Оценка эвапотраспирации для эффективного управления водными ресурсами

Ключевые компоненты и параметры

Скорость испарения представлена скрытым тепловым потоком: где Rn — чистое излучение на поверхности урожая, G — тепловой поток почвы, es — давление насыщения паров, ea — фактическое давление паров, а rs и ra — поверхностное и аэродинамическое сопротивления, соответственно.Понимание этих компонентов необходимо для правильного применения метода.

Поверхностное сопротивление описывает сопротивление потока пара через отверстия устьиц, общую площадь листьев и поверхность почвы, а аэродинамическое сопротивление описывает сопротивление растительности вверх и включает трение от воздуха, протекающего по вегетативным поверхностям.Эти параметры сопротивления отличают подход Пенмана-Монтейта от более простых методов и позволяют учитывать характеристики растительности и атмосферные условия.

Справочное эвапотранспирация часто рассчитывается с помощью метода Пенмана-Монтейта, который требует данных о температуре, относительной влажности, скорости ветра и солнечной радиации.Требования к данным метода, хотя и более обширные, чем более простые подходы, обычно доступны со стандартных метеостанций, что делает его практичным для широкого применения.

Преимущества и ограничения

Модель Пенмана-Монтейта обладает высокой точностью в оценке ET0, но она требует многих необычных входов метеорологических данных, поэтому необходим идеальный метод, который минимизирует количество переменных входных данных без ущерба для точности оценки.Это напряжение между точностью и доступностью данных представляет собой центральную проблему в оценке эвапотранспирации.

Не следует ожидать, что уравнение эвапотранспирации на основе погодных условий будет идеально предсказывать эвапотранспирацию в любой климатической ситуации из-за упрощения формулировки и ошибок в измерении данных, и вполне вероятно, что точные инструменты в превосходных условиях экологического и биологического управления покажут, что уравнение Пенмана-Монтейта ФАО время от времени отклоняется от истинных измерений.

Метод хорошо работает в различных климатических условиях, от влажных до засушливых регионов и от тропических до умеренных зон. Чувствительность ТЧ к каждому из четырех погодных компонентов зависит от климата и относительной силы каждого компонента по отношению к другим. Понимание этой чувствительности помогает пользователям определить, какие метеорологические измерения требуют наибольшей точности для их конкретных условий.

Коэффициенты урожая и фактическое эвапотранспирация

Этот эталонный эвапотранспирации ET0 затем может быть использован для оценки эвапотранспирации скорости ET от нестрессовых растений через коэффициенты урожая Kc: ET = Kc * ET0. Подход к коэффициенту урожая обеспечивает практическую основу для перевода эталонной эвапотранспирации в фактические потребности в воде для сельскохозяйственных культур.

Метод Пенмана Монтейта ФАО использует концепцию эталонной поверхности, устраняя необходимость определения параметров для каждой культуры и стадии роста, при этом показатели эвапотранспирации различных культур, связанные с скоростью эвапотранспирации, с эталонной поверхности за счет использования коэффициентов на урожай. Эта стандартизация значительно упрощает управление ирригацией и позволяет разрабатывать базы данных по коэффициентам на урожай, применимые в разных регионах.

Коэффициенты урожая варьируются в зависимости от типа урожая, стадии роста и практики управления. Молодые культуры с неполным покрытием почвы имеют более низкие коэффициенты, чем зрелые культуры на полном пологе. Коэффициенты урожая также учитывают различия в высоте урожая, характеристиках листьев и глубине укоренения. Обширные исследования установили значения коэффициента урожая для основных сельскохозяйственных культур, доступные в ФАО-56 и других справочных материалах, обеспечивая практическое руководство для планирования орошения.

Альтернативные метеорологические модели и упрощенные методы

Прямое измерение эвапотранспирации является дорогостоящим и включает в себя сложные и сложные процедуры, поэтому эмпирические модели обычно используются для оценки ETo с использованием доступных метеорологических данных.В то время как метод Пенмана-Монтейта представляет собой золотой стандарт, было разработано множество альтернативных подходов для решения ситуаций с ограниченной доступностью данных или для обеспечения более простых процедур расчета.

Методы, основанные на температуре

Методы, основанные на температуре, дают преимущество, заключающееся в том, что они требуют только легкодоступных данных о температуре, что делает их привлекательными для мест с ограниченными метеорологическими измерениями.Эти эмпирические подходы устанавливают взаимосвязь между температурой и испарением на основе признания того, что температура коррелирует с солнечным излучением и дефицитом давления пара.

Метод Харгривз-Самани представляет собой один из наиболее широко используемых температурных подходов. Другие уравнения для оценки испарения по метеорологическим данным включают уравнения Харгривз. Этот метод требует только максимальной и минимальной температуры и внеземного излучения (рассчитанного по широте и дню года), что делает его применимым даже в данных с разницей в регионах.

Метод Торнтвейта, один из самых ранних температурных подходов, использует среднюю температуру и длину дня для оценки потенциального испарения.Хотя он исторически важен и все еще используется в некоторых приложениях, этот метод имеет ограничения в засушливом климате и требует локальной калибровки для достижения наилучших результатов.

