殷昌軍,桂東偉*,劉云飛,張 磊,薛冬萍,劉 毅
(1.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊830011;2.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,新疆 策勒848300;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049)
【研究意義】潛在蒸散量是區(qū)域水文循環(huán)和能量平衡中一個(gè)重要環(huán)節(jié),是影響氣候與環(huán)境變化的最重要因素之一[1-2],在不同時(shí)空尺度能量和水文循環(huán)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[3]。特別是在生態(tài)脆弱和對(duì)全球變化敏感的干旱地區(qū)[4],各自然要素時(shí)空分布極不均勻,潛在蒸散量的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于該區(qū)域?qū)嶋H蒸散量的估算、干旱程度的評(píng)價(jià)和氣候變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)等方面具有重要意義[5-6]。
【研究進(jìn)展】潛在蒸散量的計(jì)算方法較多,大體上按影響因素可以分為綜合法、輻射法、質(zhì)量傳輸法和溫度法4 類[7-9]。以往針對(duì)干旱區(qū)潛在蒸散量的研究主要關(guān)注蒸發(fā)量在不同時(shí)空尺度上的變化[10-11]。然而,研究中所使用的蒸發(fā)計(jì)算模型并不是在每個(gè)地區(qū)都適用。其中最常用的就是將聯(lián)合國糧農(nóng)組織建議的Penman-Monteith(P-M)公式[13]的計(jì)算結(jié)果作為基準(zhǔn)值與其他模型相比較[14-18],并判斷這些模型的適用性。但是Rosenberry 等[19]研究發(fā)現(xiàn)P-M 公式這類同時(shí)需要太陽輻射和空氣溫度的方法計(jì)算結(jié)果有時(shí)并不比基于空氣溫度的方法具有優(yōu)勢(shì),并且基于溫度的方法在某些研究區(qū)域更經(jīng)濟(jì)有效,計(jì)算結(jié)果也更精準(zhǔn)。Majidi 等[20]在研究中發(fā)現(xiàn),在使用月時(shí)間步長數(shù)據(jù)時(shí),Makkink 等輻射-溫度方法具有合理的精度。陰曉偉等[21]研究發(fā)現(xiàn)中國西北干旱區(qū)1964—2018年不同時(shí)期,潛在蒸散量受到不同氣象因素的影響程度具有一定的區(qū)別。鐘巧等[22]在對(duì)新疆博斯騰湖流域潛在蒸散量的歸因分析時(shí)發(fā)現(xiàn)山區(qū)和平原地區(qū)的潛在蒸散量變化的主導(dǎo)因素存在差異?!厩腥朦c(diǎn)】由于不同地區(qū)影響潛在蒸散量的因素具有差異,不同模型對(duì)不同氣象要素的敏感程度不同,在計(jì)算潛在蒸散量時(shí)需要選取適宜當(dāng)?shù)氐哪P鸵蕴岣哂?jì)算精度,不能簡單地以P-M 公式計(jì)算結(jié)果作為潛在蒸散量的基準(zhǔn)值,它在不同地區(qū)的適用性同樣需要進(jìn)行評(píng)價(jià)。特別是在新疆地區(qū),由于相關(guān)研究較少,南北疆氣候條件(如地表反射率、風(fēng)速、水汽壓和云量等)存在差異[23],這些差異必然會(huì)導(dǎo)致同一潛在蒸散量估算方法在不同地區(qū)得到的蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果存在差異性[24-25]?!緮M解決的關(guān)鍵問題】有必要驗(yàn)證估算方法的區(qū)域適用性,確保所選方法的計(jì)算結(jié)果能夠較為精確地反映當(dāng)?shù)卣舭l(fā)情況。
本研究利用新疆16 個(gè)氣象站點(diǎn)1970—2015年的實(shí)測(cè)氣象資料,采用不同方法計(jì)算各站歷年逐月潛在蒸散量,對(duì)不同站點(diǎn)的潛在蒸散量的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,并以實(shí)測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)估算的潛在蒸散量為標(biāo)準(zhǔn),使用隨機(jī)森林模型對(duì)不同氣象要素的權(quán)重進(jìn)行分析,最后選取“逼近理想解的排序法”即TOPSIS 模型[26],通過每種計(jì)算方法的相關(guān)性、精度、靈敏度指標(biāo)對(duì)模型的適用性進(jìn)行排序,提出適合于新疆不同區(qū)域的蒸發(fā)量計(jì)算模型。
