塔克拉玛干沙漠南缘典型绿洲ET0模型适用性评价及修正

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00069

摘要/Abstract

摘要：

ET₀模型在不同地区具有不同的适用性，而对极端干旱的塔克拉玛干沙漠南缘绿洲的ET₀模型的适用性研究较为稀缺。利用2006—2014年生长季（4—10月）策勒气象站逐日气象资料，以自动称重式蒸渗仪实测数据为标准，采用最大绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）、模型效率（EF）和一致性指数（d）4个指标，在日、月时间尺度上评价了6种常用ET₀模型在策勒绿洲的适用性，并使用回归修正法和比例修正法分别修正了这6种模型。结果表明：（1）日、月时间尺度上，Hargreaves-Samani（H-S）模型高估程度较大，其余模型均不同程度低估，拟合度由高到低依次为FAO-56PM、Jensen-Haise（J-H）、Priestley-Taylor（P-T）、Makkink、Turc、H-S。（2）所有ET₀模型月值变化趋势与蒸渗仪实测值基本一致，除FAO-56PM和Turc模型计算的ET₀月值在6月达到峰值外，其余模型均在7月达到峰值，在生长季尺度所有模型ET₀月值与蒸渗仪实测值呈显著相关。（3）日、月时间尺度上，回归修正法和比例修正法修正后的ET₀模型计算结果与蒸渗仪实测值均呈极显著相关，回归修正法优于比例修正法。（4）相关性分析表明，对策勒绿洲ET₀影响由高到低的气象因子依次为 $T m e a n$ > $T m i n$ >P> $T m a x$ > $R s$ > $U 2$ > $R H m e a n$ 。

关键词: 塔克拉玛干沙漠南缘, 策勒绿洲, 参考作物蒸散发量, 适用性评价, 模型修正

Abstract:

ET₀ model has different applicability in different regions， and the applicability of ET₀ model in the extremely arid oasis in the southern margin of the Taklimakan Desert is relatively scarce. Based on the daily meteorological data of Qira meteorological station during the growing season （April-October） from 2006 to 2014， and the measured data of automatic weighing lysimeter as the standard， the applicability of each model in Qira oasis was evaluated 6 kinds of commonly used ET₀ models on the daily and monthly time scales by using the four indexes of maximum absolute error （MAE）， root mean square error （RMSE）， model efficiency （EF） and consistency index （d），and using regression correction method and proportional correction method calibrated ET₀ methods respectively. The results showed that：（1） Hargreaves-Samani （H-S） was overestimated to a large extent on the daily and monthly time scales， while other models were underestimated to varying degrees. The fitting degree from high to low was FAO-56PM， Jensen-Haise， Priestley-Taylor， Makkink， Turc and H-S. （2） The monthly value variation trend of all ET₀ models was basically consistent with the lysimeter measured values. Except for the monthly value of ET₀ calculated by FAO-56PM and TURC models， which reached the peak value in June， the other models all reached the peak value in July. At the scale of growing season， the monthly value of ET₀ of all models was significantly correlated with the lysimeter measured values. （3） On the daily and monthly time scales， the calculated results of ET₀ model modified by the regression correction method and the proportional correction method were significantly correlated with the measured values of the lysimeter， and the regression correction method was superior to the proportional correction method. （4） Correlation analysis showed that the main meteorological factors affecting ET₀ in Qira oasis from high to low were ： $T m e a n$ > $T m i n$ >P> $T m a x$ > $R S$ > $U 2$ > $R H m e a n$ .

Key words: southern margin of the Taklimakan Desert, Qira oasis, reference crop evapotranspiration, adaptation evaluation, model modification

中图分类号:

S161.4

王大刚, 于洋, 孙凌霄, 何婧, Ireneusz Malik, Malgorzata Wistuba, 姜逢清, 于瑞德. 塔克拉玛干沙漠南缘典型绿洲ET₀模型适用性评价及修正[J]. 中国沙漠, 2021, 41(6): 41-53.