Статистические показатели погрешности указывают на то, что модели, основанные на температуре и радиации, работают лучше для определенных регионов, однако модели, основанные на радиации, работают лучше, чем модели, основанные на температуре. Относительная производительность зависит от местных климатических характеристик, особенно моделей влажности.

Радиационные методы

Методы, основанные на радиации, признают, что солнечное излучение обеспечивает основной источник энергии для испарения. Эти подходы обычно требуют меньше входных данных, чем полное уравнение Пенмана-Монтейта, при сохранении разумной точности, особенно во влажных климатах, где адвективные эффекты минимальны.

Метод Пристли-Тейлора

Уравнение Пристли-Тейлора было разработано в качестве замены уравнения Пенмана-Монтейта для устранения зависимости от наблюдений, требующей только наблюдений излучения. Это делается путем удаления аэродинамических терминов из уравнения Пенмана-Монтейта и добавления эмпирически выведенного постоянного фактора.

Уравнение ET, управляемое излучением Пристли-Тейлора, хорошо работает для расчета потенциального ET по многим типам растительности в зависимости от доступной энергии и безразмерного коэффициента, который параметризирует испарительное напряжение, с формулой, использующей значение 1,26 для короткой растительности и голой почвы. Этот коэффициент учитывает усиление испарения, когда воздушные массы, движущиеся по растительной поверхности с обильной водой, становятся насыщенными.

Метод Пристли-Тейлора особенно хорошо работает во влажных регионах, где адвекция ограничена и атмосфера почти насыщена. Однако в засушливых регионах с сильными адвективными условиями и низкой влажностью метод может недооценивать эвапотранспирацию. Простота и сниженные требования к данным делают его ценным для региональных применений и моделирования климата.

Метод Маккинка

Уравнение Маккинка простое, но должно быть откалибровано в определенном месте. Этот метод на основе излучения использует солнечное излучение и температуру для оценки эталонного испарения. Первоначально разработанный для Нидерландов метод Маккинка был адаптирован и откалиброван для различных регионов по всему миру.

Простота метода делает его вычислительно эффективным и пригодным для оперативных применений. Однако необходимость локальной калибровки ограничивает его переносимость между регионами с различными климатическими характеристиками. При правильной калибровке метод Маккинка может обеспечить надежные оценки с минимальными требованиями к данным.

Метод Pan Evaporation

Пан испарение обеспечивает простое, прямое измерение испарительной потребности с использованием стандартизированной водяной сковороды. Сковорода класса А, широко используемая в Соединенных Штатах и на международном уровне, состоит из круглой сковороды диаметром 1,21 метра и глубиной 25,4 сантиметра. Ежедневная потеря воды из сковороды, скорректированная на осадки, обеспечивает индекс атмосферной испарительной потребности.

Для преобразования испарения сковороды в эталонное испарение применяется коэффициент сковороды (обычно 0,7-0,85) для учета различий между сковородой и растительной поверхностью. Коэффициенты сковороды варьируются в зависимости от размещения сковороды (уровень земли по сравнению с повышенным), условий окружающей поверхности и климата. Несмотря на свою простоту, метод испарения сковороды требует тщательного обслуживания, защиты от животных и мусора и регулярных измерений.

Хотя использование пан-испарения сократилось с появлением автоматизированных метеостанций и стандартизированных методов расчета, оно остается ценным в некоторых регионах и обеспечивает ощутимую, легко понятую меру испарительного спроса.Исторические записи об испарении пан-осадков также предоставляют ценные долгосрочные климатические данные.

Выбор подходящих методов

Учитывая, что эмпирические методы работают на основе различных предположений, важно оценить их эффективность, чтобы определить наиболее подходящие методы для расчета ETo на основе наличия входных данных и конкретных климатических условий региона.Выбор метода должен учитывать наличие данных, требуемую точность, пространственные и временные масштабы, климатические характеристики и имеющиеся ресурсы для реализации.

В связи с более высокими информационными требованиями метода Пенмана-Монтейта и существующей неопределенностью данных в гидрологических моделях широко используются упрощенные эмпирические методы расчета потенциального и фактического эвапотранспирации, при этом в зависимости от сложности гидрологической модели используются различные методы расчета эвапотранспирации.Компромисс между точностью и простотой должен быть тщательно оценен для каждого применения.

Для планирования орошения, требующего высокой точности, наилучшим выбором является метод Пенмана-Монтейта ФАО с полными данными о погоде. Для региональных исследований водного баланса или моделирования климата, где доступность данных ограничена, могут быть адекватные результаты, которые могут быть откалиброваны в соответствии с местными условиями. Для предварительных оценок или скрининговых исследований могут быть достаточными даже более простые методы, основанные на температуре.

Применение дистанционного зондирования для крупномасштабной оценки

За последние пять десятилетий дистанционное зондирование стало экономически эффективным решением для оценки ИЭ в региональном и глобальном масштабах. Спутниковое дистанционное зондирование произвело революцию в оценке эвапотранспирации, позволив проводить пространственно распределенные измерения на больших площадях, преодолевая ограничения точечных наземных измерений.

