基于气象因子敏感性的参照蒸散发简化计算模型

基于气象因子敏感性的参照蒸散发简化计算模型
李玫;邱诚;周洋;赵伟
【摘要】Penman-Monteith( P-M)参照蒸散发计算模型参数众多，对于实测资料匮乏地区，难以适用。

基于四川若尔盖湿地1980~2007年的月值气象数据，利用单因子分析法，并结合DAAG共线性诊断、残差标准差、F检验和t检验，对影响该地区参照蒸散发的气象因子的敏感性进行分析可知，按敏感性大小排序依次为最高气温、日照时数、最低气温、最大相对湿度、最小相对湿度及风速。

运用多元线性逐步回归法，建立了由各气象因子构成的参照蒸散发的优化计算模型。

利用P-M计算结果作为参照值，对所构建模型进行了验证。

结果表明，该优化计算模型有效可行，可替代P-M模型计算若尔盖湿地蒸散发量。

%Many parameters are needed in Penman-Monteith Model ( P-M Model) , so it is difficult to be used in the area lack of measured data. On the basis of the collected monthly meteorological data of the Zoige Wetland from 1980 to 2007, the sensitivity of meteorological factors were analyzed by the method combining the single-factor analysis with the DAAG co-linear diagnosis, the residual standard deviation, F-test and t-test. It is found that the sensitivity order of all the meteorological fac-tors is the maximum temperature, sunshine duration, minimum temperature, maximum relative humidity, minimum relative hu-midity and wind speed. In the same time, an optimum calculation model was obtained by the multi-linear step regression meth-od. Taking the calculation values from P-M Model as references, the verification result shows that the established calculation
model is valid and effective, and it can replace the P-M model in calculating the evapotranspiration of the research area.
【期刊名称】《人民长江》
【年(卷),期】2015(000)011
【总页数】3页(P18-20)
【关键词】参照蒸散发;敏感性分析;计算模型;若尔盖湿地
【作者】李玫;邱诚;周洋;赵伟
【作者单位】成都大学建筑与土木工程学院，四川成都610106;成都工业学院机电工程系，四川成都611730;成都大学建筑与土木工程学院，四川成都610106;巴中市水务局，四川巴中636600
【正文语种】中文
【中图分类】TV171
蒸散发是土壤-植物-大气连续系统中重要而复杂的水分运动过程，包括土壤、水面蒸发及植物的散发，是影响区域水热平衡的重要因素，也是水文过程中的重要环节，其强度与土壤状况、作物状况及大气环境密切相关。

目前，国内蒸散发测定的主要方法有蒸发皿测定法、经验模型法、蒸渗仪法及遥感法等。

经验模型法是经过调整系数和参照蒸散发得到蒸散发量，用于计算参照蒸散发的经验模型有Penman-Monteith (P-M)模型、Priestley-Taylor模型、S-W双涌源模型及多涌源模型等。

其中，P-M模型是国际粮农组织(简称FAO)推荐的定义和计算参照蒸散发的唯一
标准方法。

四川若尔盖湿地属典型高寒湿地，气候条件恶劣、交通发展落后，使实测该区域长
期蒸散发数据非常困难。

利用P-M模型间接计算又面临参数众多、计算复杂等问题。

本文采集若尔盖湿地1980～2007年的月值气象数据(由国家气象信息中心提供)，基于气象因子敏感性分析，以国际认定的P-M模型为参照，建立了若尔盖地区参照蒸散发计算优化模型，计算该地区蒸散发。

1.1 单因子分析方法确定
计算参照蒸散发所需要的基本参数一般包括：最高气温、最低气温、平均气温、最大相对湿度、最小相对湿度、平均相对湿度、2 m风速、日照时数及大气压等[1]。

梁丽乔等在对松嫩平原西部地区的研究中，利用无维的相对敏感系数，分析得到各气象因子对参照蒸散发的敏感度，但其缺陷在于将气温、相对湿度平均值作为分析对象，忽略了最高气温与最低气温，最大相对湿度与最小相对湿度的差别影响[2]。

王昊认为，最高气温和最低气温的结合可体现净辐射对参照蒸散发的影响，但最高和最低气温的变化是不对称的，平均气温上升时有参照蒸散发量下降的情况出现[3]。

文献[1]还提出，利用平均气温代替最高和最低气温进行计算，会使饱和水汽
压与温度关系呈非线性，导致低估参照蒸散发量。

本文认为，虽然最小相对湿度和最大相对湿度的结合可以体现水汽压差对参照蒸散发的影响，但最大相对湿度和最小相对湿度的变化同样是不对称的，故也应对其分别进行分析。

因此，将最高气温、最低气温、最大相对湿度、最小相对湿度作为单独的因子分析。

进一步利用R-DAAG程序对各气象因子的共线性进行诊断，结果用方差膨胀因子
表示：
式中是自变量xj对模型中其余自变量线性回归模型的R平方；TOLj为容限。

当VIFj>10时，表明模型中各项具有很强的共线性。

利用采集到的气象数据进行计算，最高气温、最低气温、日照时数、2 m风速、
最大相对湿度及最小相对湿度的方差膨胀因子分别为6.27，7.28，2.14，1.33，1.75及2.53，均明显小于10，由此推断各因子之间不具有共线性，单独分析其对
参照蒸散发的影响具有实际意义，故选取这些气象参数作为单独分析因子，对其敏感性进行分析。