Dagang Wang, Yang Yu, Lingxiao Sun, Jing He, Malik Ireneusz, Wistuba Malgorzata, Fengqing Jiang, Ruide Yu. Adaptability evaluation and modification of ET₀ models in a typical oases on southern margin of the Taklimakan Desert[J]. Journal of Desert Research, 2021, 41(6): 41-53.

图/表 11

表1 各种模型计算ET0和蒸渗仪实测值日值序列统计特征

Table 1 Statistic characteristics for daily ET0 between different models and lysimeter

模型	最小值/mm	最大值/mm	均值/mm	标准差	方差	变异系数
蒸渗仪	2.738	9.989	5.829	1.239	1.535	0.213
Hargreaves-Samani	5.439	18.140	13.289	3.156	9.958	0.237
Jensen-Haise	1.172	7.197	4.424	1.406	1.977	0.318
Makkink	1.717	5.152	3.453	0.729	0.531	0.211
FAO-56PM	1.853	6.915	4.963	1.190	1.416	0.240
Priestley-Taylor	1.294	6.212	4.008	1.142	1.304	0.285
Turc	0.812	2.804	1.943	0.458	0.209	0.236

图1 模型计算日ET0与蒸渗仪实测值的线性回归分析

Fig.1 Linear regression analysis of daily ET0 between calculated and measured values

表2 各模型计算日蒸散准确性分析

Table 2 The evaluation of monthly ET0 simulated effects by different models

模型	线性回归		最大绝对误差 MAE	均方根误差 RMSE	模型效率 EF	一致性指数 d
模型	K	R²	最大绝对误差 MAE	均方根误差 RMSE	模型效率 EF	一致性指数 d
Hargreaves-Samani	2.2655	0.9768	7.46	7.82	-38.85	0.24
Jensen-Haise	0.7631	0.9593	1.50	1.69	-0.87	0.69
Makkink	0.5848	0.9752	2.38	2.54	-3.19	0.49
FAO-56PM	0.8482	0.9808	0.97	1.15	0.14	0.80
Priestley-Taylor	0.6876	0.9666	1.83	2.01	-1.63	0.61
Turc	0.3306	0.9744	3.89	4.00	-9.43	0.35

图2 蒸渗仪蒸散量与不同模型计算的月蒸散结果

Fig.2 Monthly evapotranspiration calculated with different models

表3 逐月蒸渗仪实测值与不同ET0模型计算月值的相关系数（观测样点=214）

Table 3 Correlation coefficient between monthly measured value of lysimeter and monthly value calculated by different ET0 models （data points=214）

月份	Hargreaves-Samani	Jensen-Haise	Makkink	FAO-56PM	Priestley-Taylor	Turc
4	0.575^**	0.627^**	0.481^**	0.825^**	0.557^**	0.606^**
5	0.179	0.076	-0.088	0.375^**	-0.082	0.082
6	0.220	0.279	0.212	0.480^**	0.149	0.377^**
7	-0.235	0.004	0.049	0.226	0.040	0.113
8	0.066	0.095	0.019	0.556^**	0.043	0.137
9	0.168	0.218	0.075	0.333	0.072	0.270
10	0.760^**	0.761^**	0.748^**	0.737^**	0.790^**	0.731^**
生长季	0.764^**	0.751^**	0.711^**	0.808^**	0.747^**	0.736^**

表4 各模型回归方程斜率和修正的逐月经验系数

Table 4 Slope of linear regression equation and monthly empirical coefficient of models after modified