Принципы дистанционного зондирования для эвапотраспирации

Разработаны многочисленные модели, дающие ценную информацию о динамике инопланетян, позволяющие осуществлять крупномасштабный, точный и непрерывный мониторинг при представлении разной степени сложности. Подходы дистанционного зондирования используют спутниковые наблюдения температуры поверхности земли, индексов растительности, альбедо и других свойств поверхности для оценки эвапотранспирации.

Эти модели используют данные теплового дистанционного зондирования, предоставленные в качестве LST, для оценки H и получения LE в качестве остатка уравнения баланса поверхностной энергии, которое затем используется для оценки ET. Рамочная основа энергетического баланса обеспечивает теоретическую основу для большинства алгоритмов эвапотранспирации дистанционного зондирования.

Модели ИЭ, основанные на температуре, имеют различные уровни сложности и могут быть классифицированы как модели с одним или двумя источниками, в зависимости от того, как рассматривался вклад почвы и навеса в общий тепловой поток, с также введенными упрощенными методами. Модели с одним источником рассматривают систему растительного грунта как единую композитную поверхность, в то время как модели с двумя источниками отдельно рассматривают вклад почвы и навеса, обеспечивая большую точность для частично растительного поверхностей.

Алгоритмы дистанционного зондирования

Разработано и утверждено несколько алгоритмов оперативного дистанционного зондирования для оценки эвапотранспирации. Алгоритм баланса поверхностной энергии для Земли (SEBAL) использует спутниковые тепловые изображения для оценки эвапотранспирации как остатка баланса поверхностной энергии. Эвапотранспирация является ключевым показателем для управления водными ресурсами и ирригационных характеристик, и SEBAL и METRIC могут отображать эти ключевые показатели во времени и пространстве, в течение дней, недель или лет.

Алгоритм Mapping Evapotranspiration at high Resolution with Internalized Calibration (METRIC), разработанный Университетом Айдахо, основан на принципах SEBAL, включающих автоматизированные процедуры калибровки. METRIC широко используется для управления ирригацией и управления правами на воду в западных Соединенных Штатах.

Модель Operational Simplified Surface Energy Balance (SSEBop), разработанная Геологической службой США, обеспечивает оперативные оценки эвапотранспирации в континентальных и глобальных масштабах. SSEBop использует упрощенный подход, который требует меньше ресурсов, чем SEBAL или METRIC, что позволяет регулярно производить карты эвапотранспирации для больших площадей. Эти продукты поддерживают мониторинг засухи, учет воды и управление сельским хозяйством.

Спектрорадиометр с умеренным разрешением (MODIS) обеспечивает глобальный охват с разрешением от 500 метров до 1 километра, обновляемый каждые 8 дней. Этот продукт использует уравнение Пенмана-Монтейта со спутниковыми свойствами растительности и метеорологическими данными, обеспечивая согласованные глобальные оценки эвапотраспирации, ценные для исследований климата и оценки водных ресурсов.

Преимущества и проблемы дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование дает уникальные преимущества для оценки эвапотранспирации. Пространственное покрытие позволяет отображать модели эвапотранспирации по ландшафтам, выявляя вариации, связанные с типом растительности, свойствами почвы, топографией и методами управления. Повторное покрытие позволяет контролировать временные изменения, отслеживать сезонные закономерности и обнаруживать аномалии, связанные с засухой или чрезмерным использованием воды.

Возможность оценки фактического эвапотранспирации, а не потенциальных или эталонных значений, обеспечивает прямую информацию о потреблении воды и напряжении воды в сельскохозяйственных культурах. Эта способность поддерживает точное земледелие, соблюдение прав на воду и мониторинг экосистем. Дистанционное зондирование также позволяет оценивать эвапотранспирацию в отдаленных или недоступных районах, где наземные измерения непрактичны.

Однако подходы к дистанционному зондированию сталкиваются с рядом проблем. Облачный покров ограничивает оптические и тепловые спутниковые наблюдения, создавая пробелы в данных, особенно во влажных регионах. Временное разрешение спутниковых эстакад (обычно от дней до недель) может пропустить краткосрочные изменения. Между мелкомасштабными деталями и широким охватом существуют компромиссы в отношении пространственного разрешения. Валидация остается сложной из-за несоответствия масштаба между спутниковыми пикселями и наземными измерениями.

Точность алгоритма зависит от качества входных данных, включая метеорологические переменные, которые должны быть получены от метеостанций или продуктов повторного анализа. Поверхностная неоднородность в пределах спутниковых пикселей может вносить ошибки, особенно при более грубых разрешениях. Несмотря на эти проблемы, продолжающиеся улучшения спутниковых датчиков, алгоритмов и методов проверки продолжают улучшать продукты эвапотранспирации дистанционного зондирования.

Новые технологии и слияние данных

В последние годы исследователи внедрили несколько новых методов и подходов, включая дистанционное зондирование, беспилотные летательные аппараты и машинное обучение для непосредственного измерения значений ET из полей, причем исследования сообщают, что современные методы могут оценивать ET без использования дорогостоящего оборудования и технических знаний, предлагая преимущества перед традиционными методами в отношении эффективности, точности и масштабируемости.

