Оценка методов расчета месячных значений потенциального испарения в аридном климате

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Университет Макгилла, Департамент науки о растениях

Калифорнийский государственный политехнический университет, Департамент науки о растениях

Тегеранский университет, Департамент лесного хозяйства и экономики леса

Калифорнийский университет, Департамент земельных, воздушных и водных ресурсов США

Оценка методов расчета месячных значений потенциального испарения в аридном климате

М. Назари

М.Р. Чаичи

Х. Камель

М. Грисмер

С.М.М. Садеги

Аннотация

Потенциальное испарение (ETo) играет ключевую роль при проектировании оросительных систем, а также в управлении водными ресурсами сельскохозяйственных экосистем при орошении и в богарных условиях. Несмотря на то, что в течение нескольких последних десятилетий было разработано много методов для оценки ETo, выбор метода существенно зависит от наличия измеренных климатических параметров. В сельскохозяйственных и экологических исследованиях для оценки ETo широко используется метод FAO-56PM, рекомендуемый экспертами Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН - ФАО (Food and Agriculture Organization of the United Nations - FAO). Однако для этого требуется несколько климатических параметров, которые не всегда доступны в развивающихся странах, особенно в засушливых регионах. Используя климатические данных девяти метеорологических станций, расположенных в засушливых регионах Ирана, мы рассчитали ETo по 13 распространенным и широко используемым уравнениям и оценили их эффективность по сравнению с результатами, полученными при использовании модели FAO- 56PM. В среднем, тремя лучшими методами, которые могли бы использоваться в качестве альтернативы уравнению FAO-56PM, являются уравнения Ирмака (Irmak et al., 2003), Харгривза-Самани (Hargreaves, Samani, 1985) и Харгривза (Hargreaves, 1975).

Ключевые слова: испарение, Иран, водообеспеченность, водный баланс, управление водными ресурсами.

Основная часть

Дефицит водообеспеченности является ключевым фактором, влияющим на урожайность сельскохозяйственных культур, и точная оценка потребностей сельскохозяйственных культур в воде имеет решающее значение при проектировании и управлении оросительными системами в засушливых и полузасушливых регионах. При сельскохозяйственных и климатологических исследованиях, мониторинге засух и гидрологических исследованиях по планированию и управлению оросительными системами необходима точная оценка (Sentelhas et al., 2010; Attarod et al., 2015a, 2016) испарения (ET). В регионах, где отсутствуют микрометеорологические станции, при измерениях ЕТ в ландшафтном пространственном масштабе возникают сложности с уровнем точности, необходимой для планирования управления водными ресурсами конкретных ферм. В отличие от напрямую измеряемых осадков и стока, ET обычно оценивается с помощью мето дов массопереноса, энергетического обмена или водного баланса (Enku, Melesse, 2013). В ограниченном масштабе или при экспериментальных исследованиях для измерения ET обычно используются испарители и лизиметры, применение которых является довольно трудоемки м и дорогостоящим. Микрометеорологические методы оценки фактического ЕТ, такие как метод энергетического баланса, использование отношения Боуэна и метод турбулентной диффузии, нашли широкое применение и улучшили понимание процесса испарения (Drexler et al., 2004). Сравнительно недавно разработанные методы энергетического баланса (McElrone et al., 2013) получают все большее признание, но все же требуют некоторой калибровки с полученными ранее значениями потенциального испарения (ETo). В развивающихся регионах эти методы могут быть слишком дорогостоящими для разработки и обслуживания, а необходимые данные отсутствуют. Некоторые альтернативные методы оценки ET хорошо работают в той области, для которой они разрабатываются, но при проверке в других климатических условиях работают плохо (Enku, Melesse, 2013).

