主要参数有:ra、es-ea、Rn、ET0,采用PM公式对这几项参数与rc-PM值进行多元回归分析,表明ET0对rc-PM值的影响最显著,其次是ra、Rn值,而es-ea对rc-PM值的影响不显著,本研究有助于参考作物rc数值的动态揭示和影响因子分析。

苏南地区典型作物冠层阻力参数及潜热通量的模拟

准确测算和模拟农田潜热通量对农业生产有着重要意义。该研究基于波文比能量观测系统对苏南地区夏玉米和冬小麦生育期内潜热通量进行连续观测,采用Katerji-Perrier(KP)和Todorovic(TD)两种方法来确定Penman-Monteith(P-M)模型中冠层阻力参数,探究两种冠层阻力参数子模型的估算误差及成因。结果表明:冬小麦生育期内主要气象因子呈现相似变化趋势,净辐射日均值呈现出波动上升趋势。两种冠层阻力参数子模型对冬小麦潜热通量模拟均取得良好的模拟效果,模拟R2不小于0.84,纳什系数不小于0.86,但KP模型精度稍高于TD模型。KP模型对冬小麦和夏玉米潜热通量均有高估,而TD模型高估了夏玉米潜热通量,饱和水汽压差是影响KP和TD两种冠层阻力参数子模型误差的主要因素,且饱和水汽压差越大绝对误差越大。研究为当地农业用水管理提供科学依据。

参考条件下苜蓿冠层阻力变化规律试验研究

冠层阻力是参考作物蒸发蒸腾量计算公式中的一个重要参数,对准确计算参考作物蒸发蒸腾量(ET0)及诊断作物缺水等都有非常重要的意义。本研究以FAO(1994)推荐的ET0公式(Penman-Monteith公式)假定条件为出发点,结合ET0值的实测资料,对经过修剪的苜蓿冠层阻力进行试验分析。结果表明:在参考条件下,冠层阻力随着作物生育期的延长,呈递增趋势。日变化过程呈现"U"型,最低点出现在中午(低于50 s/m),最高点出现在早晨8∶00和傍晚18∶00(高于100 s/m)。

夏玉米叶片气孔阻力与冠层阻力估算模型的研究

根据田间试验观测结果，分析了夏玉米叶片气孔导度与环境因素之间的关系，应用多元非线性回归分析技术建立了气孔阻力的估算模型；对叶片正反两面不同部位和垂向不同层次上叶片气孔阻力的差异及其日变化过程和季节变化规律进行了分析，又用叶片气孔阻力估算模型导出了冠层阻力的计算模型。

不同冠层阻力模型在夏玉米蒸散发计算中的优化应用

【目的】更精确地估算怀来地区夏玉米蒸散量(ET)。【方法】利用怀来站点2013年的气象数据与涡度相关数据,分别采用最小二乘法与蚁群算法优化冠层阻力Jarvis模型(JA模型)和耦合表层阻力模型(CO模型)中的经验参数,使用BP神经网络模型分析冠层阻力(rc)对各气象因子的敏感程度。再利用2014年的气象数据计算ET,并以涡度相关系统实测的ET为标准验证参数优化的结果。【结果】①rc对各影响因子敏感程度从大到小顺序为:Rn>LAI>θ>T>VPD。②使用蚁群算法优化的CO模型拟合rc结果最好(R2=0.89,RMSE=410.90 s/m,d=0.88)。③使用蚁群算法优化后的CO模型模拟ET精度最高(R2=0.72,RMSE=1.07 mm,d=0.75)。【结论】Rn和LAI是影响夏玉米rc的主要因素,使用蚁群算法优化CO模型中的参数,可以获得精度最高的rc拟合结果和ET估计值,可为夏玉米精量用水提供理论依据。