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА или дроны), оснащенные тепловыми и мультиспектральными камерами, позволяют осуществлять картографирование испарения в полевых масштабах с высоким разрешением. Подходы, основанные на БПЛА, устраняют разрыв между спутниковыми и наземными измерениями, обеспечивая гибкость в отношении времени и пространственного разрешения. Эти системы поддерживают применение в точном сельском хозяйстве, позволяя фермерам выявлять районы водного стресса и оптимизировать орошение в субполевых масштабах.

Методы слияния данных объединяют несколько спутниковых датчиков с различными пространственными, временными и спектральными характеристиками для преодоления индивидуальных ограничений датчиков. Например, сочетание данных с высоким временным разрешением, но грубыми пространственными данными с высоким пространственным разрешением, но с низким временным разрешением может производить оценки эвапотранспирации как с тонкой пространственной детализацией, так и с частыми обновлениями. Подходы машинного обучения все чаще применяются для интеграции различных источников данных и улучшения предсказаний эвапотранспирации.

Подходы машинного обучения и искусственного интеллекта

Методы машинного обучения и искусственного интеллекта представляют собой быстро растущий рубеж в оценке эвапотранспирации. Эти подходы, основанные на данных, могут идентифицировать сложные, нелинейные отношения между метеорологическими переменными и эвапотранспирацией, не требуя явных физических уравнений. Алгоритмы машинного обучения, включая многослойный перцептрон, случайный подпространство, дерево моделей M5P и случайный лес, были оценены для оценки ежедневного ET, с моделями, обученными и проверенными в разные периоды для оценки как исторической точности, так и надежности в изменяющихся климатических условиях.

Типы моделей машинного обучения

Искусственные нейронные сети (ANN) широко применяются для оценки эвапотранспирации. Эти модели состоят из взаимосвязанных узлов, организованных в слоях, которые изучают шаблоны из данных обучения. ANN могут захватывать сложные отношения между входными переменными (температура, влажность, излучение, скорость ветра и т. Д.) и эвапотранспирация, потенциально улучшая прогнозы по сравнению с традиционными эмпирическими уравнениями.

Случайные лесные и другие ансамблевые методы объединяют несколько деревьев решений для получения надежных прогнозов. Эти подходы хорошо справляются с нелинейными отношениями, относительно нечувствительны к выбросам и могут идентифицировать важные переменные предиктора. Машины вспомогательных векторов обеспечивают еще один мощный подход для моделирования эвапотранспирации, особенно эффективный с ограниченными данными обучения.

Методы глубокого обучения, включая сверточные нейронные сети и рекуррентные нейронные сети, дают многообещающие результаты для оценки эвапотранспирации с помощью изображений дистанционного зондирования и данных временных рядов. Эти передовые архитектуры могут автоматически извлекать соответствующие функции из исходных данных, потенциально повышая точность и уменьшая потребность в ручной разработке функций.

Преимущества и соображения

Подходы машинного обучения предлагают несколько преимуществ. Они могут достигать высокой точности при обучении на достаточных качественных данных, потенциально превосходя традиционные методы в конкретных условиях. Модели могут адаптироваться к местным условиям посредством обучения региональным данным, снижая необходимость ручной калибровки. Методы машинного обучения также могут интегрировать различные источники данных, включая дистанционное зондирование, данные о погоде и вспомогательную информацию о почвах и растительности.

Однако модели машинного обучения имеют важные ограничения. Они требуют существенных данных обучения, которые могут быть доступны не во всех регионах. Производительность модели в значительной степени зависит от качества и репрезентативности данных обучения. Экстраполяция за пределы условий обучения может давать ненадежные результаты. Характер «черного ящика» некоторых моделей машинного обучения затрудняет физическую интерпретацию, потенциально ограничивая доверие и понимание пользователей.

Переобучение представляет значительный риск, когда модели хорошо работают с данными обучения, но плохо с независимыми данными. Осторожная проверка с использованием независимых наборов данных имеет важное значение. Вычислительные требования к сложным моделям обучения могут быть существенными, хотя прогнозирование обычно быстрое, как только модели обучены. Несмотря на эти соображения, подходы машинного обучения продолжают развиваться и демонстрируют все большую перспективу для оценки эвапотранспирации.

Практическое применение в управлении водными ресурсами

Точная оценка ЭТО имеет решающее значение для эффективного планирования водных ресурсов, планирования орошения и мониторинга окружающей среды, особенно в полузасушливых регионах, где доступность воды ограничена и климатическая изменчивость выражена. Практическая ценность оценки эвапотранспирации распространяется на несколько областей, от сельскохозяйственного производства до управления экосистемами и водной политики.

Планирование ирригации и управление

Расчет графика ирригации представляет собой наиболее широкое применение оценки эвапотранспирации. Расчет потребностей в воде для сельскохозяйственных культур на основе эталонного эвапотранспирации и коэффициентов урожая позволяет руководителям ирригационных служб определять, когда и сколько орошать. Такой подход оптимизирует эффективность использования воды, уменьшает отходы, сводит к минимуму глубокую перколяцию и стоки и поддерживает продуктивность сельскохозяйственных культур.

