Penman Monteith公式

Penman–Monteith公式由Penman公式推廣而來,是用於計算净蒸散量(Evapotranspiration,ET),需要的输入數據為每日平均温度、风速、相對濕度和日射量。

联合国粮食及农业组织(FAO)对蒸散量进行建模的标准方法使用Penman–Monteith公式。 美国土木工程师学会的标准方法修改了Penman–Monteith公式,時間步階由每日改為以每小时。 SWAT模型是许多使用Penman-Monteith公式估算蒸散量的GIS集總式水文模型。

蒸散贡献在流域的水平衡中非常重要,但通常不会在结果中强调,因为相对于更直接测量的现象(例如雨水和溪流),该分量的精度通常较弱。除天气不确定性外,Penman-Monteith方程还对特定于植被的参数(例如气孔阻力)敏感。

Monteith(1981)
Monteith在1981改善Penman公式為Penman Monteith公式為以下形式:

ET_0={\Delta(R_n-G)+\rho_a c_p{e_s-e_a\over r_a} \over \Delta+\gamma(1+{r_s\over r_a}) }
(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:

\Delta={4099 e_a\over (T+237.3)^2},溫度單位為°C(式2)

γ:乾溼度常數(psychrometric constant)可用式3計算:

(1)  假設參考作物高度為0.12 (m),且其葉面反射率為0.23。

(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:

ET_0={0.408 \Delta(R_n-G)+{900 \over T-273}u_2(e_s-e_a)\over \Delta+\gamma(1+0.34u_2) }

(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所採用。在 AquaCrop中,各种形式的作物系数(K c )解释了建模的特定植被与参考蒸散量(RET或ET 0 )标准之间的差异。应力系数(K s )解释了由于环境应力而导致的ET降低(例如,土壤饱和度降低了根区O 2 ,低土壤湿度会引起枯萎,空气污染和盐分化)。

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:

ET_0pt=\alpha { \Delta(R_n-G)\over \lambda_u (\Delta+\gamma) }1000

(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)。

參考資料

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