月份	模型	回归修正		比例修正
月份	模型	a	b	K_R
4	Hargreaves-Samani	0.268	2.201	0.449
	Jensen-Haise	0.762	2.779	1.545
	Makkink	1.029	2.233	1.744
	FAO-56PM	1.113	0.081	1.129
	Priestley-Taylor	1.070	1.805	1.600
	Turc	1.794	1.835	2.701
5	Hargreaves-Samani	0.131	4.585	0.438
	Jensen-Haise	0.101	6.030	1.309
	Makkink	-0.160	7.145	1.669
	FAO-56PM	0.742	2.282	1.139
	Priestley-Taylor	-0.135	7.141	1.420
	Turc	0.273	5.893	2.793
6	Hargreaves-Samani	0.179	3.752	0.407
	Jensen-Haise	0.327	4.779	1.136
	Makkink	0.409	4.957	1.575
	FAO-56PM	1.053	0.114	1.071
	Priestley-Taylor	0.284	5.205	1.281
	Turc	1.219	3.784	2.790
7	Hargreaves-Samani	-0.458	14.042	0.406
	Jensen-Haise	0.011	6.546	1.122
	Makkink	0.179	5.874	1.602
	FAO-56PM	0.880	1.450	1.126
	Priestley-Taylor	0.141	5.881	1.273
	Turc	0.775	4.902	2.988
8	Hargreaves-Samani	0.044	5.731	0.431
	Jensen-Haise	0.148	5.619	1.237
	Makkink	0.043	6.219	1.760
	FAO-56PM	1.347	-0.717	1.212
	Priestley-Taylor	0.088	5.991	1.441
	Turc	0.606	5.179	3.209
9	Hargreaves-Samani	0.103	4.102	0.465
	Jensen-Haise	0.287	4.192	1.403
	Makkink	0.161	4.768	1.728
	FAO-56PM	0.491	3.235	1.271
	Priestley-Taylor	0.124	4.836	1.547
	Turc	1.007	3.646	3.270
10	Hargreaves-Samani	0.382	1.022	0.511
	Jensen-Haise	0.831	2.201	1.796
	Makkink	1.565	0.354	1.717
	FAO-56PM	1.009	1.158	1.415
	Priestley-Taylor	1.126	1.669	1.908
	Turc	2.459	1.132	3.419

图3 修正后各模型计算日ET0与蒸渗仪实测值的线性回归分析

Fig.3 Linear regression analysis of daily ET0 between calculated （modified） and measured values

图4 修正后不同模型的ET0月值比较

Fig.4 Comparison of estimated monthly ET0 by different modified models

表5 修正后各模型计算月蒸散准确性分析

Table 5 The evaluation of monthly ET0 simulated effects by different modified models

