在以人为主导的流域系统中灌溉在模拟长期蒸散气候学中的影响外文翻译资料

 2022-11-26 19:51:35

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农林气象

在以人为主导的流域系统中灌溉在模拟长期蒸散气候学中的影响

W. Thilini Jaksaa, Venkataramana Sridharb,lowast;

a博伊西州立大学土木工程系，boise，ID 83725，美国

b弗吉尼亚理工学院和州立大学生物系统工程系，Blacksburg，VA 24061，美国

摘 要：蒸散量在时间和空间上是高度可变的，并且使用观测或地表模型进行量化有助于灌溉和水管理。从1980至2010年的过去30年中，使用诺亚地表模型研究了蛇河流域内蒸散量和地表能量平衡的长期趋势。在这项研究中，仅由于气象因素的变化被认为是捕获表面能平衡分量变化的模式。我们在这个模拟研究中使用灌溉计划，因为流域中的农地几乎完全灌溉。这项调查涉及水管理、水文学和这个生态系统的可持续性。非耦合的地表模型显示，由于盆地中的人为活动，能量收支改变，潜热通量增加，显热通量减少。由于气候变暖以及边界层气象变量显示灌溉引起了冷却，蒸散量在30年内呈增加趋势。

copy;2014 Elsevier B.V.版权所有

关键词：蒸散；灌溉；地表模型

1.引言

在太平洋西北地区的许多敏感流域，气候变化和流域水文学及水源的相关影响引起了极大关注（Hoekema和Sridhar., 2011:Hoekema和Sridhar., 2013）。许多研究表明在哥伦比亚流域，夏季，由于气候变暖而增加的温度可能潜在的减少积雪，增加冬季径流、早期融雪和增加蒸散量（Hamlet和Lettenmaier, 1999; Mote, 2006; Jin和Sridhar, 2012; Sridhar等., 2012）。从历史流记录的分析中表明在爱达荷州的许多地方早期的融雪径流有一个趋势。尽管如此，在美国大多数地区，包括太平洋西北地区的蒸发量普遍减少，这可以表明由Brutsaert和Parlange（1998）解释的实际蒸散量的增加是由于潜在和实际蒸散的互补性。

蒸散是地球系统和土地—大气相互作用中的一个关键过程，地—气相互作用将能量和水分收支联系起来。大约60%的降水会通过蒸散返回大气（Oki和Kanae, 2006）。热带气旋降水的近30％来自蒸散（Trenberth,1999）。由于气候变暖，蒸散量可能增加，大气中的水分将会上升，从而影响风暴（Trenbert等., 2005）。此外，水蒸气是最重要的温室气体（Kiehl和Trenberth., 1997）。蒸散是大陆地区大气水汽存在的主要现象。蒸散量的大小主要受地球表面的能量分配（即，将能量划分为显热通量和潜热通量）影响。在半干旱地区，土壤水分是影响能量分配的主要变量之一（Sridhar和Wedin,2009; Sridhar等., 2006）。

蒸散的历史观察通常用于回顾性分析以及未来农业水资源规划。当观测资料稀缺时，水文或地表面模型已被广泛用于估测水文和大气状态，以评估气候变化造成的影响（Chen等., 2007; Hamlet等., 2007; Qian等., 2004）。Hamlet等（2007）使用可变渗透容量模型展示了从4月至6月正向的蒸散趋势，并且由于美国西部早期融雪，蒸散量峰值时间从夏季中期转移到初夏和晚春。

在陆地表面模型中考虑灌溉的影响值得注意，因为它是人为因素引起的景观的重大变化之一，灌溉为土壤柱增加大量的水分，从而通过蒸散向边界层补充水汽。蒸散增加，降水增强，地表冷却（Cook等., 2010）和径流的变化都是灌溉的一些直接影响。它也改变了表面的能量分配，有利于被分配到潜热的能量。一些研究表明，结合灌溉可以改进模型模拟（Evans和Zaitchik, 2008; Ozdogan等., 2010）。 此外，其他观测和模型研究表明，灌溉引起的冷却，周边干燥地区的显热平流以及由于灌溉而导致的夏季云模式的启动和演化差异。

蛇河流域是爱达荷州的一个半干旱地区，由草原，灌木林，森林和灌溉农田等天然植被组成。灌溉用水由蛇河和东部蛇河平原含水层提供。冬季降水是生长季节的主要水源，因此，致使水流动的融雪的时机对于农业十分重要。长期气候学对于了解气候影响以及解决流域内水资源，农业，渔业，娱乐和土地管理的压力至关重要。本研究使用非耦合诺亚地表模型（LSM），采用Sridhar（2013）在模型中实施的灌溉方案，以模拟由于气候变化和过去30年的变化蛇河流域地表通量、蒸散和相对土壤含水量储存变化的长期气候学特征。此研究的目的是（1）评估农业灌溉效果；（2）研究不同土地覆被类型的蒸散时空模型；（3）分析该地区对蒸散最敏感的大气因子；（4）评估地表能量平衡的长期气候学。