新疆地處東經(jīng) 73°40′—96°18′ , 北緯34°25′—48°10′之間,幅員遼闊,地形復(fù)雜,為明顯的溫帶大陸性氣候。天山橫亙于新疆中部,將新疆分為南北兩半,天山以北為北疆,天山以南為南疆。新疆氣溫溫差大,降水量少,氣候干燥,年平均降水量約為150 mm,但各地降水量相差很大,與北疆相比,南疆的氣溫更高、降水更少。
地區(qū)之間的氣候差異巨大,因此潛在蒸散量在地區(qū)之間存在很大差異。本文選取在新疆均勻分布的16 個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析,站點(diǎn)的分布如圖1 所示,所使用的數(shù)據(jù)主要為1970—2015年的逐日實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。其中潛在蒸散量標(biāo)準(zhǔn)值由各臺(tái)站內(nèi)E601B 型蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合前人研究得到的全國蒸發(fā)皿系數(shù)分布結(jié)果[27]計(jì)算得到。
圖1 新疆地區(qū)氣象站點(diǎn)空間分布示意Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in Xinjiang
本文共使用了7 種潛在蒸散量估算方法,包括1種綜合法(Penman-Monteith(P-M,簡稱)[28])、3 種輻射法(Priestley-Taylor(P-T,簡稱)[29]、Hargreaves(Harg,簡稱)[30]、Makkink[31])、1 種質(zhì)量傳輸法(Penman[32])以及2 種基于溫度的估算方法(Hamon[9]、Mc Cloud(MC,簡稱)[33])進(jìn)行比較分析(表1)。
表1 潛在蒸散量估算方法Table 1 Methods of estimating potential evapotranspiration
表1 中ETp為潛在蒸散量(mm/d)(在后續(xù)公式中如若特殊說明,ETp單位均為此);G為土壤熱通量密度(MJ/(m2·d));Rn為作物表面的凈輻射(MJ/(m2·d));γ為干濕計(jì)常數(shù)(kPa/℃);Ta為2 m 高處的日平均氣溫(℃);es為飽和水汽壓(kPa);ea為實(shí)際水汽壓(kPa);Δ為溫度-飽和水氣壓關(guān)系曲線T處的斜率(kPa/℃);u2為2 m 高處風(fēng)速(m/s);其中G值較小,在計(jì)算過程中忽略不計(jì);αPT是經(jīng)驗(yàn)系數(shù),假設(shè)無平流的條件下Priestley-Taylor 推薦取1.26;λ為汽化潛熱,取值2.45(MJ/kg);Rs為短波輻射(MJ/(m2·d));D為日照時(shí)間(h);SVD為平均溫度下的飽和水汽密度(g/m2);Eα=(6.43(1+0.54u2(es-ea))/λ);其余符號(hào)意義及單位與相應(yīng)參考文獻(xiàn)相同。
2.2.1 準(zhǔn)確度指標(biāo)
為了客觀地評(píng)價(jià)分析結(jié)果,采用相關(guān)系數(shù)(r)、納什效率系數(shù)(NSE)、均方根誤差(RSME)和平均相對(duì)誤差(MRE)4 種評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)7 種方法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性、結(jié)果誤差和模型質(zhì)量,r越接近1,RMSE越小,MRE越接近于0,表明計(jì)算結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果差異越小,反之則差異越大。NSE取值為負(fù)無窮至1,NSE接近1,表示模型質(zhì)量好,模型可信度高;NSE接近0,表示模擬結(jié)果接近觀測(cè)值的平均值水平,即總體結(jié)果可信,但過程模擬誤差大;NSE遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0,則模型是不可信的。
為了探究不同站點(diǎn)潛在蒸發(fā)量的主要影響因素,選擇隨機(jī)森林算法判斷平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和凈輻射量對(duì)潛在蒸散量的影響程度。隨機(jī)森林算法通過抽取多個(gè)不同的訓(xùn)練樣本集和隨機(jī)選取節(jié)點(diǎn)分類特征來增大分類模型之間的相異性,從而提高模型的泛化和預(yù)測(cè)能力,具有精度高和性能穩(wěn)定的特點(diǎn),可用來進(jìn)行分類、擬合和預(yù)測(cè)。另外,隨機(jī)森林還能計(jì)算指標(biāo)的相對(duì)重要性,模型提供2 種參數(shù)重要性的評(píng)價(jià)指標(biāo),平均準(zhǔn)確度下降值(Mean Decrease Accuracy)和Gini值(Mean Decrease Gini),2 種指標(biāo)均為無量綱。本文選取平均準(zhǔn)確度下降值作為參數(shù)重要性的評(píng)價(jià)指標(biāo),該指標(biāo)的基本思想是把一個(gè)變量變?yōu)殡S機(jī)數(shù)后,觀測(cè)隨機(jī)森林預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的降低程度,該值越大表示該變量的重要性越大。