月份	模型	绝对差值/mm		相对偏差/%
月份	模型	回归修正	比例修正	回归修正	比例修正
4	Hargreaves-Samani	0.01	1.05	0.01%	0.65%
	Jensen-Haise	0.00	2.32	0.00%	1.43%
	Makkink	0.00	0.77	0.00%	0.47%
	FAO-56PM	0.00	0.03	0.00%	0.02%
	Priestley-Taylor	0.00	0.64	0.00%	0.40%
	Turc	0.00	0.79	0.00%	0.48%
5	Hargreaves-Samani	0.01	0.62	0.01%	0.31%
	Jensen-Haise	0.00	2.18	0.00%	1.08%
	Makkink	-0.01	2.22	0.00%	1.10%
	FAO-56PM	-0.01	0.27	0.00%	0.13%
	Priestley-Taylor	-0.01	1.99	0.00%	0.99%
	Turc	0.00	1.54	0.00%	0.76%
6	Hargreaves-Samani	0.01	0.50	0.01%	0.25%
	Jensen-Haise	1.87	2.45	0.94%	1.22%
	Makkink	0.00	1.80	0.00%	0.90%
	FAO-56PM	-0.01	0.02	0.00%	0.01%
	Priestley-Taylor	0.00	1.27	0.00%	0.63%
	Turc	0.00	1.53	0.00%	0.77%
7	Hargreaves-Samani	5.52	6.10	2.63%	2.90%
	Jensen-Haise	5.51	6.62	2.62%	3.15%
	Makkink	5.52	6.60	2.62%	3.14%
	FAO-56PM	5.52	5.64	2.62%	2.68%
	Priestley-Taylor	5.51	6.26	2.62%	2.97%
	Turc	5.52	6.40	2.63%	3.04%
8	Hargreaves-Samani	-0.01	1.03	-0.01%	0.52%
	Jensen-Haise	-0.01	1.51	0.00%	0.77%
	Makkink	0.00	1.49	0.00%	0.75%
	FAO-56PM	0.01	-0.07	0.00%	-0.04%
	Priestley-Taylor	0.01	1.28	0.00%	0.65%
	Turc	0.00	12.16	0.00%	6.15%
9	Hargreaves-Samani	0.99	2.15	0.62%	1.35%
	Jensen-Haise	1.00	2.89	0.63%	1.82%
	Makkink	0.99	2.23	0.63%	1.41%
	FAO-56PM	14.02	1.94	8.85%	1.22%
	Priestley-Taylor	1.00	2.55	0.63%	1.61%
	Turc	0.99	2.10	0.63%	1.32%
10	Hargreaves-Samani	0.47	1.43	0.38%	1.16%
	Jensen-Haise	0.48	5.98	0.39%	4.87%
	Makkink	0.48	0.69	0.39%	0.56%
	FAO-56PM	0.48	1.60	0.39%	1.30%
	Priestley-Taylor	0.48	3.20	0.39%	2.61%
	Turc	0.48	1.54	0.39%	1.25%
生长季平均	Hargreaves-Samani	1.00	1.84	0.52%	1.02%
	Jensen-Haise	1.27	3.42	0.65%	2.05%
	Makkink	1.00	2.26	0.52%	1.19%
	FAO-56PM	2.86	1.35	1.69%	0.76%
	Priestley-Taylor	1.00	2.46	0.52%	1.41%
	Turc	1.00	3.72	0.52%	1.97%
生长季合计	Hargreaves-Samani	7.00	12.88	3.64%	7.14%
	Jensen-Haise	8.86	23.95	4.57%	14.33%
	Makkink	6.99	15.81	3.64%	8.33%
	FAO-56PM	20.02	9.42	11.86%	5.33%
	Priestley-Taylor	6.99	17.19	3.64%	9.85%
	Turc	7.00	26.06	3.65%	13.78%

图5 生长季各气象因子和蒸渗仪蒸散的变化

Fig.5 Changes of evaporation in each meteorological factor and evaporating dish with underlying surface in the growing season

表6 蒸渗仪实测值与气象因子的相关系数（观测样点=214）

Table 6 Correlation coefficient of lysimeter measured ET0 with meteorologic variables （data points=214）

		蒸渗仪	$U 2$	$T m e a n$	$T m a x$	$T m i n$	P	$R H m e a n$	$R S$
蒸渗仪	Pearson 相关	1	0.610^**	0.778^**	0.735^**	0.762^**	-0.747^**	-0.081	0.643^**
蒸渗仪	Sig.双尾		0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.236	0.000

表6 蒸渗仪实测值与气象因子的相关系数（观测样点=214）

Table 6 Correlation coefficient of lysimeter measured ET0 with meteorologic variables （data points=214）

		蒸渗仪	$U 2$	$T m e a n$	$T m a x$	$T m i n$	P	$R H m e a n$	$R S$
蒸渗仪	Pearson 相关	1	0.610^**	0.778^**	0.735^**	0.762^**	-0.747^**	-0.081	0.643^**
蒸渗仪	Sig.双尾		0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.236	0.000