六种冠层阻力模型在冬小麦蒸散估算中的应用

蒸散量是农田水循环中水分损失的主要途径,其准确估算对节水灌溉具有重要意义。单源的Penman-Monteith(P-M)模型是最常用的蒸散量估算方法,但模型中冠层阻力的合理参数化一直是研究中的难点。该研究选取常用6种冠层阻力模型,使用北京顺义2 a(2020年和2021年)的波文比实测结果,分析不同模型进行冬小麦冠层阻力及蒸散估算的可行性。结果表明:1)无参数校正条件下,6种模型均低估了冬小麦冠层阻力,同时高估了蒸散量。其中,Todorovic模型(TD)的普适性最好,其模拟的冠层阻力、蒸散量与实测值的R2都在0.605及以上;耦合的冠层阻力模型(CO模型)普适性最差,冠层阻力、蒸散量与实测值的R2分别为0.113、0.046;2)进一步使用2021年的试验数据进行模型参数校正、2020年的数据进行验证,发现校正后的JA、CO、GA、KP及FAO56-PM模型计算的冠层阻力和蒸散量与实测值的一致性大幅提高。除JA模型低估冠层阻力外,其余均高估冠层阻力、低估蒸散量。其中KP模型模拟的冠层阻力和蒸散量效果最好,R2均在0.907及以上,而其余5种模型估算精度也较好。6种模型的估算精度排序为KP、GA、TD、FAO56-PM、CO、JA。综上,所评价的模型校正后均可作为P-M模型的冠层阻力输入来估算冬小麦蒸散量,但TD模型不需要参数校正,在数据不足时可作为首选;而KP模型参数较少,校正后拟合精度最高,在数据充足时可作为首选。研究结果对华北地区使用P-M一步法计算冬小麦蒸散量具有重要价值。

基于冠层上下部温差的冠层阻力计算

为了研究交替隔沟非充分供水下玉米冠层阻力的计算方法,于2009—2010年在中国农业科学院农田灌溉研究所作物需水量试验场进行了田间试验。根据实测资料分析了玉米气孔阻力与各环境因素的关系,基于Jarvis(1976)多因子冠层阻力模型,引入冠层上、下部温差变量(ΔTc),提出了交替隔沟非充分供水下玉米冠层阻力的计算方法,即基于ΔTc的冠层阻力法,并分别与Jarvis(1976)、Ortega-Farias(2004)和Brissonetal(1998)法作对比研究,验证其准确性。结果表明,Javias(1976)、Ortega-Farias(2004)、基于ΔTc的冠层阻力法和Brisson(1998)的日平均冠层阻力计算结果分别为355.93、318.75、300.61和253.42sm-1。其中,Ortega-Farias(2004)法和Javias(1976)法模拟结果分别偏高9.70%和22.50%;Brisson(1998)法模拟结果偏低12.78%;基于ΔTc的冠层阻力法计算结果比实测值偏高3.46%,二者的相关性最好,其计算结果与实测值间的平均绝对误差(MAE)、标准差(SD)和拟合度(d1)值分别为2.42、6.77和0.89,R2为0.86,计算精度优于Jarvis(1976)、Ortega-Farias(2004)和Brissonetal(1998)模型。基于冠层上、下部温差的冠层阻力计算法,考虑了作物、土壤、气候3大因素,模型的模拟范围、数据获取和精度都优于其他方法,能够较准确地表达交替隔沟非充分供水下的玉米冠层阻力。

基于EC观测估算最小冠层阻力分布及其在潜热通量插补中的应用

准确估计水热通量对于认识和理解地气交换与水循环变化过程具有重要意义。利用Penman-Monteith(P-M)模型计算季节尺度水热通量变化的不确定性很大程度上依赖于与冠层变化相关的最小冠层阻力参数,但模型中通常将其设为定值。为此,本文基于多年通量观测采用分段与整体相结合的迭代算法拟合出最小冠层阻力的季节分布。以湖南省宁乡通量观测站为例,针对2012～2015年观测拟合计算最小冠层阻力的季节分布曲线,并利用2016年通量数据进行独立数据验证。结果表明:最小冠层阻力曲线具有鲜明夏低冬高的季节变化特征;利用拟合的具有季节分布的最小冠层阻力改进潜热通量计算,独立数据验证表明其该方法的合理性;相比于原阻力方案得出的潜热模拟结果,其在相关系数、均方根误差和一致性指数都有改进;此外,将该估计方法应用于水热通量的数据插补,较常规统计插补方法,其插补稳定性不随连续缺失数据的增加而降低,而且还能通过模型的微分误差分析量化由于数据输入带来的插补不确定性,在保持通量数据完整性的同时也为数据应用场景提供科学依据。