При оценке ET посева обычно требуется определение потенциального испарения - ETo (Lopez-Urrea et al., 2006). Значение ETo определяется как испарение ET с хорошо развитого травяного покрова высотой 12 см, с фиксированным поверхностным сопротивлением 70 См/м и альбедо 0.23 (Allen et al., 1998). ET посева рассчитывается как произведение коэффициента посева (Kc) и ETo. При этом Kc зависит от вида культуры, стадии развития, проекционного покрытия и густоты стояния, а также влажности почвы (Kisi, 2013). Для оценки ETo разработано множество методов, которые можно классифицировать как основанные на температуре, основанные на радиации, метод испарителей, метод массообмена и комплексный метод, но оценки, полученные с их использованием в регионах с различными экосистемами, различаются (Gocic, Trajkovic, 2010). Метод Пенмана- Монтейта FAO-56PM (Kisi, 2013), - единственный общепринятый метод оценки ETo, который хорошо работает в различных климатических условиях по всему миру (Allen et al., 2005, 2006; Gocic, Trajkovic, 2010; Enku, Melesse, 2013; Attarod et al., 2015a, 2016). Использование физически обоснованного подхода FAO-56PM требует измерений ряда климатических параметров, которые могут быть недоступны на всех станциях (Enku, Melesse, 2013), особенно в развивающихся странах, где надежные наблюдения за радиацией, относительной влажностью и скоростью ветра ограничены и дороги (Gocic, Trajkovic, 2010; Tabari et al., 2013). В регионах, где недостаточно данных для использования уравнения Пенмана-Монтейта или его эквивалента, для оценки ETo можно использовать более простые методы, требующие меньше данных. Однако применение этих уравнений для оценки ETo данного региона должно быть сначала проверено с использованием лизиметрических измерений или модели FAO-56PM (Tabari et al., 2013).

Используя климатические данные 9 метеорологических станций, расположенных в засушливых регионах Ирана, нами на основании 13 широко распространенных и используемых уравнений выполнены оценки ETo и проведено их сравнение с данными, полученными по модели FAO-56PM.

Материалы и методы

Данные и уравнения потенциального испарения. В работе используются месячные климатические данные Метеорологической организации Ирана (IMO) по 9 метеостанциям, расположенным на территории Ирана, за период 1987-2016 гг. (табл. 1). Мы сравниваем значения

ETo, рассчитанные по 13 более простым уравнениям, с данными, полученными с использованием стандартного метода FAO-56PM для расчета ETo; уравнение Пенмана-Монтейта можно записать в виде (Allen et al., 1998):

водный сельскохозяйственный орошение

где ETo - потенциальное испарение (мм/сут); Rn - радиационный баланс (МДж/м²-сут); G - теплообмен в почве (МДж/м²-сут); у -психрометрическая константа, рассчитанная как 0.665/10 ³ P (кПа/°С); T - средняя месячная температура воздуха (°C); U2 - скорость ветра на высоте 2 м (м/с); e_s - насыщающая упругость водяного пара (кПа); е_а - упругость водяного пара (кПа); e,-e_a - дефицит влажности воздуха (кПа); А - производная насыщающей упругости водяного пара от температуры воздуха (кПа/°С). Расчет ETo проводился в соответствии с методом и техникой, приведенным в Главе 3 FAO-56PM (Allen et al., 1998).

Ниже приводятся более простые зависимости для оценки ETo, требующие меньшего количества информации. Уравнение Харгривза-Самани (Hargreaves, Samani, 1985), разработанное в Калифорнии, может быть записано как:

где Ra - солнечная радиация на границе атмосферы (МДж/м² сут); Tmax и Tmin - максимальная и минимальная суточная температура воздуха соответственно (°C). Этот метод дает лучшие результаты за недельные и более длительные периоды, при этом в литературе сообщалось о некоторых точных суточных оценках ETo. Г.Х. Харгривз и М.Е. Аллен (Hargreaves, Allen 2003) и Ф. Гао с соавтарами (Gao et al., 2017) выявили, что уравнение Харгривза-Самани является лучшим методом для оценки ETo в полуаридной области Китая. Если единственными доступным параметром является измеренная на станции температура воздуха, во многих исследованиях для расчета ETo рекомендуется использовать уравнение Харгривза-Самани (Allen et al., 1998; Sentelhas et al., 2010).

Таблица 1. Координаты и средние годовые данные (квадратическое отклонение ±SE) метеорологических станций Ирана за период 1987-2016 гг.

Результаты и обсуждение

В таблице 2 представлены среднесуточные значения ETo по месяцам, рассчитанные с использованием модели FAO-56PM по данным девяти станций. В течение года среднее суточное значение ETo в засушливых регионах Ирана составило 4.53 мм/сут с коэффициентом вариации 9.1% для значений в диапазоне от 3.83 до 5.17 мм/сут на всех 9 станциях. Максимальные значения ETo отмечаются в июле и составляют в среднем 7.39 мм/сут при наименьшем коэффициенте вариации, равном 6.6%; в то время как высокий коэффициент вариации (33.9%) наблюдается в декабре. Среди девяти станций наибольшее и наименьшее среднемесячное значение ЕТо наблюдалось на станциях Ахваз и Семнан, соответственно (табл. 2). В связи с тем, что более 60% годовой величины ETo приходится на период с мая по сентябрь, когда изменчивость ETo между станциями также является наименьшей, с точки зрения планирования использования водных ресурсов мы рассматриваем эффективность методов оценки ETo за этот период отдельно.