1.2 敏感性分析结果
选择最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、最大相对湿度(RHmax)、最小相对湿度(RHmin)、2 m风速(U2)及日照时数(n)作为影响参照蒸散发计算的基本气象因子，并分别与标准方法计算的参照蒸散发拟合，利用得到的相关系数和残差标准差，结合F检验和t检验的p值，判断各气象因子对参照蒸散发影响的敏感性大小。

相
关系数、残差标准差如表1所示。

从表1可以看出，每个气象因子构成的函数关系中，F统计量的p值与用于回归
系数检验的t统计量的p值均很小(远小于0.05)，这说明所选气象因子对参照蒸散发的影响都是显著的，与前人研究结果一致。

根据p值大小判断，在若尔盖地区，影响显著性最大的是最高气温和日照时数，其他依次为最低气温，最大相对湿度、最小相对湿度和风速。

各气象因子单独拟合方程的残差标准差从小到大依次为最高气温、日照时数、最低气温、最大相对湿度，最小相对湿度和风速。

气象因子敏感性越高，拟合后的残差标准值越小。

由此可得，在若尔盖地区，对参照蒸散发的影响敏感性最高的气象因子是最高气温，其次是日照时数、最低气温、最大相对湿度、最小相对湿度、风速。

当把平均温度和平均湿度两个因素分化为最高气温、最低气温、最大相对湿度、最低相对湿度后，较之低值，温度和湿度的高值对参照蒸散发的影响要更大、更显著。

2.1 优化模型的建立
经过多元线性回归的方程系数可能存在显著性不高的问题，甚至无法通过F和t检验，需要将回归方程最优化。

逐步回归就是在多元回归基础上进一步优化，以Akaike信息统计量为准则(简称AIC准则)，通过选择最小的AIC信息统计量来达
到删除或增加变量的目的。

在上述气象因子敏感性分析基础上，进行多元线性逐步回归，得到可以表征当地参照蒸散发的最优化拟合方程为
0.141 6n-0.013 5RHmin-0.010 7RHmax
相关系数R2=0.879 3，经过F检验p=2.2×10-16，残差标准差Rs=0.136 3。

进一步通过回归诊断，判断优化拟合方程的有效性。

通常，残差值位于[-2, +2]区间时认为是正常的；标准化残差的绝对值大于等于3的观测点被认为是异常点。

诊断结果表明，残差值位于[-0.3, +0.3]区间，标准残差值位于[-2.5, +2.5]之间，
试验点中不存在异常值；残差具有相同的分布且满足模型的各个假设条件。

因此，上述方程是有效、合理的。

2.2 模型的验证
P-M模型考虑了影响能量转换和相关潜热通量的所有因素，适应于湿润和干旱地
区的不同气候条件，其缺点是计算过程复杂、参数众多。

计算公式为
式中，ET0为参照蒸散发量，mm/d；Rn为地表净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤
热通量，MJ/(m2·d)；eS为平均饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；Δ
为饱和水汽压斜率，kPa/℃；γ为干湿表常数，kPa/℃；U2为2 m处风速，m/s。

利用通过检验的优化拟合方程，计算若尔盖湿地1980～2007年的月值参照蒸散
发量，并与P-M模型的计算结果进行比较，结果如图1所示。

图中直线方程为
y=x，直线上的点表示用P-M模型计算的ET0值。

由图1看出，优化模型的计算值与P-M模型计算值的偏差不超过±0.5 mm。

证明所建立的拟合方程可以取代复杂的P-M模型计算若尔盖地区的参照蒸散发。

本文采集若尔盖湿地1980～2007年的月值气象数据，基于气象因子敏感性分析，以国际认定的P-M模型为参照，建立了参照蒸散发计算优化模型。

利用单因子分
析法，结合共线性诊断、残差标准差、F检验和t检验，对气象因子的敏感性进行分析，认为最高温度对参照蒸散发量影响最大，其次是日照时间。

利用多元线性逐
步回归方法，得到该地区参照蒸散发计算的优化拟合方程，经过检验和回归诊断，认为该方程有效可信。

以P-M模型计算结果作为参照值，验证拟合方程的准确度。

结果发现，拟合方程计算简单、误差较小，非常适合基础数据采集较为困难的若尔盖湿地。

随着研究的进步和气象数据的健全，应该进一步在局地小气候条件下验证所得修正模型的实际适用性。

致谢
本文所引用的气象数据是由国家气象局信息中心提供，在此表示衷心感谢!
【相关文献】
[1] Allen R G,Pereira L S,Raes D.Crop evapotranspiraton:Guideline for Computing Crop Requirement[R].Rome:FAO Irrigation and Drainage Paper,1998.
[2] 梁丽乔，李丽娟，张丽,等.松嫩平原西部生长季参考作物参照蒸散发的敏感性分析[J].农业工程
学报，2008，24(5)：1-5.
[3] 王昊.芦苇湿地参照蒸散发测算方法及耗水预测研究[D].大连：大连理工大学，2006.。