Оценка влияния различных методов расчета потенциального испарения на результаты гидрологического моделирования

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В представленном исследовании выполнена оценка влияния четырех наиболее часто применяемых в гидрологических моделях методов расчета потенциального испарения – Пенмана–Монтейса, Пристли–Тэйлора, Одина и Харгривза, которые отличаются по степени требовательности к составу исходных метеоданных, – на эффективность и результаты моделирования динамики компонентов водного баланса. В качестве методической основы гидрологического моделирования использована широко известная концептуальная модель HBV, в которой актуальное испарение связано с текущим состоянием емкости, имитирующей динамику почвенного влагозапаса. Объекты исследования – 18 водосборов площадью от 2.4 до 755 км2, расположенных в пределах бывшей Приморской воднобалансовой станции, материалы которой были использованы для расчетов и моделирования. При сопоставлении результатов моделирования с данными наблюдений станции оказалось, что модельные величины испарения при использовании физически обоснованных методов в большей степени соответствуют методике определения потенциального испарения Будыко и данным водных испарителей на станции. Анализ чувствительности модели к входной потенциальной эвапотранспирации показал, что применение физически обоснованных методов расчета потенциального испарения в целом не влияет на эффективность моделирования гидрографа стока исследуемых водосборов. В то же время при использовании эмпирических моделей эвапотранспирации неопределенность результатов расчета потенциального испарения необходимо компенсировать за счет менее физически обоснованных параметров модели, что, в свою очередь, может привести к искажению динамики компонентов водного баланса и генетических составляющих стока.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. Ю. Сидоренко

Дальневосточный региональный научно-исследовательский гидрометеорологический институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: ninaysidorenko@mail.ru
Россия, Владивосток

А. Н. Бугаец

Тихоокеанский институт географии ДВО РАН

Email: ninaysidorenko@mail.ru
Россия, Владивосток

С. Ю. Лупаков

Тихоокеанский институт географии ДВО РАН

Email: ninaysidorenko@mail.ru
Россия, Владивосток

Б. И. Гарцман

Институт водных проблем РАН

Email: ninaysidorenko@mail.ru
Россия, Москва

Л. В. Гончуков

Дальневосточный региональный научно-исследовательский гидрометеорологический институт; Институт водных проблем РАН