Сельское хозяйство является крупнейшим потребителем пресной воды, и эффективное использование пресноводных ресурсов в производстве сельскохозяйственной продукции является ключевой проблемой для устойчивого развития, особенно в засушливом или полузасушливом климате, где ирригация играет решающую роль в системах производства продуктов питания и экономике, хотя ограниченная доступная вода может не удовлетворять требованиям производства продуктов питания.

Современные инструменты планирования ирригации интегрируют оценки эвапотранспирации с мониторингом влажности почвы, моделями роста сельскохозяйственных культур и прогнозами погоды для обеспечения поддержки принятия решений. Мобильные приложения и веб-платформы предоставляют фермерам рекомендации по ирригации, часто включающие данные местных метеорологических станций и оценки эвапотранспирации на основе спутников. Эти инструменты помогают фермерам сократить использование воды, снизить затраты на энергию для перекачки, улучшить качество урожая и минимизировать воздействие на окружающую среду.

Стратегии орошения дефицита, которые сознательно применяют меньше воды, чем требуется для полного выращивания на конкретных этапах роста, основаны на точных оценках эвапотранспирации для оптимизации сроков и величины водного стресса. Такой подход может повысить производительность воды (урожайность на единицу воды) при сохранении приемлемых урожаев, особенно ценных в регионах с дефицитом воды.

Управление водными правами и распределение

Во многих регионах права на воду распределяются на основе потребностей в воде для сельскохозяйственных культур, рассчитанных на основе эвапотранспирации. Точные оценки эвапотранспирации обеспечивают справедливое распределение воды среди пользователей и помогают предотвратить чрезмерное распределение ограниченных водных ресурсов. Дистанционное картирование на основе зондирования позволяет контролировать фактическое потребление воды, поддерживать соблюдение прав на воду и выявлять несанкционированное или чрезмерное использование.

Системы учета воды используют данные эвапотранспирации для отслеживания потребления воды на полевых, районных и бассейновых масштабах. Эта информация поддерживает планирование водных ресурсов, помогает выявлять возможности для сохранения и обеспечивает прозрачность в управлении водными ресурсами. В регионах с водными рынками или торговыми системами данные эвапотранспирации информируют о ценообразовании воды и решениях о распределении.

Мониторинг и оценка засухи

Эвапотранспирация играет центральную роль в системах мониторинга засухи и раннего предупреждения. Сравнение фактического эвапотранспирации с нормальными или потенциальными значениями выявляет условия водного стресса. Индексы испарительного стресса, полученные из спутниковых данных, предоставляют пространственно явную информацию о тяжести и степени засухи, поддерживают декларации о сельскохозяйственных бедствиях, страховые требования и усилия по оказанию помощи.

Индекс испарительного стресса (ИЭП), разработанный NOAA, использует тепловое дистанционное зондирование для выявления быстро развивающихся условий засухи до их появления в традиционных индексах засухи. Этот потенциал раннего предупреждения позволяет принимать активные меры по управлению, потенциально снижая воздействие засухи на сельское хозяйство и водоснабжение.

Гидрологическое моделирование и водный баланс

Фактические эвапотранспирации являются ключевым процессом гидрологического цикла и единственным термином, который связывает баланс поверхностных вод и энергетический баланс поверхности земли, при этом эвапотранспирация играет ключевую роль в моделировании гидрологического эффекта изменения климата. Гидрологические модели требуют точных оценок эвапотранспирации для моделирования водного баланса водораздела, потока, подпитки грунтовых вод и динамики влажности почвы.

Эвапотранспирация представляет собой самый большой термин потери воды в большинстве водоразделов, часто превышающий поток. Ошибки в оценке эвапотранспирации распространяются через гидрологические модели, влияя на прогнозы доступности воды, риска наводнения и требований к воде экосистемы. Улучшенные методы эвапотранспирации повышают производительность модели и повышают уверенность в прогнозах водных ресурсов.

Оценки воздействия изменения климата в значительной степени зависят от прогнозов испарения. Повышение температуры увеличивает спрос на испарение в атмосфере, потенциально усиливая засухи и изменяя доступность воды. Понимание того, как испарение реагирует на изменение климатических условий, имеет важное значение для адаптации стратегий управления водными ресурсами и обеспечения долгосрочной водной безопасности.

Экосистема и экологический менеджмент

Оценка эвапотраспирации поддерживает оценку потребностей в воде для водно-болотных угодий, прибрежных районов и естественной растительности. Поддержание адекватного водоснабжения экосистем требует понимания их потребностей в эвапотраспирации и того, как они различаются в зависимости от сезона и климатических условий. Дистанционное зондирование позволяет контролировать стресс от воды в экосистеме и оценивать усилия по восстановлению.

Зависимые от грунтовых вод экосистемы, включая многие водно-болотные угодья и прибрежные леса, полагаются на мелководье для удовлетворения потребностей в испарении. Оценка экосистемного испарения помогает определить устойчивые темпы перекачки грунтовых вод, которые поддерживают здоровье экосистемы при удовлетворении потребностей в воде человека. Эта информация поддерживает требования к экологическим потокам и политику управления подземными водами.