2.2.2 敏感性指數(shù)
在通常情況下,數(shù)據(jù)和輸入變量的不確定性通常是未知的[34]。每個(gè)蒸發(fā)公式都各自包含一組變量。這些變量的測(cè)量或多或少都會(huì)存在一定的誤差,這些誤差可能源于儀器校準(zhǔn)不當(dāng)、測(cè)量地點(diǎn)不合適、外部因素對(duì)測(cè)量裝置的影響以及讀取數(shù)值時(shí)的誤差。每個(gè)蒸發(fā)公式都對(duì)所涉及的變量表現(xiàn)出敏感性。本文評(píng)估了蒸發(fā)公式對(duì)輸入變量的敏感性,允許這些變量在其觀測(cè)值的±10%范圍內(nèi)確定或隨機(jī)變化[34]。
根據(jù)誤差的來源和類型,設(shè)置了5 種情景來計(jì)算和分析模型的敏感性。第1 場(chǎng)景和第2 場(chǎng)景分別對(duì)模型的每個(gè)變量施加+10%或-10%的變化,而其他變量保持不變,以評(píng)估計(jì)算結(jié)果相對(duì)于受變化的變量的百分?jǐn)?shù)的敏感性。第3 場(chǎng)景和第4 場(chǎng)景單獨(dú)為模型的每個(gè)輸入變量施加一個(gè)(0,+10%)或(-10%,0)范圍的隨機(jī)變化。第5 個(gè)場(chǎng)景則是對(duì)模型的每個(gè)變量施加1個(gè)(-10%,+10%)范圍的隨機(jī)變化。
每個(gè)模型的總靈敏度是針對(duì)不同情境下的每個(gè)變量計(jì)算的。將蒸發(fā)計(jì)算模型對(duì)應(yīng)的5 種情景總靈敏度計(jì)算式為:
式中:Aij為第i種方法對(duì)靈敏度情景j的總靈敏度;M為樣本總數(shù);Yijk為第i種方法對(duì)其第k個(gè)變量的靈敏度,并與靈敏度情景j相對(duì)應(yīng)。并非所有變量都存在于每種方法中,這意味著對(duì)于第i種方法中不存在的變量,其靈敏度為0。
TOPSIS 模型又稱“逼近理想解的排序法”,是一種距離綜合評(píng)價(jià)法。其原理為檢測(cè)出評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)值、最劣值的加權(quán)歐式距離,再計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與理想值的貼近度,進(jìn)行優(yōu)劣排序。
實(shí)現(xiàn)TOPSIS 的步驟首先是創(chuàng)建一個(gè)判斷矩陣V(式(2)),設(shè)有樣本數(shù)為m,指標(biāo)數(shù)為n:
第一步,數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化:由于不同指標(biāo)的量綱可能不同,為使各指標(biāo)具有可比性,需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理,即標(biāo)準(zhǔn)化,得到?jīng)Q策矩陣Y:
第二步,確定指標(biāo)權(quán)重,構(gòu)建加權(quán)的決策矩陣:采用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重Wn,建立加權(quán)判斷矩陣Z:
第三步,根據(jù)加權(quán)判斷矩陣確定各指標(biāo)的最優(yōu)解和最劣解
第四步,計(jì)算各目標(biāo)值與理想值之間的歐氏距離和
第五步,確定貼進(jìn)度Ci:
Ci值越接近于1,證明該對(duì)象與理想值越靠近,即對(duì)象相對(duì)較優(yōu),最終按貼進(jìn)度由大到小進(jìn)行排序。
7 種潛在蒸散量計(jì)算模型與標(biāo)準(zhǔn)值在所有站點(diǎn)計(jì)算的多年月均潛在蒸散量的變化過程如圖2 所示。
從圖2 可以看出,7 種估算方法得到的潛在蒸散量與標(biāo)準(zhǔn)值的多年月均值變化趨勢(shì)基本一致,均表現(xiàn)為“夏季高,冬季低”的變化特征,最高值出現(xiàn)在7月,最低值出現(xiàn)在1月或12月。在大多數(shù)站點(diǎn)Makkink模型與P-M 模型的計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)值最為接近,Hamon模型的計(jì)算值與其他方法相差最大。MC 模型的計(jì)算值則與其他模型的變化趨勢(shì)最不一致,這可能是由于溫度法僅將溫度作為唯一考慮的氣象因子有關(guān)。