Таблица 2. Среднесуточные значения ETo (мм) по месяцам, рассчитанные с использованием метода FAO-56PM для девяти засушливых станций Ирана.

Примечание к таблице 2, 3 и 4. * - Номера станций в таблицах 2, 3 и 4 соответствуют таковым в таблице 1.

В таблице 3 представлены критерии эффективности использования каждого из упрощенных уравнений для оценки суточных значений ETo по сравнению с данными, полученными по методу Пенмана-Монтейта FAO-56PM, с учетом всех 12 месяцев года, и в таблице 4 - за период с мая по сентябрь, когда отмечаются высокие значения ETo при их малой изменчивости. На станциях Ахваз, Бандар-Абасс, Кум и Семнан при расчетах ETo по упрощенному уравнению (3) С. Ирмака c соавторами (Irmak et al., 2003) наблюдаются наименьшие значения RMSE и AIC при наибольших CE. На станциях Бирджанд, Керман и Мешхед лучшим по критериям эффективности упрощенным методом оценки ETo является уравнение (10) П. Дрюгерса и Р.Г. Аллена (Droogers, Allen, 2002), а лучший метод оценки ETo в Исфахане - это уравнение (12), также предложенное П. Дрюгерсом и Р.Г. Алленом (Droogers, Allen, 2002). Для последней станции Йезд наилучшим методом является уравнение (14), предложенное С. Трайковичем (Trajkovic, 2007). Таким образом, упрощенным уравнением для расчета ETo, которое имеет наименьшие значения RMSE и AIC при наибольшей эффективности для всех станций при оценки суточных значений ETo по месяцам, является уравнение (3) С. Ирмака с соавторами (Irmak et al., 2003).

Таблица 3. Значения критериев эффективности каждого метода для всех станций за 12 месяцев.

Для периода с высокими значениями ETo (табл. 4) уравнение (3) С. Ирмака с соавторами (Irmak et al., 2003) является лучшим для применения на 4 станциях, а именно: Ахваз, Бандар-Аббас, Кум и Семнан. Уравнение (4) Г.Х. Харгривза (Hargreaves, 1975) является наилучшим методом оценки ETo на станциях Бирджанд и Мешхед. Наилучшими методами оценки ETo на станциях Исфахан, Керман и Йезд являются уравнения: (12) - П. Дрюгерса и Р.Г. Аллена (Droogers, Allen, 2002), (5) - С. Александриса с соавторами (Alexandris et al., 2008) и (9) - Л. Тюрка (Turc, 1961), соответственно.

Таблица 4. Значения критериев эффективности каждого метода для всех станций за 5 месяцев с мая по сентябрь

В целом, упрощенное уравнение для расчета ETo в период высоких значений, которое имеет наименьшее RMSE и AIC при наибольшей эффективности для всех станций при оценки суточных значений ETo по месяцам - это уравнение (3) С. Ирмака с соавторами (Irmak et al., 2003). Оценка ETo для менее освещенных районов, где непрерывные метеорологические данные отсутствуют, является проблемой. Упрощенные методы оценки суточных значений ETo основаны на эмпирически выведенных уравнениях, в которых используются данные о местной суточной температуре, радиации и относительной влажности, и обычно предполагается, что они применяются только в узких географических пределах. Большинство методов оценки ETo разработаны для регионов с аридным и семиаридным климатом в связи с необходимостью получения более полной информации как, например, при разработке проектов, связанных с водными ресурсами. В результате оценок, выполненных на основании данных девяти метеорологических станций, установлено, что для засушливых регионов Ирана расчеты по уравнению Ирмака суточных значений ETo по месяцам как для всего года, так и для периода высоких значений ETo (с мая по сентябрь), дают лучшие результаты.

В статье оценена эффективность 13 уравнений для расчета потенциального испарения по отношению к уравнению Пенмана-Монтейта ФАО-56PM в засушливых условиях Ирана. Показано, что тремя лучшими методами, которые могли бы использоваться в качестве альтернативы этому уравнению FAO-56PM, являются уравнения Ирмака (Irmak et al., 2003), Харгривза-Самани (Hargreaves, Samani, 1985) и Харгривза (Hargreaves, 1975). Тем не менее, эти уравнения должны быть откалиброваны для местных условий и проверены с использованием большого числа данных метеорологических станций, охватывающих несколько лет, для учета изменчивости климатических параметров. Результаты данного исследования могут представлять интерес для агенств по управлению водными ресурсами, специалистов в области ирригации и научных сотрудников при выборе метода для более точных оценок ETo в засушливых регионах Ирана для целей орошения, управления водными ресурсами и анализа водного баланса, что может способствовать более эффективному и устойчивому использованию водных ресурсов.