冠层表面阻力与环境因子关系模型及其在蒸散估算中的应用

建立了一个华北平原冬小麦群体冠层表面阻力与环境因子关系的模型。根据该地区冬小麦生态系统的一组波文比－能量平衡观测资料，用非线性最优化方法模拟冠层表面阻力与太阳辐射、气温、空气饱和差和土壤含水量等环境因子的关系，得到模型四个参数的拟合值。用另外两组观测资料验证该模型的预测能力。结果表明，该模型能较好地模拟表面阻力，拟合度分别为０．９３和０．６７。将该模型应用到Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ蒸散公式，发现蒸散的模拟值与实测值的拟合度达０．９以上，相对偏差小于５％。通过比较发现，该模型对蒸散的预测精度高于空气动力学方法。

麦田蒸散模型的改进及其对阻力参数的敏感性分析

采用Penman-Monteith(PM)模型和Shuttleworth-Wallace(SW)模型模拟冬小麦田主要生长季(3-5月)的逐时蒸散量(ET),改进模型中有效叶面积指数(LAIe)的计算,以涡度相关法测定的ET为参照检验模型改进的效果,并分析模型对各阻力参数的敏感性。结果表明:SW模型和PM模型估算的ET均对冠层阻力最敏感。3月小麦冠层稀疏,SW模型模拟ET的效果优于PM模型;4、5月小麦冠层稠密,两个模型模拟ET的效果均较好。改进LAIe计算后,4、5月PM模型和SW模型估算麦田蒸散的精度显著提高,ET模拟值与实测值的相关系数、一致性指数更接近1,ET模拟的相对误差和均方根误差变小。

基于修正PM模型的水分胁迫下柑橘树蒸腾速率模拟研究

【目的】利用修正Penman-Monteith(PM)模型对土壤水分胁迫条件下的柑橘树蒸腾速率进行模拟。【方法】基于2022年6—7月的气象数据、红外温度、叶片气孔导度及实测柑橘树蒸腾速率,对PM模型中的关键参数(冠层阻力和空气动力学阻力)进行模拟。采用Ortega-Farias模型模拟冠层阻力;采用Perrier对数法和仿叶法分别计算空气动力学阻力,将模拟的阻力参数应用于PM模型,模拟柑橘树在不同土壤水分胁迫条件下的蒸腾速率,评价不同阻力参数对PM模型输出精度的影响。【结果】柑橘树气孔导度和蒸腾速率随着土壤水分胁迫程度的增大呈下降趋势。Ortega-Farias模型模拟的冠层阻力与实测值具有较好的一致性,模拟值与实测值之间的决定系数(R2)为0.63,能够较好地反映柑橘树叶片冠层阻力在水分胁迫下的日变化情况。在模拟空气动力学阻力时,仿叶法的模拟值大于Perrier对数法的模拟值,且午时波动较大。在土壤水分充足、轻度土壤水分胁迫、中度土壤水分胁迫和重度土壤水分胁迫条件下,采用Perrier对数法计算空气动力学阻力时,PM模型的模拟值与实测值之间的R2分别为0.66、0.58、0.55、0.2;而采用仿叶法计算空气动力学阻力时,PM模型的模拟值与实测值之间的R2分别为0.71、0.64、0.62、0.24。【结论】当土壤含水率高于田间持水率的50%时,使用Ortega-Farias模型模拟冠层阻力并采用仿叶法模拟空气动力学阻力能够提升PM模型模拟柑橘树蒸腾速率的精度。