圖2 基準(zhǔn)值與7 種模型計(jì)算ETp 的多年月均變化比較Fig.2 The comparison of multi-year average ETp by month estimated by benchmark value and other seven methods
為了進(jìn)一步比較這些模型的計(jì)算結(jié)果與潛在蒸散量值的相似性與準(zhǔn)確性,利用r、MRE、RSME與NSE對(duì)其進(jìn)行誤差分析,結(jié)果見表2。
從表2 可以看出,溫度法(Hamon、MC)的計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的r在所有地區(qū)都為最小值,其中Hamon 模型的相關(guān)系數(shù)雖然較MC 方法略高,但是其NSE在所有站點(diǎn)都為負(fù)數(shù),且遠(yuǎn)小于0,說明其在這些地區(qū)計(jì)算結(jié)果質(zhì)量較差。與此同時(shí),Hamon 與MC 模型的MRE和RSME都高于其他模型計(jì)算結(jié)果,說明這2 個(gè)模型質(zhì)量較差,是不可信的;輻射法在所有站點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果與蒸發(fā)皿估算值的相關(guān)系數(shù)均在0.94 以上,NSE都較接近于1,并且MRE和RSME在所有模型中也處于較低水平,說明輻射法整體計(jì)算結(jié)果較好,可信度較高;綜合法P-M 模型與Penman模型相比,其各指標(biāo)參數(shù)結(jié)果在所有站點(diǎn)都較為穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)在某個(gè)站點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算差異過大,說明P-M 模型在所有站點(diǎn)具有一定的廣泛適用性,而Penman 模型計(jì)算得到的指標(biāo)參數(shù)則在不同站點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的差異性,說明其具有明顯的地區(qū)適用性。
結(jié)合圖2、表2 可知,各站點(diǎn)的綜合法P-M 模型計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的變化過程基本保持一致,NSE總體上在0.8 左右,但MRE較輻射法略高;質(zhì)量傳輸法中的Penman 模型的r、MRE和NSE在所有模型中均處在中間水平,但變化過程與蒸發(fā)皿估算值吻合度不如輻射法和P-M 法;輻射法中的Makkink 模型計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的變化過程吻合度很高,r均在0.95以上,平均相對(duì)誤差和均方根誤差總體較低,整體估算質(zhì)量要優(yōu)于質(zhì)量傳輸法和輻射法中的其他方法。
表2 基準(zhǔn)值與7 種模型計(jì)算月ETp 的結(jié)果Table 2 Monthly ETp calculated by benchmark value and seven methods
綜合來看,7 種估算方法中,輻射法整體估算精度優(yōu)于其他方法,其中Makkink 模型計(jì)算精度最佳,綜合法P-M 模型和標(biāo)準(zhǔn)值的相關(guān)性最好,Penman 模型精度次于輻射法和P-M 模型,溫度法精度最差,輻射法中的Harg 模型與溫度法相比,由于考慮了除溫度以外的大氣邊緣太陽輻射,其計(jì)算結(jié)果相對(duì)較好。
為了探究新疆不同地區(qū)潛在蒸散量的主要影響因素,本文使用隨機(jī)森林模型,選取平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和凈輻射量的月均值作為輸入值與潛在蒸散量的月均數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,并通過平均準(zhǔn)確度下降值判斷各個(gè)要素對(duì)潛在蒸散量的影響程度,值越大說明對(duì)潛在蒸散量的影響越大。為避免隨機(jī)森林模型出現(xiàn)過擬合,對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了歸一化處理。
不同氣象因素對(duì)潛在蒸散量的影響結(jié)果如圖3所示,影響新疆地區(qū)不同站點(diǎn)蒸發(fā)量的因素主要為凈輻射量和氣溫,這一結(jié)果與前人的研究[21-23]相似,但南北疆有一定的差異,南疆潛在蒸散量的主要影響因素為平均氣溫、最低氣溫和凈輻射量,北疆則主要為平均氣溫、最高氣溫和凈輻射量,并且不同站點(diǎn)之間也略有差異。因此在新疆氣象數(shù)據(jù)較為缺乏的區(qū)域可以選擇基于輻射量和氣溫參數(shù)較為簡單的模型進(jìn)行計(jì)算,由于不同區(qū)域受到的影響具有一定的差異性,因此,新疆地區(qū)潛在蒸散量的計(jì)算應(yīng)考慮模型對(duì)不同氣象要素的敏感程度,選取更為準(zhǔn)確的方法。