Управление городскими водными ресурсами все чаще включает оценку эвапотранспирации для ландшафтного орошения, проектирование зеленой инфраструктуры и смягчение последствий городского теплового острова. Понимание эвапотранспирации из городской растительности помогает оптимизировать ирригацию парков и озеленение, сокращая отходы воды при сохранении эстетических и экологических преимуществ. Элементы зеленой инфраструктуры, такие как биосвалы и зеленые крыши, требуют оценки эвапотранспирации для правильного проектирования и оценки производительности.

Производительность сельскохозяйственной воды и продовольственная безопасность

Растет акцент на повышении продуктивности воды за счет повышения эффективности эвапотранспирации в производстве продуктов питания. Производительность воды, определяемая как урожайность на единицу потребляемой воды (эвапотрана), обеспечивает ключевую метрику для устойчивости сельского хозяйства. Повышение производительности воды позволяет увеличить производство продуктов питания с ограниченными водными ресурсами, что имеет важное значение для глобальной продовольственной безопасности.

Данные эвапотранспирации позволяют рассчитать продуктивность воды на полях, фермах и в региональных масштабах. Сравнение продуктивности воды в фермерских хозяйствах или регионах выявляет лучшие практики и возможности для улучшения. Программы селекции растений используют информацию об эвапотранспирации для разработки сортов с улучшенной эффективностью использования воды. Агрономические исследования опираются на измерения эвапотранспирации для оценки методов орошения, дат посадки и других методов управления.

В рамках международных программ развития используются оценки эвапотранспирации для оценки эффективности ирригационных проектов и выявления возможностей для улучшения управления водными ресурсами в развивающихся странах. Картирование эвапотранспирации на основе дистанционного зондирования обеспечивает экономически эффективный мониторинг на больших территориях, поддерживая усилия по повышению производительности сельскохозяйственной воды и продовольственной безопасности во всем мире.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на значительные успехи в методах оценки эвапотраспирации, остаются важные проблемы. Решение этих проблем потребует продолжения исследований, технологических инноваций и совершенствования систем сбора данных. Несколько ключевых областей заслуживают особого внимания для будущего развития.

Доступность и качество данных

Расширение сетей метеостанций, улучшение контроля качества данных и обеспечение открытого доступа к данным значительно увеличат возможности оценки эвапотранспирации. Новые недорогие сенсорные технологии и инициативы в области гражданской науки могут помочь устранить пробелы в данных, хотя обеспечение качества данных остается сложной задачей.

Продолжительный мониторинг испарения требует последовательных спутниковых наблюдений, но отказы датчиков, пробелы в миссиях и изменение спецификаций спутников могут нарушить записи данных. Международная координация и планирование спутниковых миссий могут помочь обеспечить непрерывность критических наблюдений для оценки испарения.

Масштабные проблемы и пространственная неоднородность

Эвапотраспирация пространственно различается из-за различий в растительности, свойствах почвы, топографии и микроклимате. Захват этой неоднородности при предоставлении практических оценок в соответствующих масштабах управления остается сложной задачей. Точечные измерения с метеорологических станций или башен потока могут не представлять большие площади. Спутниковые пиксели интегрируют эвапотраспирацию над областями, которые могут содержать несколько типов наземного покрова с различными характеристиками использования воды.

Подходы к уменьшению масштабов, сочетающие спутниковые данные с грубым разрешением и информацию о растительности и рельефе, могут улучшить пространственные детали. Методы расширения масштабов, которые объединяют мелкомасштабные измерения в более крупные области, должны учитывать нелинейные отношения и пространственную изменчивость. Продолжение исследований по вопросам масштаба улучшит полезность оценок эвапотранспирации для различных применений.

Количественная неопределенность

Все методы оценки эвапотранспирации включают неопределенности из ошибок входных данных, допущений моделей и неопределенностей параметров. Количественная оценка и передача этих неопределенностей имеет важное значение для принятия обоснованных решений. Пользователям необходимо понимать надежность оценок эвапотранспирации и то, как неопределенности влияют на их конкретные приложения.

Методы сборки, сочетающие в себе несколько методов оценки, могут обеспечить границы неопределенности и повысить надежность. Вероятностные методы прогнозирования, которые явно представляют неопределенность, становятся все более важными для управления водными ресурсами на основе риска. Разработка стандартизированных подходов к количественной оценке неопределенности и коммуникации повысит практическую ценность информации об испарении.

Адаптация к изменению климата

Изменение климата изменяет модели эвапотранспирации во всем мире посредством изменения температуры, осадков, влажности, солнечной радиации и растительности. Понимание этих изменений и их последствий для водных ресурсов требует улучшенных методов оценки эвапотранспирации, которые учитывают изменяющиеся условия. Исторические отношения между метеорологическими переменными и эвапотранспирацией могут не сохраняться в будущих климатических условиях.