Список литературы

1. Akaike H. 1974. A new look at the statistical model identification // IEEE Trans. Aut. Cont. Vol. 19. P. 716-723.

2. Alexandris S., Kerkides P., Liakatas A. 2006. Daily reference evapotranspiration estimates by the Copais approach // Agricultural Water Management. Vol. 82. P. 371-386.

3. Alexandris S., Stricevic R., Petkovic S. 2008. Comparative analysis of reference evapotranspiration from the surface of rainfed grass in central Serbia, calculated by six empirical methods against the Penman-Monteith formula // European Water. Vol. 21. Pp. 17-28.

4. Allen R.G., Clemmens A.J., Burt C.M., Solomon K., O'Halloran T. 2005. Prediction accuracy for project wide evapotranspiration using crop coefficients and reference evapotranspiration // Journal of Irrigation and Drainage Engineering. Vol. 131. P. 24-36.

5. Allen R.G., Pereira L.S., Raes D., Smith M. 1998. Crop evapotranspiration // FAO Irrigation and Drainage. Paper 56. Rome. [Электронный ресурс https://library.wmo.int/index.php?lvl=coll_see&id=17#.XozHoWD-sqc (Дата обращения 20.11.2019)].

6. Allen R.G., Pruitt W.O., Wright J.L., Howell T.A., Ventura F., Snyder R., Itenfisu D., Steduto P., Berengena J., Beselga J., Smith M., Pereira L.S., Raes D., Perrier A., Alves I., Walter I., Elliott R. 2006. A recommendation on standardized surface resistance for hourly calculation of reference ET 0 by the FAO56 Penman-Monteith method // Agricultural Water Management. Vol. 81. P. 1-22.

7. Attarod P., Kheirkhah F., Khalighi Sigaroodi S., Sadeghi S.M.M. 2015a. Sensitivity of reference evapotranspiration to global warming in the Caspian region, north of Iran // Journal of Agricultural Science and Technology. Vol. 17. P. 869-883.

8. Attarod P., Rostami F., Dolatshahi A., Sadeghi S.M.M., Zahedi Amiri G., Bayramzadeh V. 2016. Do changes in meteorological parameters and evapotranspiration affect declining oak forests of Iran? // Journal of Forest Science. Vol. 62. P. 553-561.

9. Attarod P., Sadeghi S.M.M., Fathizadeh O., Motahari M.A., Rahbari Sisakht S., Ahmadi M.T., Bayramzadeh V. 2015b. Temperature- and radiation based methods against the standard FAO Penman- Monteith for estimating the reference evapotranspiration (ET0) in Gorgan // Journal of forest and wood products. Vol. 68. P. 359-369.

10. Bautista F., Bautista D., Delgado-Carranza C. 2009. Calibration of the equations of Hargreaves and Thornthwaite to estimate the potential evapotranspiration in semi-arid and subhumid tropical climates for regional applications // Atmosfera. Vol. 22. P. 331-348.

11. Berti A., Tardivo G., Chiaudani A., Rech F., Borin M. 2014. Assessing reference evapotranspiration by the Hargreaves method in north-eastern Italy // Agricultural Water Management. Vol. 140. P. 20-25.

12. Drexler J.Z., Snyder R.L., Spano D., Paw K.T. 2004. A review of models and micrometeorological methods used to estimate wetland evapotranspiration // Hydrological Processes. Vol. 18. P. 2071-2101.

13. Droogers P., Allen R. G. 2002. Estimating reference evapotranspiration under inaccurate data conditions // Irrigation and

14. Drainage Systems. Vol. 16. P. 33-45.

15. Enku T., Melesse A.M. 2013. A simple temperature method for the estimation of evapotranspiration // Hydrological Processes. Vol. 28. P. 2945-2960.

16. Gao F., Feng G., Ouyang Y., Wang H., Fisher D., Adeli A., Jenkins J. 2017. Evaluation of reference evapotranspiration methods in arid, semiarid, and humid regions // Journal of the American Water Resources Association. Vol. 53. P. 791-808.

17. Gocic M., Trajkovic S. 2010. Software for estimating reference evapotranspiration using limited weather data // Computers and Electronics in Agriculture. Vol. 71. P. 158-162.

