作物蒸腾量-彭曼(penman)计算方法

四、作物蒸腾量ETc的计算流程4.1ETc计算方法的选择作物蒸腾量由参考作物蒸腾量ET0和作物蒸腾系数Kc乘积确定。目前，计算参考作物蒸腾量（ET0）的方法主要有蒸发皿法、Penman-monteith、Blaney-Criddle、Priestly-Taylor、Hargreaves和FAO-24Radiation等方法。Penman-monteith、Blaney-Criddle、Priestly-Taylor、Hargreaves和FAO-24Radiation等公式都是采用环境参数、如空气温度、空气湿度、风速等经过计算获得参考作物蒸腾量。由于Penman-monteith公式使用常规气象资料即可求得ET0，特别是在变化的气候环境，计算时间尺度较短的情况下，研究证明Penman-monteith公式计算精度优于其它公式，又具有易于操作等应用价值，故采用Penman-monteith公式计算参考作物蒸腾量ET0。4.2ETc的计算过程植物蒸腾量ETc由参考作物蒸腾量ET0和作物系数Kc决定，ETc的计算方法如式6所示。𝐸𝑇𝑐=𝐸𝑇0×𝐾𝑐（6）Penman-monteith公式依据的是能量平衡原理和水汽扩散原理及空气的热导定律，1948年由英国的科学家彭曼提出，由于它的准确性和易操作性，为作物ET0的计算开辟了一条严谨和标准化的新途径，FAO-56重新将Penman-monteith公式推荐为新计算ET0的标准方法，成为当前国内外通用的计算ET0的主流，并编入我国《灌溉试验规范》，是现今被广泛应用来计算作物蒸腾量的方法。Penman-monteith公式以时间尺度分为小时、天和月三种计算方法，在能够获取小时环境数据的情况，小时为尺度的Penman-monteith公式更为准确。本文采用小时计算方法计算当前的ET0，采用天计算方法预测未来三天的ET0。Penman-monteith公式以小时为尺度的计算公式如式7。𝐸𝑇0=0.408Δ(𝑅𝑛−G)+γ37𝑇ℎ𝑟𝑢2(𝑒𝑠−𝑒𝑎)Δ+γ(1+0.34𝑢2)（7）其中各变量的含义为：ET0[mmday-1]，小时内的参考作物蒸发量；Rn[MJm-2day-1]，小时内的作物表面的平均净辐射；G[MJm-2day-1]，土壤热通量；𝑇ℎ𝑟[°C]，小时内的平均温度；u2[ms-1]，小时内两米处的平均风速；es[kPa]，饱和水汽压；ea[kPa]，实际水汽压；D[kPa°C-1]，Δ为饱和水汽压温度曲线上的斜率（kPa/℃）；r[kPa°C-1]，γ为温度计常数（kPa/℃）。公式中，T、u2可以通过测量获得，γ、es、ea、Δ、Rn可以利用可获取的参数通过计算获得，G一般认为夜间是Rn的0.5倍，白天是Rn的0.1倍。温度计常数γ与大气压力相关，在已知海拔高度的情况下可以利用公式8计算得到。γ=0.665×10−3×101.3(293−0.0065𝑧293)5.26（8）其中z为海拔高度。es为饱和水汽压，是一个与温度相关的参数，可以通过公式9获得。𝑒𝑠=𝑒0(𝑇ℎ𝑟)=0.6108𝑒𝑥𝑝[17.27𝑇ℎ𝑟𝑇ℎ𝑟+237.3]（9）𝑒𝑎为实际的水汽压，在已知空气湿度的情况下，可以由公式10计算获得。𝑒𝑎=𝑒0(𝑇ℎ𝑟)𝑅𝐻𝑚𝑒𝑎𝑛100（10）RHmean小时内的平均空气湿度。Δ为饱和水汽压温度曲线上的斜率，它是一个空气温度的函数，可以由公式11计算得到∆=4098[0.6108𝑒𝑥𝑝(17.27𝑇ℎ𝑟𝑇ℎ𝑟+237.3)](𝑇ℎ𝑟+237.3)2（11）小时内作物表面的平均净辐射Rn由净太阳辐射与净长波辐射的差决定，如公式12。净太阳辐射可以由式13计算，式13中Rs为太阳辐射传感器获取的数值，α为作物表面的反射率。净长波辐射Rnl可以利用宇宙辐射Ra，平均温度Thr，太阳辐射Rs和实际的水汽压ea利用公式14计算获得，宇宙辐射的计算方法如公式15。公式15中的𝜑、𝛿、𝜔1、𝜔2在已知经纬度和时间的情况下可以通过计算获得。𝑅𝑛=𝑅𝑛𝑠−𝑅𝑛𝑙（12）Rns净太阳辐射，Rnl净长波；Ra宇宙辐射。辐射。𝑅𝑛𝑠=(1−𝛼)𝑅𝑠（13）𝑅𝑛𝑙=𝜎[𝑇ℎ𝑟42](0.34−0.14√𝑒𝑎)(1.35𝑅𝑠(0.75+2×10−5)𝑅𝑎−0.35)（14）𝑅𝑎=12(60)𝜋𝐺𝑠𝑐𝑑𝑟[(𝜔2−𝜔1)sin(𝜑)sin(𝛿)+𝑐𝑜𝑛(𝜑)cos(𝛿)(sin(𝜔2)−sin(𝜔1))]（15）Gsc[MJm-2min-1,]，太阳系数=0.0820；dr[m]太阳到地球的距离；d[rad]太阳入射角；j[rad]经度；w1[rad]太阳起始入射角；w2[rad]太阳最终入射角。通过以上方法的计算，可以获得每个小时的ET0，对于每天的ET0可以用累加的方法获得。在进行未来ET0预测时，主要依靠气象部门提供的天气预报数据，无法得到精确的每小时的数值。为此，在预测ET0时，采用了以天为尺度的Penman-monteith公式，如公式15。以天为尺度的Penman-monteith公式与以小时为尺度的Penman-monteith公式的主要区别在于空气温度由最高气温与最低气温的平均值确定。另外，目前可获取的气象预报信息中，还没有包括太阳辐射，因此，太阳辐射可以根据公式16获得。由于气象预报中的风速多为距地面10米处的风速，需要将其转换为距地面2米的风速，其转换公式为是17。推荐值as=0.25，bs=0.50。𝐸𝑇0=0.408Δ(𝑅𝑛−G)+γ900𝑇+273𝑢2(𝑒s−𝑒𝑎)Δ+γ(1+0.34𝑢2)（15）𝑅𝑠=(𝑎𝑠+𝑏𝑠𝑛𝑁)𝑅𝑎（16）n[hour]实际日照时数；N[hour]最大可能日照时数；n/N[-]日照系数；Ra[MJm-2day-1]星际辐射；as星际辐射回归系数（阴天，n=0）；as+bs到地球星际辐射衰减系数（晴天，n=N）。𝑢2=𝑢𝑧4.87ln(67.8𝑧−5.42)（17）Uz为距地面z米的风速，气象预报中的风速多为距地面10米处的风速U10。参考作物蒸腾量与作物系数Kc的乘积就是作物蒸腾量，作物系数（Kc）与叶面积指数（LAI）具有高度相关性,其拟合模型为如公式18，叶面积指数可以采用专业设备获取，通常采用本地区作物不同生育期典型值代入。𝐾𝑐=0.4280𝐿𝐴𝐼0.6988（18）