Реакция растительности на повышенные концентрации CO2 в атмосфере влияет на проводимость и эвапотранспирацию в стоматах, но эти эффекты не полностью поняты или включены в методы оценки. Изменение распределения растительности из-за изменения климата, изменения в землепользовании и адаптации к управлению изменят модели эвапотранспирации. Разработка подходов к оценке эвапотранспирации, которые учитывают эти динамические изменения, представляет собой важный рубеж исследований.

Интеграция и доступность

Обеспечение доступности и использования информации об испарении для различных заинтересованных сторон остается сложной задачей. Управляющие водными ресурсами, фермеры и политики нуждаются в данных об испарении в форматах и масштабах, соответствующих их решениям. Удобные для пользователя инструменты, четкая документация и учебные программы могут улучшить поглощение и надлежащее использование информации об испарении.

Интеграция оценок эвапотранспирации с другими инструментами поддержки принятия решений, включая модели сельскохозяйственных культур, контроллеры орошения и системы учета воды, повышает практическую ценность. Облачные платформы, которые объединяют данные о погоде, спутниковые наблюдения и модели эвапотранспирации, могут предоставлять информацию в режиме реального времени пользователям по всему миру. Программное обеспечение с открытым исходным кодом и стандартизированные форматы данных облегчают интеграцию и уменьшают барьеры для принятия.

Многие пользователи могли бы воспользоваться оперативными услугами по эвапотранспирации, которые обеспечивают надежную и своевременную информацию в соответствующих масштабах. Несколько стран и регионов разработали такие услуги, но глобальный охват остается неполным. Международное сотрудничество и обмен знаниями могут ускорить разработку оперативных систем эвапотранспирации, особенно в регионах с ограниченным техническим потенциалом.

Лучшие практики для оценки эвапотраспирации

Успешное применение оценки эвапотранспирации требует внимания к нескольким ключевым соображениям.Следуя установленным передовым практикам, повышает точность, надежность и практическую полезность информации об эвапотранспирации.

Выбор метода

Для составления графика орошения, требующего высокой точности, используйте метод Пенман-Монтейта ФАО с полными данными о погоде, когда это возможно. Для региональных оценок или ситуаций с ограниченными данными упрощенные методы, калиброванные в соответствии с местными условиями, могут обеспечить адекватные результаты. Рассмотрите возможность использования нескольких методов и сравнения результатов для оценки неопределенности.

Понять предположения и ограничения метода. Ни один метод не работает оптимально при любых условиях. Методы, основанные на температуре, могут недооценивать испарение в засушливом адвективном климате. Методы, основанные на радиации, могут быть менее точными во влажных регионах с частым облачным покровом. Методы дистанционного зондирования сталкиваются с проблемами с облачным покровом и требуют тщательной проверки. Выбор методов, подходящих для местных условий, улучшает результаты.

Качество данных и управление ими

Обеспечить высокое качество входных данных с помощью надлежащих процедур калибровки, обслуживания и контроля качества датчиков. Погодная станция, расположенная в соответствии со стандартными рекомендациями, минимизирует ошибки измерения. Регулярная калибровка и замена датчиков поддерживают точность. Автоматизированные процедуры контроля качества идентифицируют и маркируют подозрительные данные. Пропущенные данные должны заполняться с использованием соответствующих методов, а не игнорироваться.

Источники, методы и предположения документов четко. Поддерживают метаданные, описывающие расположение метеостанций, типы датчиков, высоту измерений и любые изменения с течением времени. Процедуры расчета документов, включая версии программного обеспечения, значения параметров и любые модификации стандартных методов. Эта документация обеспечивает воспроизводимость и помогает пользователям понять и надлежащим образом применять оценки эвапотранспирации.

Проверка и калибровка

Проверить оценки эвапотранспирации на независимые измерения, когда это возможно. Данные лизиметра, измерения ковариации Эдди или расчеты водного баланса обеспечивают контрольные показатели валидации. Сравнить оценки из разных методов для выявления расхождений и оценки неопределенности. Проверка выявляет сильные и слабые стороны метода в местных условиях и укрепляет доверие к оценкам.

При необходимости калибровочные методы приводят к местным условиям. Многие эмпирические методы получают выгоду от локальной калибровки с использованием региональных данных. Коэффициенты урожая могут потребовать корректировки для местных разновидностей, методов управления и климата. Алгоритмы дистанционного зондирования часто нуждаются в калибровке с использованием наземных измерений. Однако следует избегать чрезмерной калибровки, которая снижает переносимость метода или физический реализм.

Коммуникация и применение

Представляем информацию об испарении в форматах, полезных для целевой аудитории. Фермеры могут предпочесть простые рекомендации по ирригации, а не сырые значения испарения. Водным менеджерам могут потребоваться пространственно распределенные карты, показывающие модели потребления. Политикам может потребоваться агрегированная статистика на районных или бассейновых масштабах. Привлечение представления информации к потребностям пользователей улучшает поглощение и воздействие.

Предоставить контекст и интерпретацию, чтобы помочь пользователям понять и надлежащим образом применять информацию об эвапотранспирации. Объясните, что представляют собой оценки, их точность и ограничения, и как они должны использоваться. Предложите обучение и поддержку для создания потенциала пользователей. Создайте механизмы обратной связи, чтобы учиться у пользователей и постоянно улучшать продукты и услуги.