2.研究区域

蛇河流域位于半干旱地区，覆盖爱达荷州的大部分地区，延伸至俄勒冈州，内华达州，怀俄明州，蒙大拿州和华盛顿（图1）。蛇河是哥伦比亚河最大的支流，流经重度灌溉的蛇河平原。该地区冬季寒冷，夏季炎热干燥，然而夏季大部分降水蒸发，冬季和早春的降水成为地下水补给的主要来源（Kjelstrom.,1995）。山区的融雪形成的径流是生长季节灌溉饮水的主要来源。年平均降水量为200～250 mm，年平均气温为5-10.9℃，7月是蒸发量最高的月份（Kjelstrom.,1995）。蛇河流域主要的土地覆被类型是草地，灌木林，农田和森林。由于该地区半干旱的气候条件，只有农田地区的生长季节才进行广泛的灌溉，为作物生长提供所需的水。喷灌和地面灌溉（沟渠）是该地区常用的两种方法（USGS., 2005）。

图 1 蛇河流域（红线），主要在爱达荷州，部分地区延伸到俄勒冈州，内华达州，怀俄明州，蒙大拿州和华盛顿州。 蛇河流域的灌溉农田以绿色显示（Pervez 等., 2008）。（对于这个图例中对颜色引用的解释，读者可以参考本文的网页版本）

3.方法

在高分辨率陆地数据同化系统（HRLDAS; Chen等,2007）平台中的诺亚地表模型用于模拟表面通量，蒸散，土壤水分和土壤温度。 诺亚地表模型有从地表到底部厚度分别为10，30，60，100cm的四个土壤层，一个冠层，一个雪层。更多关于诺亚地表模型的物理过程的细节可参考 Chen等（1996）和Ek等（2003）。基于诺亚地表模型在其他研究中的良好适用性（Chen等., 2003;Hogue等., 2005; Radell和Rowe,2008; Sridhar等.,2002）以及在表面能量平衡和水分收支建模研究中的广泛应用，本研究也采用了这个模型。

高分辨率陆地数据同化系统平台以非耦合模式运行诺亚地表模型。系统所需输入的参数是土壤数据，土地覆被类型，绿色植被分数和时间不变的深层土壤温度。为本研究提供土地覆被类型的土壤数据来自于1km州土壤地理数据库（STATSGO）和基于MODIS的陆地表面特征。 所有气象强迫场和初始化数据都是从分辨率为32km，每3小时一次的北美区域再分析（NARR）数据中获取。灌溉水是农业地区，特别是半干旱地区的主要输入水源。灌溉算法（Sridhar., 综述）强调了能量平衡研究中会计灌溉的需要，以更好地代表斯内克河流域的农业用地，这一点在下面的章节中也有解释。

3.1灌溉方法

由于农田生长季节的干旱和夏季降雨的不足，灌溉水需要定期向第一土层（0-10厘米）补充土壤水分，这是通过在整个生长季节（4月至10月为蛇河流域）通过表面灌溉加水来完成的。只有在土地利用类别中分类为农田的单元在模型中进行灌溉。由于我们的模型区域主要由爱达荷州中南部的灌溉地带组成，该地区在4月至9月的作物生长季节期间几乎没有降雨，我们将所有的耕地都作为灌溉地。Sridhar（2013）提出了对模型添加的灌溉功能的详细描述。本文简要介绍了连续性的灌溉算法，该公式包含三个可调参数：（1）作为灌溉触发器的最低土壤含水量百分比（MinPCT）；（2）灌溉季节的开始日期和（3）结束日期。 通过与最低土壤含水量（MSM）进行比较，通过可触发灌溉的第二层土壤（10-40厘米）的土壤含水量确定是否需要灌溉。这是因为10厘米的第一层薄土壤层会直接蒸发并快速干燥。最低土壤含水量（MSM）定义为