参考文献 40

1	李新荣，赵洋，回嵘，等. 中国干旱区恢复生态学研究进展及趋势评述［J］.地理科学进展，2014，33（11）：1435-1443.
2	张飞，塔西甫拉提·特依拜，丁建丽，等.干旱区绿洲土地利用/覆被及景观格局变化特征：以新疆精河县为例［J］.生态学报，2009，29（3）：1251-1263.
3	Cheng W，Zhou C，Liu H，et al.The oasis expansion and eco-environment change over the last 50 years in Manas River Valley，Xinjiang［J］.Science in China，2006，49（2）：163-175.
4	瓦哈甫·哈力克，塔西甫拉提·特依拜，海米提·依米提.干旱区绿洲农业结构与水资源合理利用研究：以新疆策勒绿洲为例［J］.云南农业大学学报，2004（6）：737-742.
5	Xue X，Liao J，Hsing Y，et al.Policies，land use，and water resource management in an arid oasis ecosystem［J］.Environmental Management，2015，55（5）：1036.
6	Yu Y，Disse M，Yu R，et al.Large-scale hydrological modeling and decision-making for agricultural water consumption and allocation in the main stem Tarim River，China［J］.Water，2015，7（6）：2821-2839.
7	李宝富，陈亚宁，李卫红，等.基于遥感和SEBAL模型的塔里木河干流区蒸散发估算［J］.地理学报，2011，66（9）：1230-1238.
8	Liu Y，Shen M，Zhao J，et al.A new optimization method for the layout of pumping wells in oases：application in the Qira Oasis，Northwest China［J］.Water，2019，11（5）：970.
9	赵文智，吉喜斌，刘鹄.蒸散发观测研究进展及绿洲蒸散研究展望［J］.干旱区研究，2011，28（3）：463-470.
10	Mu Q，Zhao M，Running S W.Improvements to a MODIS global terrestrial evapotranspiration algorithm ［J］.Remote Sensing of Environment，2011，115（8）：1781-1800.
11	严坤，王玉宽，徐佩，等.岷江源区Hargreaves法适用性与未来参考作物蒸散量预测［J］.农业机械学报，2018，49（4）：273-281.
12	Allen R G，Pereira L S，Raes D，et al.Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56［J］.Fao，Rome，1998，300（9）：D05109.
13	Xiang K，Li Y，Horton R，et al.Similarity and difference of potential evapotranspiration and reference crop evapotranspiration-a review［J］.Agricultural Water Management，2020，232：106043.
14	Yagob D，Deepak J，Ahmad F，et al.Trends in reference crop evapotranspiration over Iran［J］.Journal of Hydrology，2011，399（3/4）：422-433.
15	段春锋，缪启龙，曹雯，等.西北地区小型蒸发皿资料估算参考作物蒸散［J］.农业工程学报，2012，28（4）：94-99.
16	左德鹏，徐宗学，刘兆飞.基于气温的潜在蒸散发量估算方法在我国西北干旱地区的应用比较［J］.干旱区资源与环境，2009，23（10）：123-131.
17	刘昌明，张丹.中国地表潜在蒸散发敏感性的时空变化特征分析［J］.地理学报，2011，66（5）：579-588.
18	Tabari H.Evaluation of reference crop evapotranspiration equations in various climates［J］.Water Resources Management，2010，24（10）：2311-2337.
19	Yoder R E，Odhiambo L O，Wright W C.Evaluation of methods for estimating daily reference crop evapotranspiration at a site in the humid southeast United States［J］.Applied Engineering in Agriculture，2005，21（2）：197-202.
20	Pandey P K，Dabral P P，Pandey V.Evaluation of reference evapotranspiration methods for the northeastern region of India［J］.International Soil and Water Conservation Research，2016，4（1）：52-63.