秋季在北京城郊草地下垫面上的一次臭氧干沉降观测试验

2007年9月23日至10月13日,在北京昌平区蟒山森林公园内,利用浓度梯度观测法研究了秋季草地下垫面上臭氧的干沉降特征。研究结果表明:(1)整个观测期间,臭氧干沉降通量和干沉降速率平均值分别为-0.40μg.m-2.s-1(负号表示方向指向地面)和0.55cm/s。(2)臭氧干沉降通量和干沉降速率受观测点山谷风的影响,当白天谷风主导时,臭氧的干沉降通量最大,其平均值为-0.67μg.m-2.s-1;在山风、谷风转换期间,其平均值为-0.44μg.m-2.s-1;夜间山风主导时最小,为-0.26μg.m-2.s-1。臭氧干沉降速率也呈现同样的变化规律,三种情形下的平均沉降速率分别为0.74cm/s、0.50cm/s和0.47cm/s。(3)利用阻力模型计算了臭氧的植被冠层阻力(Rc),结果表明:由于白天植被的光合作用,叶面气孔打开,冠层阻力相对较小,Rc的平均值为109.0s/m;夜间植被叶面气孔关闭,阻力有明显升高,Rc的平均值为217.7s/m;在整个观测期间,Rc的平均值为184.0s/m。

Penman-Monteith蒸散模型及其在森林下垫面中参数的确定

Penm an-M on te ith公式是在蒸散研究中应用最多,也是变化形式最多的方法,该文在对目前Penm an-M on te ith模型在森林下垫面中应用总结的基础上,阐述了其中众多参数的意义和常用的确定方法,着重探讨了影响该模型精确性的关键因子净辐射、空气动力学阻力和冠层阻力的计算方法,并分析了Penm an-M on te ith模型在实际应用中存在的一些问题,提出了该模型在今后森林蒸散研究中发展的思路。

基于涡度相关仪的蒸散量时间尺度扩展方法比较分析

蒸散量(ET,evapotranspiration)的时间尺度扩展是遥感反演区域ET的关键。为比较基于蒸发比、作物系数和冠层阻力的3种ET时间尺度扩展方法的估值效果,该文利用涡度相关仪实测的北京大兴区冬小麦3-6月份生育期内的ET数据,分析了蒸发比、作物系数和冠层阻力3种参数在日内的变异性并最终比较基于3种参数的ET时间尺度扩展方法的估值效果。结果表明,作物系数在日内变异性最小且其在3个时段的小时值最接近日均值,此外,对比3种方法的估值效果发现,基于作物系数的ET时间尺度扩展方法在3个时段表现效果均最优。对与具有相近气象、气候、下垫面条件和空间尺度数据的地区,推荐采用基于作物系数的时间尺度扩展方法开展从小时到日的ET时间尺度扩展。

夏玉米田蒸散的计算

依据ＳＰＡＣ原理，通过田间水热耦合运移的数值模拟，对夏玉米田蒸散进行了研究，提出了整体冠层阻力的经验表达式，并对蒸散模式中的其它两个阻力参数进行了详细的分析和讨论。验证结果表明，本文提出的模型和模拟计算方法是有效而实用的。

遥感估算蒸散发量的日尺度扩展方法综述

遥感是获取大面积地表蒸散发量(evapotranspiration,ET)的主要手段,但是其所获得的ET是卫星过境时刻的瞬时值,而日尺度的ET才有实际意义和参考价值。目前,已有多种由瞬时ET经过时间尺度扩展成日尺度ET的方法,如恒定蒸发比法,时间积分法、正弦关系法、作物系数法和冠层阻力法等。为了对这些方法有一个清晰的了解和在应用时为方法选择提供依据,对以上5种常用方法的原理和特点进行了总结、对比和分析,并对当前该研究领域依然存在的难点问题和研究热点进行了总结。