圖3 不同氣象因素對(duì)潛在蒸散量的影響程度Fig.3 Influence of different meteorological factors on potential evaporation
在利用TOPSIS 模型進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)之前,除了上述不同方法的精度指標(biāo)外,還需要計(jì)算不同地區(qū),7 種估算方法在5 種情境下的總敏感性。
再依據(jù)表2 的精度指標(biāo)與計(jì)算得到的5 種情景的總敏感性作為TOPSIS 排序法的評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)不同地區(qū)不同計(jì)算方法進(jìn)行適用性排序。不同模型的TOPSIS 法排名結(jié)果如表3 所示。
表3 不同地區(qū)不同計(jì)算方法的總體排名Table 3 Overall ranking of different calculation methods in different regions
從最終的結(jié)果上看,在北疆地區(qū)計(jì)算潛在蒸散量適用性最好的是輻射法,Penman 模型與P-M 模型次之;在南疆地區(qū)適用性最好的是輻射法中的Makkink模型和綜合法P-M 模型,質(zhì)量傳輸法的Penman 模型處于中間水平。2 個(gè)地區(qū)適用性最差的模型均為溫度法中的2 個(gè)模型。
本文中所有模型的多年月均值計(jì)算結(jié)果之間雖然存在差異,但是總體趨勢(shì)相近,均表現(xiàn)為“夏季高,冬季低”的趨勢(shì)。同時(shí)通過隨機(jī)森林模型對(duì)引起潛在蒸散量變化的主要因子進(jìn)行判別后發(fā)現(xiàn)主要影響因子為凈輻射、氣溫,其次為相對(duì)濕度,這些都與前人研究[11,35]相似。
TOPSIS 模型是潛在蒸散量計(jì)算模型比較評(píng)價(jià)中的一種新方法[26],在排序過程中對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了規(guī)范化處理,并能充分利用原始數(shù)據(jù)的信息,所以能夠充分反映不同模型之間的差距,具有真實(shí)、直觀、可靠的優(yōu)點(diǎn),而且對(duì)于樣本資料沒有特殊要求,使得應(yīng)用更加方便廣泛。其中綜合法P-M 模型基于能量平衡和傳質(zhì)理論,在理論上是最合理的[36],但是在本文中的適用性評(píng)價(jià)中卻不是最佳的,甚至在北疆部分站點(diǎn)的計(jì)算中排名靠后,僅高于基于溫度這一單一變量的模型。造成這一現(xiàn)象的原因可能是綜合法模型較復(fù)雜,所涉及的參數(shù)的多樣性和數(shù)據(jù)量大給潛在蒸散量估算帶來了較高的敏感性。而且,與輻射法等方法相比,基于傳質(zhì)理論的模型的一個(gè)缺點(diǎn)是需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際蒸散量來確定校準(zhǔn)的傳質(zhì)系數(shù),而輻射法中只需要標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行計(jì)算[37]。因此,盡管綜合法的精確度相對(duì)較好,但其在北疆地區(qū)排名較低,并且在不同地區(qū)的適用性差異較大,而輻射法在新疆地區(qū)的適用性整體上要好于其他方法。其他僅考慮溫度的方法雖然適用性排名較差,但是考慮到他們的簡便性,以及可以通過部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行矯正以提高精確度[19],在部分?jǐn)?shù)據(jù)難以獲取的地區(qū)具有很高的成本效益。
1)全疆范圍內(nèi),綜合法P-M 模型計(jì)算值與潛在蒸散量的月相關(guān)性最好,輻射法次之,溫度法最差。輻射法整體計(jì)算結(jié)果較好,可信度高;綜合法的P-M模型在所有站點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果都較為穩(wěn)定,具有一定的廣泛適用性,而Penman 模型的計(jì)算結(jié)果在不同站點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的差異性,具有明顯的地區(qū)適用性;溫度法中的Hamon 和MC 模型計(jì)算結(jié)果最差。
2)新疆地區(qū)潛在蒸散量的主要影響因素為凈輻射量和氣溫,在新疆氣象數(shù)據(jù)較為缺乏的區(qū)域可以選擇基于輻射量和氣溫參數(shù)的較為簡單的模型進(jìn)行計(jì)算。
3)在南疆地區(qū),輻射法中的Makkink 模型與綜合法P-M 模型適用性最好,P-T、Harg 等輻射法次之,溫度法最不適用;在北疆地區(qū),輻射法適用性最佳,Penman 模型和P-M 模型次之,溫度法最不適用。