21	Trajkovic S，Kolakovic S.Evaluation of reference evapotranspiration equations under humid conditions［J］.Water Resources Management，2009，23（14）：3057-3067.
22	刘松林，康银红.多种ET₀计算方法在四川省湿润气候区适用性的评价研究［J］.灌溉排水学报，2018，37（）：111-117，127.
23	徐俊增，彭世彰，丁加丽，等.基于蒸渗仪实测数据的日参考作物蒸发腾发量计算方法评价［J］.水利学报，2010，41（12）：1497-1505.
24	丁加丽，彭世彰，徐俊增，等.基于温度资料的参考作物蒸发蒸腾量计算方法［J］.河海大学学报：自然科学版，2007（6）：633-637.
25	王永东，邱永志，许波，等.参考作物蒸散量计算方法在极端干旱区的适用性［J］.干旱区研究，2014，31（3）：390-396.
26	马亮，魏光辉.新疆塔里木盆地西缘参考作物蒸散发模型的适用性评价［J］.干旱区资源与环境，2015，29（8）：132-137.
27	樊湘鹏，许燕，周建平.参照作物蒸散量计算模型在新疆干旱地区适用性研究［J］.江苏农业科学，2019，47（20）：273-280.
28	袁小环，杨学军，陈超，等.基于蒸渗仪实测的参考作物蒸散发模型北京地区适用性评价［J］.农业工程学报，2014，30（13）：104-110.
29	Xu J，Peng S，Ding J，et al.Evaluation and calibration of simple methods for daily reference evapotranspiration estimation in humid East China［J］.Archives of Agronomy & Soil Science，2013，59（6）：845-858.
30	Hargreaves G H.Defining and using reference evapotranspiration［J］.Journal of Irrigation & Drainage Engineering，1994，120（6）：1132-1139.
31	庞营军，雷加强，曾凡江，等.新疆维吾尔自治区策勒县绿洲-沙漠过渡带小气候特征［J］.水土保持通报，2011，31（5）：240-245.
32	刘毅.塔里木盆地南缘绿洲灌区地表水与地下水联合利用研究［D］.乌鲁木齐：新疆大学，2019.
33	毛东雷，蔡富艳，方登先，等.新疆策勒绿洲-沙漠过渡带风沙运动沙尘物质粒径分形特征［J］.土壤学报，2018，55（1）：88-99.
34	杜加强，熊珊珊，刘成程，等.黄河上游地区几种参考作物蒸散量计算方法的适用性比较［J］.干旱区地理，2013，36（5）：831-840.
35	Sheikh V，Mohammadi M.Evaluation of reference evapotranspiration equations in semi-arid regions of northeast of Iran［J］.International Journal of Agriculture and Crop Sciences，2013，5（5）：450.
36	胡顺军，潘渝，康绍忠，等.Penman-Monteith与Penman修正式计算塔里木盆地参考作物潜在腾发量比较［J］.农业工程学报，2005，21（6）：30-35.
37	刘战东，刘祖贵，秦安振，等.黄淮海地区基于温度的ET₀计算方法比较及修正［J］.节水灌溉，2014（4）：1-6，10.
38	范留飞，皮原月，于洋，等.基于辐射和温度的ET₀模型在吐鲁番地区的比较与修正［J］.干旱地区农业研究，2020，38（2）：267-75.
39	高云飞.黑河上游天老池流域亚高山草地蒸散发研究［D］.兰州：兰州大学，2016.
40	张昊，郝春雷，董喆，等.燕山北部丘陵温热区ET₀估算方法比较及修正［J］.节水灌溉，2018（8）：81-84，89.

[1]	李磊1,2,3, 李向义1,3, 徐新文1, 林丽莎1,3, 曾凡江1,3, 陈凤丽1,2. 策勒绿洲21种豆科牧草叶绿素荧光参数比较[J]. 中国沙漠, 2013, 33(5): 1363-1370.
[2]	杨兴华, 何清, 霍文, 艾力·买买提明, 刘新春. 塔克拉玛干沙漠南缘风沙跃移运动研究——以策勒为例[J]. 中国沙漠, 2012, 32(4): 910-914.
[3]	代述勇;;雷加强*;赵景峰;谌莉; 杨光华;范敬龙;范冬冬;曾凡江. 塔里木盆地南缘策勒绿洲区地下水TDS空间变异及水化学特征分析[J]. 中国沙漠, 2010, 30(3): 722-729.

塔克拉玛干沙漠南缘典型绿洲ET₀模型适用性评价及修正

Adaptability evaluation and modification of ET₀ models in a typical oases on southern margin of the Taklimakan Desert

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 11

参考文献 40

相关文章 3

编辑推荐

Metrics

本文评价