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Penman Monteith公式
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Penman–Monteith公式由Penman公式推廣而來,是用於計算淨蒸散量(Evapotranspiration,ET),需要的輸入數據為每日平均溫度、風速、相對濕度和日射量。
聯合國糧食及農業組織(FAO)對蒸散量進行建模的標準方法使用Penman–Monteith公式[1][2][3]。 美國土木工程師學會的標準方法修改了Penman–Monteith公式,時間步階由每日改為以每小時。 SWAT模型是許多使用Penman-Monteith公式估算蒸散量的GIS集總式水文模型[4]。
蒸散貢獻在流域的水平衡中非常重要,但通常不會在結果中強調,因為相對於更直接測量的現象(例如雨水和溪流),該分量的精度通常較弱。除天氣不確定性外,Penman-Monteith方程還對特定於植被的參數(例如氣孔阻力)敏感[5]。
Monteith(1981)
Monteith在1981改善Penman公式為Penman Monteith公式為以下形式:[6]
(式1)
其中:
Rn為全天空日射量(MJ m-2 day-1)
G為地表熱通量(MJ m-2 day-1)
ρa為空氣密度
cp為空氣比熱
es 為飽和蒸汽壓,可由Goff-Gratch方程式計算
ea 為實測蒸氣壓,即為相對溼度乘上es
ra為空氣動力學阻力
rs為植披所造成的傳輸阻力
Δ為水蒸氣飽和曲線對溫度作圖之斜率( kPa/ °C),可用式2計算[7]:
,溫度單位為°C(式2)
γ:乾溼度常數(psychrometric constant)可用式3計算[7]:
,P為大氣壓力(kPa),為水氣化潛熱2.453 (MJ /kg)(式3)
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FAO簡化形式
ra的計算較為繁複,需要風速、地表粗糙長度等資料;rs則受葉面積指數(LAI)、葉片形狀等因素影響,因此這兩個參數隨不同地表、不同作物而有差異,這使得Penman-Monteith方程式之泛用性受限。而後聯合國糧食及農業組織為推廣此公式適用於所有地區,故選定參考作物之實驗數據,並以以下假設簡化參數[8]:
(1) 假設參考作物高度為0.12 (m),且其葉面反射率為0.23[9]。
(2) 令空氣動力學阻力ra = 208/u2 s m-1
(3) 令植披所造成的傳輸阻力rs = 70 s m-1
故將Penman-Monteith方程式簡化如下:
(式4)
其中:
ETo reference evapotranspiration (mm day-1)
Rn 全天空日射量(MJ m-2 day-1)
G 地表熱通量(MJ m-2 day-1)
T 日平均氣溫(°C)
u2 離地表兩公尺之風速(m s-1)
es 飽和蒸汽壓(kPa),可由Goff-Gratch方程式計算
ea 實測蒸氣壓(kPa),即為相對溼度乘上es
es - ea 飽和蒸汽壓差 (kPa)
Δ 水蒸氣飽和曲線對溫度作圖之斜率 (kPa °C-1)
γ 乾溼度常數 (kPa °C-1)
式4為聯合國糧食及農業組織所開發之作物模擬軟體 AquaCrop[10]所採用。在 AquaCrop中,各種形式的作物係數(K c )解釋了建模的特定植被與參考蒸散量(RET或ET 0 )標準之間的差異。應力係數(K s )解釋了由於環境應力而導致的ET降低(例如,土壤飽和度降低了根區O 2 ,低土壤濕度會引起枯萎,空氣污染和鹽分化)。
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Priestley-Taylor形式
Priestley-Taylor公式是Penman-Monteith公式的另一簡化版本,其將空氣非飽和水蒸氣和對流項簡化為單個經驗常數α。 PT模型可以表示如下:
(式5)
其中:
ETpt:Priestley-Taylor蒸散量,單位為mm day-1
α :解釋蒸汽壓差和電阻值的經驗常數[-]
通常,開放水域的α為1.26,但取值範圍很廣,從小於1(潮濕條件)到幾乎2(乾旱條件)[11]。
參考資料
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