其中和分别是参考土壤含水量（田间持水量）和凋萎点土壤含水量。当模拟日期在灌溉季节内时，如果将该网格划分为灌溉农田，则灌溉算法被激活。然后将土壤有效含水量与最低土壤含水量进行比较以判断此时间段内是否需要灌溉。如果第二层土壤层的土壤有效含水量低于最低土壤含水量，则第一层土壤的土壤含水量在此时间段内饱和。这个方法类似于 Adegoke等（2003）和Evans和Zaitchik（2008）。本研究中使用的最小百分比是50％，这是许多作物推荐的作为开始灌溉的枯竭水平的临界值（Ozdogan等., 2010）。饱和顶层允许水流到下面的土壤层，这里不考虑径流引起的水损失和灌溉过程中造成的水分流失，并假设有足够的水可用于满足模型中的灌溉要求。

3.2模型域和模拟

模型域由蛇河流域的广阔地区组成。它被分为4kmtimes;4km分辨率的81times;66大小的单元。 所有气象和初始化数据通过高分辨率陆地数据同化系统（HRLDAS）平台上插值到空间分辨率为4km，时间分辨率为1h的模型中。从1979年1月1日至2010年12月31日，以1979年1月1日00时开始按照每小时的时间步长进行模型模拟，头两年，也就是1979年和1980年，被认为是上升期， 这两年的结果不计入进一步的分析中，只有30年（1981-2010年）的结果用于分析。

3.3模型验证

模拟蒸散模型的另一个蒸散数据使用实地观测的数据来代替，这个数据是利用改进的彭曼-蒙蒂斯方程，使用由美国填海局运营的Agrimet站天气数据在特温福尔斯、鲁伯特和马尔他（蒸散 爱达荷州, 2012）三个地点的估计值。对于每个地点，选择数据较为优质的六年（特温福尔斯-1995,1996,1997,1998,2005,2006; 鲁伯特-1995,1997,1998,2005,2006,2010; 马尔他-1993,1995 ,1998,2004,2006,2010）。由于灌溉农业经营主要在爱达荷州中南部进行，这使得我们把这个研究区域重点放在模型验证上，而不是东部的山区和盆地的农业较不占优势的西部地区。蒸散量爱达荷州提供作物特有的蒸散量，因此，计算测站周围不同作物类型的蒸散量平均值进行验证。图2显示了诺亚地表模型模拟和计算的蒸散量与仅在生长季节的三个地点的观测值之间的比较。表1提供了验证统计数据。总体来说，相关系数约为0.8，平均均方根误差为1.4 mm yr-1，表明模拟结果是合理的。

图 2蒸散验证：诺亚地表模型模拟的蒸散与三个观测点特温福尔斯（（a）和（d）），鲁伯特（（b）和（e））和马尔他（（c）和（f））计算的蒸散进行比较。（a）-（c）为每日蒸散量，（d）-（f）为每月蒸散量。

表 1用三个地点的蒸散量验证诺亚诺亚地表模型的蒸散量

n

CC

RMSE (mm dayminus;1)

Twin Falls

2152

0.84

1.27

Rupert

2113

0.81

1.43

Malta

2108

0.81

1.59

n—每日观察次数

CC—相关系数

RMSE—均方根误差

美国地质调查局（2005）的灌溉抽水数据用于验证模型中使用的灌溉方案。根据美国地质调查局（USGS），2005年对于研究区域各县的平均灌溉量为1766 mm yr-1。但是，过去30年，该模型中的平均灌溉量仅为620 mm。显然，由于各种原因，包括气候和干旱，灌溉用水量逐年变化。2002年至2007年期间的干旱表明，使用长期平均抽水量比单一年度更合理。由于我们的模型灌溉量不考虑在分配和灌溉期间的水分流失，我们认为在模型中较低的灌溉量是可接受的。

4.结果与讨论

4.1灌溉

研究了灌溉方案的产出及其对土壤变量，流失和蒸散的影响。计算所有农田变量的面积平均值。在过去30年（1981-2010年）间，施用的总灌溉水约为620 mm yr-1，灌溉量随降水量的不同而不同。例如，过去的30年间，1992年的降水量最低（约为200mm），因而灌溉量最大（约为790mm）。然而1983年出现最大降水量时，施用的灌溉量为540mm，这并不是最小值，因为该年份的大部分降水发生在生长季节之后的十一月（80mm）。因此，生长季节的水需求并不能由降水量甚至是最大降水量所决定，正如1983年的灌溉量也没有如预期一样减少。灌溉通常在7月和8月达到顶峰，此期间发生的事件数量最多。

4.2灌溉对土壤含水量和土壤温度的影响

灌溉在许多方面影响地表过程。土壤性质直接受灌溉影响，因为它改变着根区土壤柱的土壤含水量状态。在没有灌溉的情况下，土壤水分在生长季节快速下降，并在生长最快的月份（7月和8月）达到最低。通过灌溉，土壤含水量保持在足以满足作物需水量的水平。灌溉在前三个土层

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