18. Hargreaves G.H., Samani Z.A. 1985. Reference crop evapotranspiration from temperature // Applied Engineering in Agriculture. Vol. 1. P. 96-99.

19. Hargreaves G.H., Allen R.G. 2003. History and evaluation of Hargreaves evapotranspiration equation // Journal of Irrigation and Drainage Engineering. Vol. 129. Pp. 53-63.

20. Hargreaves G.H. 1975. Moisture availability and crop production // Trabsaction of the ASAE. Vol. 18. P. 980-984.

21. Irmak S., Irmak A., Allen R.G., Jones J.W. 2003. Solar and net radiation-based equations to estimate reference evapotranspiration in humid climates // Journal of Irrigation and Drainage Engineering. Vol. 129. P. 336-347.

22. Jensen M.E., Haise H.R. 1963. Estimation of evapotranspiration from solar radiation // Journal of the Irrigation and Drainage Division. Vol. 89. P. 15-41.

23. Jensen M.E., Burman R.D., Allen R.G. 1990. Evapotranspiration and Irrigation Water Requirements // American Society of Civil Engineers: New York. P. 332.

24. Kisi O. 2013. Comparison of different empirical methods for estimating daily reference evapotranspiration in Mediterranean climate // Journal of Irrigation and Drainage Engineering. Vol. 140. [Электронный ресурс https://ascelibrary.org/doi/full/10.1061/%28ASCE%29IR.1943-4774.0000664 (Дата обращения 20.11.2019)].

25. Lopez-Urrea R., Martin de Santa Olalla F., Fabeiro C., Moratalla A. 2006. Testing evapotranspiration equations using lysimeter observations in a semiarid climate // Agricultural Water Management. Vol. 85. P. 15-26.

26. McElrone A.J., Shapland T.M., Calderon A., Fitzmaurice L., Paw K.T., Snyder R.L. 2013. Surface renewal: an advanced micrometeorological method for measuring and processing field-scale energy flux density data // Journal of Visualized Experiments. Vol. 82. [Электронный ресурс https://www.jove.com/video/50666/surface-renewal-an- advanced-micrometeorological-method-for-measuring (Дата обращения 20.11.2019)].

27. Nash J.E., Sutcliffe J. V. 1970. River flow forecasting through conceptual models 1: a discussion of principles // Journal of Hydrology. Vol. 10. P. 282-290.

28. Ravazzani G., Corbari C., Morella S., Gianoli P., Mancini M. 2012. Modified Hargreaves-Samani equation for the assessment of reference evapotranspiration in Alpine River basins // Journal of Irrigation and Drainage Engineering.Vol. 138. P. 592-599.

29. Sadeghi S.M.M., Attarod P., Van Stan J.T., Pypker T.G., Dunkerley D. 2015. Efficiency of the reformulated Gash's interception model in semiarid afforestations // Agricultural and Forest Meteorology. Vol. 201. Pp. 76-85.

30. Sadeghi S.M.M., Van Stan J.T., Pypker T.G., Friesen J. 2017. Canopy hydrometeorological dynamics across a chronosequence of a globally invasive species, Ailanthus altissima (Mill, tree of heaven) // Agricultural and Forest Meteorology. Vol. 240. P. 10-17.

31. Salih A.M., Sendil U. 1984. Evapotranspiration under extremely arid climates // Journal of Irrigation and Drainage Engineering. Vol. 110. Pp. 289-303.

32. Sentelhas P.C., Gillespie T.J., Santos E.A. 2010. Evaluation of FAO Penman-Monteith and alternative methods for estimating reference evapotranspiration with missing data in Southern Ontario, Canada // Agricultural Water Management. Vol. 97. P. 635-644.

33. Tabari H., Grismer M.E., Trajkovic S. 2013. Comparative analysis of 31 reference evapotranspiration methods under humid conditions // Irrigation Science

34. Trajkovic S., Stojnic V. 2007. Effect of wind speed on accuracy of Turc method in a humid climate // Facta universitatis - series: Architecture and Civil Engineering. Vol. 5. P. 107-113.

35. Trajkovic S. 2007. Hargreaves versus Penman-Monteith under humid condition // Journal of Irrigation and Drainage Engineering. Vol. 133. P. 38-42.

36. Turc L. 1961. Evaluation des besoins en eau irrigation, l'evapotranspiration potentielle // Annales Agronomiques. Vol. 12. P. 13-49.

37. Valiantzas D.J. 2013. Simplified forms for the standardized FAO-56 Penman-Monteith reference evapotranspiration using limited data // Journal of Hydrology. Vol. 505. P. 13-23.

Размещено на Allbest.ru