Email: ninaysidorenko@mail.ru
Россия, Владивосток; Москва

Список литературы

  1. Бугаец А.Н., Гарцман Б.И., Терешкина А.А., Гончуков Л.В., Бугаец Н.Д., Сидоренко Н.Ю., Пшеничникова Н.Ф., Краснопеев С.М. Опыт применения модели SWAT для изучения гидрологического режима малого речного бассейна (река Комаровка, Приморский край) // Метеорология и гидрология. 2018. № 5. С. 68–79. doi: 10.3103/S1068373918050060
  2. Бугаец А.Н., Пшеничникова Н.Ф., Терешкина А.А., Краснопеев С.М., Гарцман Б.И. Анализ пространственной дифференциации почвенного покрова юга Приморья на примере бассейна р. Комаровка // Почвоведение. 2015. № 3. С. 268–276. doi: 10.7868/S0032180X15030028
  3. Будыко М.И. Испарение в естественных условиях. Л.: Гидрометеоиздат, 1948. 136 с.
  4. Будыко М.И. О методике определения испарения // Метеорология и гидрология. 1952. № 9. С. 3–9.
  5. Горчаков А.М. Исследование элементов водного баланса и его структуры в Приморье. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 182 с.
  6. Кузьмин П.П., Зубенок Л.И., Константинов А.Р., Астахова Н.И. Виноградов В.В. Внутригодовое распределение суммарного испарения с поверхности суши на территории СССР // Тр. ГГИ. 1968. Вып. 151. С. 5–11.
  7. Лупаков С.Ю., Бугаец А.Н. Использование концептуальной модели речного стока HBV для анализа паводков на малых водосборах // Метеорология и гидрология. 2022. № 1. С. 84–94. doi: 10.52002/0130-2906-2022-1-84-94
  8. Лупаков С.Ю., Бугаец А.Н., Шамов В.В. Применение различных структур модели HBV для исследования процессов формирования стока на примере экспериментальных водосборов // Вод. ресурсы. 2021. Т. 48. № 4. С. 417–426. doi: 10.31857/S032105962104012
  9. Мотовилов Ю.Г., Гельфан А.Н. Модели формирования стока в задачах гидрологии речных бассейнов. М.: РАН, 2018. 300 с. doi: 10.31857/S9785907036222000001
  10. Мотовилов Ю.Г., Морейдо В.М., Миллионщикова Т.Д. Приближенная формула для расчета дефицита влажности воздуха при оценках испарения в моделях формирования стока на реках России // Вод. ресурсы. 2022. Т. 49. № 6. С. 753–765. doi: 10.31857/S0321059622060098
  11. Назари М., Чаичи М.Р., Камель Х., Грисмер М., Садеги С.М.М. // Арид. экосистемы. 2020. Т. 26. № 4. С. 84–92. doi: 10.24411/1993-3916-2020-10122
  12. Попова Н.Ю., Гарцман Б.И. Сравнительный анализ методов оценки испарения с речных бассейнов юга Дальнего Востока // Тр. ДВНИГМИ. 2012. № 1. С. 246–262.
  13. Рекомендации по расчету испарения с поверхности суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 96 с.
  14. Урываев А.П. Об измерениях и расчетах суммарного испарения в условиях Приморья. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. Вып. 42. С. 77–89.
  15. Allen R.G., Pereira L.S., Raes D., Smith M. Crop evapotranspiration: Guide-lines for computing crop water requirements. Rome, Italy: FAO-56, 1998. 300 p.
  16. Bergstrom S. Development and application of a conceptual runoff model for Scandinavian catchments. Norrkoping, Sweden: SMHI Rep. № 7. 1976. 134 p.
  17. Bugaets A.N., Gartsman B.I., Gonchukov L.V., Lupakov S.Y., Shamov V.V., Pshenichnikova N.F., Tereshkina A.A. Modeling the hydrological regime of small testbed catchments based on field observations: a case study of the Pravaya Sokolovka River, the Upper Ussuri River basin // Water Resour. 2019. V. 46 (S2). P. S8–S16. doi: 10.1134/S0097807819080037
  18. Chow V.T., Maidment D.R., Mays L.W. Applied Hydrology. International Edition. N. Y. USA: McGraw-Hill Book Company, 1988. 588 p.
  19. Dong B., Lenters J.D., Hu Q., Kucharik C.J., Wang T., Soylu M.E., Mykleby P.M. Decadal-scale changes in the seasonal surface water balance of the Central United States from 1984 to 2007 // J. Hydrometeorol. 2020. V. 21. P. 1905–1927.
  20. Dyck S. Overview on the present status of the concepts of water balance models // IAHS Publ. 1985. V. 148. P. 3–19.
  21. Hargraves G.H., Samani Z.A. Reference crop evapotranspiration from temperature // Appl. Eng. Agric. 1985. V. 1. P. 96–99.
  22. Lu J., Sun G., McNulty S.G., Amatya D.M. A comparison of six potential evapotranspiration methods for regional use in the southeastern United States // J. Am. Water Resour. Assoc. 2005. V. 41. P. 621–633.
  23. Mintz Y., Walker G. Global fields of soil moisture and land surface evapotranspiration derived from observed precipitation and surface air temperature // J. Applied Meteorol. 1993. V. 32. P. 1305–1334.
  24. Monteith J.L. Evaporation and environment // Symposia of the Society for Experimental Biology. 1965. V. 19. P. 205–234.
  25. Moriasi D.N., Arnold J.G., Van Liew M.W., Bingner R.L., Harmel R.D., Veith T.L. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations // Trans. ASABE. 2007. V. 50. № 3. P. 885–900. https://doi.org/10.13031/2013.23153
  26. Nash J.E., Sutcliffe J.V. River flow forecasting through conceptual models: Pt I. A discussion of principles // J. Hydrol. 1970. V. 10. P. 282–290.
  27. Oudin L., Hervieu F., Michel C., Perrin C., Andreassian V., Anctil F., Loumagne C. Which potential evapotranspiration input for a lumped rainfall-runoff model? Pt 2. Towards a simple and efficient potential evapotranspiration sensitivity analysis and identification of the best evapotranspiration and runoff options for rainfall-runoff modeling // J. Hydrol. 2005. V. 303. P. 290–306.
  28. Priestley C.H.B., Taylor R.J. On the assessment of surface heat flux and evaporation using large-scale parameters // Monthly Weather Review. 1972. V. 100. P. 81–92. doi: 10.1175/1520-0493(1972)100<0081:OTAOSH>2.3.CO;2
  29. Seibert J., Vis M. Teaching hydrological modelling with a user-friendly catchment-runoff-model software package // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2012. V. 16. P. 3315–3325. doi: 10.5194/hess-16-3315-2012
  30. Xu Z.X., Li J.Y. Estimating basin evapotranspiration using distributed hydrologic model // J. Hydrol. Engineering. 2003. V. 8. P. 74–80.
  31. Zhao L., Xia J., Xu C., Wang Z., Sobkowiak L., Long C. Evapotranspiration estimation methods in hydrological models // J. Geogr. Sci. 2013. V. 23. P. 359–369. doi: 10.1007/s11442-013-1015-9

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Картосхема исследуемой территории: I – метеостанция, II – водный испаритель, III – почвенно-испарительный полигон, IV – гидрологический пост и осадкомер, V – речная сеть, VI – граница водосборов; номера на карте соответствуют нумерации в табл. 1

Скачать (288KB)
3. Рис. 2. Блок-схема модели HBV

Скачать (110KB)
4. Рис. 3. Результаты обобщения среднемесячных (а, в) и годовых (б, г) значений PET, вычисленных с помощью разных методов за полный период моделирования по данным метеостанций Приморская (а, б) и Тимирязевский (в, г)

Скачать (187KB)
5. Рис. 4. Корреляция модельных значений действительного испарения AET, рассчитанного с использованием различных методов PET для 18 водосборов (номера согласно табл. 1), и данных почвенных испарителей ПВБС за период май–октябрь (1973–1987 гг.): а – Пенмана-Монтейса; б – Пристли–Тэйлора; в – Одина; г – Харгривза

Скачать (211KB)
6. Рис. 5. Связь значений NSE и BIAS, полученных в результате калибровки для 18 водосборов

Скачать (77KB)
7. Рис. 6. Связь среднемноголетних значений влагозапаса SM и модельного испарения AET за паводкоопасный период (июнь–сентябрь) при использовании различных методов расчета PET, номера водосборов соответствуют нумерации в (табл. 1)

Скачать (75KB)
8. Рис. 7. Коэффициент детерминации (а) и относительное смещение (б) смоделированных и измеренных максимальных расходов воды за теплый период (июнь–сентябрь)

Скачать (51KB)
9. Рис. 8. Коэффициент детерминации R2 и среднеквадратическое отклонение (СКО), рассчитанные между парами различных методов определения PET для различных компонентов речного стока Q0 (а, б), Q1 (в, г), Q2 (д, е): 1 – HG/OD, 2 – HG/PM, 3 – HG/PT, 4 – OD/PM, 5 – OD/PT, 6 – PM/PT. Номера водосборов соответствуют нумерации (табл. 1)

Скачать (243KB)

© Российская академия наук, 2024