Интеграция информации об эвапотранспирации с другими соответствующими данными и инструментами. Сочетание оценок эвапотранспирации с мониторингом влажности почвы, моделями роста сельскохозяйственных культур, прогнозами погоды и экономической информацией обеспечивает более полную поддержку принятия решений. Совместимые системы, которые обмениваются данными и интегрируют несколько инструментов, повышают практическую ценность и принятие пользователей.

Вывод: Путь вперед для науки и практики эвапотраспирации

Точная оценка эвапотранспирации является краеугольным камнем эффективного управления водными ресурсами в 21 веке.По мере того, как глобальный дефицит воды усиливается, население растет, а изменение климата изменяет гидрологические закономерности, потребность в надежной информации об эвапотранспирации становится все более важной. Методы и технологии, доступные сегодня, предоставляют беспрецедентные возможности для измерения и оценки эвапотранспирации в масштабах от отдельных полей до целых континентов.

Метод Пенмана-Монтейта ФАО получил заслуженный статус международного стандарта для эталонного расчета эвапотранспирации, обеспечивая физически обоснованный, глобально проверенный подход, подходящий для различных применений. Дополнительные методы, от простых уравнений на основе температуры до сложных алгоритмов дистанционного зондирования, расширяют возможности оценки эвапотранспирации до ограниченных данными регионов и больших пространственных масштабов. Новые технологии, включая машинное обучение, БПЛА и передовые спутниковые датчики, продолжают расширять границы возможного.

Однако по-прежнему существуют значительные проблемы. Во многих регионах, особенно в развивающихся странах, где дефицит воды зачастую является наиболее острым, сохраняется пробел в данных. Неопределенность количественного определения требует постоянного внимания для обеспечения понимания пользователями надежности оценок эвапотранспирации. Изменение климата вводит нестационарность, которая бросает вызов методам, основанным на исторических отношениях. Перевод научных достижений в практические инструменты, доступные для руководителей водных ресурсов и фермеров, остается постоянным усилием.

Решение этих проблем потребует постоянной приверженности исследованиям, мониторингу инфраструктуры и наращиванию потенциала. Международное сотрудничество может ускорить прогресс, обмениваясь знаниями, данными и технологиями. Программное обеспечение с открытым исходным кодом и стандартизированные методы уменьшают барьеры для принятия. Оперативные услуги, обеспечивающие надежную и своевременную информацию об испарении, поддерживают лучшие решения по управлению водными ресурсами во всем мире.

Применение оценки эвапотранспирации выходит далеко за рамки планирования орошения, охватывая управление правами на воду, мониторинг засухи, управление экосистемами, адаптацию к изменению климата и продовольственную безопасность. По мере того, как вода становится все более дефицитной и ценной, экономическая и социальная важность точной информации об эвапотранспирации будет только расти. Инвестиции в науку об эвапотранспирации и мониторинг инфраструктуры приносят доход за счет повышения эффективности использования воды, повышения производительности сельского хозяйства и более устойчивого управления водными ресурсами.

Для специалистов-практиков, стремящихся реализовать оценку эвапотранспирации, дальнейший путь включает в себя выбор соответствующих методов для имеющихся данных и предполагаемых приложений, обеспечение качества данных, проверку результатов и представление информации в форматах, полезных для лиц, принимающих решения. Следование установленным передовым методам и изучение обширной литературы и опыта работы во всем мире может помочь избежать распространенных ошибок и максимизировать ценность информации эвапотранспирации.

Будущее науки об эвапотранспирации заключается в постоянной интеграции нескольких подходов — сочетания физической строгости методов энергетического баланса, пространственного охвата дистанционного зондирования, возможностей распознавания образов машинного обучения и истины о земле, обеспечиваемой прямыми измерениями. Ни один метод не превосходит во всех ситуациях, но дополнительные сильные стороны различных подходов могут быть использованы для предоставления всеобъемлющей, надежной информации об эвапотранспирации.

Поскольку мы сталкиваемся с водными проблемами предстоящих десятилетий, точная оценка эвапотранспирации будет играть все более важную роль в обеспечении устойчивого использования воды, поддержании продуктивности сельского хозяйства, защите экосистем и адаптации к изменяющимся климатическим условиям. Инструменты и знания существуют для решения этих проблем - задача впереди - эффективно применять их, продолжать продвигать науку и обеспечить, чтобы информация об эвапотранспирации доходила до тех, кто в ней нуждается. Благодаря постоянным усилиям и сотрудничеству наука об эвапотранспирации может внести значительный вклад в глобальную водную безопасность и экологическую устойчивость.

Для дополнительных ресурсов по оценке эвапотранспирации и управлению водными ресурсами рассмотрите возможность изучения Отдела земельных и водных ресурсов ФАО, который предоставляет обширные рекомендации по практике ирригации и управления водными ресурсами, и программы Геологической службы США (FLT: 2) по водным ресурсам (FLT: 3), которая предлагает данные, инструменты и исследования по эвапотранспирации и доступности воды в Соединенных Штатах.