不同ET0計(jì)算方法在內(nèi)蒙古東部地區(qū)適用性比較

湯鵬程，何　蒙，苗　澍，郭克貞，任　杰，王海瑞

(1.中國水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；

2.河北省水利科學(xué)研究院， 河北 石家莊 050000；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

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不同ET0計(jì)算方法在內(nèi)蒙古東部地區(qū)適用性比較

湯鵬程1，何蒙2，苗澍1，郭克貞1，任杰1，王海瑞3

(1.中國水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；

2.河北省水利科學(xué)研究院， 河北 石家莊 050000；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

摘要：內(nèi)蒙古東部地區(qū)，土地資源豐富，但氣象站點(diǎn)偏少，相關(guān)氣象資料匱乏，應(yīng)用FAO56 Penman-Monteith法計(jì)算ET0在多數(shù)地區(qū)相對(duì)困難。依據(jù)內(nèi)蒙古東部地區(qū)典型氣象站點(diǎn)(通遼氣象站)1974—2013年40年氣象資料，以FAO56 Penman-Monteith法作為標(biāo)準(zhǔn)，以FAO-17 Penman法、Hargreaves-Samani法、Priestley-Taylor法、Irmark-Allen擬合法分別對(duì)ET0進(jìn)行計(jì)算，就其與FAO56 Penman-Monteith法的相關(guān)性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，Hargreaves-Samani法和Priestley-Taylor法的計(jì)算結(jié)果要明顯高于FAO56 Penman-Monteith法計(jì)算所得的結(jié)果，不適合內(nèi)蒙古東部地區(qū)應(yīng)用；FAO-17 Penman法結(jié)果與FAO56 Penman-Monteith法相關(guān)性最好，但是4—9月份相對(duì)誤差較大；Irmark-Allen擬合法結(jié)果最接近FAO56 Penman-Monteith法(相對(duì)誤差<19%，R2>0.92)，計(jì)算簡(jiǎn)單且所需氣象資料最少，更適宜內(nèi)蒙古東部地區(qū)缺測(cè)氣象條件下ET0的計(jì)算。

關(guān)鍵詞：參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)；ET0計(jì)算方法；Irmark-Allen擬合法；內(nèi)蒙古東部

內(nèi)蒙古東部地區(qū)土地資源豐富，但該地區(qū)水資源不足，嚴(yán)重制約了其糧食生產(chǎn)能力，針對(duì)該地區(qū)參考作物騰發(fā)蒸騰量(ET0)的研究，有助于大幅度提高其水資源利用效率[1]，使其土地資源與光熱資源優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。ET0的獲取是計(jì)算作物需水量的關(guān)鍵[2-4]。國際糧農(nóng)組織(FAO)推薦采用FAO56 Penman-Monteith公式作為計(jì)算ET0的標(biāo)準(zhǔn)方法，由于該方法較全面地考慮了影響作物蒸發(fā)、蒸騰的各種因素，并且在氣候條件差異較大的不同地區(qū)均取得了較好的應(yīng)用效果。但由于內(nèi)蒙古東部地區(qū)氣象站點(diǎn)有限，氣象資料匱乏，應(yīng)用FAO56 Penman-Monteith法相對(duì)困難，需采用一種所需資料少且計(jì)算精度較高的替代方法[5-7]。通遼市是內(nèi)蒙古節(jié)水增量計(jì)劃實(shí)施的重點(diǎn)地區(qū)，為此本文選擇通遼市1974—2013年40年間逐日氣象資料，以FAO56 Penman-Monteith法為標(biāo)準(zhǔn)方法，分析Priestley-Taylor法、FAO-17 Penman、Hargreaves-Samani法和Irmark-Allen擬合法ET0計(jì)算結(jié)果與其相關(guān)性，評(píng)價(jià)各方法的適用性，為缺測(cè)氣象數(shù)據(jù)條件下內(nèi)蒙古東部地區(qū)ET0適宜計(jì)算方法的選取提供依據(jù)[8-10]。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源與計(jì)算方法

計(jì)算所涉及的氣象資料來自國家氣象資料中心，包括通遼市氣象站(區(qū)站號(hào)54135)1974—2012年逐日氣象資料，計(jì)算方法如下：

(1) FAO56 Penman-Monteith公式(FAO56 PM法)[11-14]：

根據(jù)重新定義的ET0概念，F(xiàn)AO提供了新的ET0計(jì)算式，即：

(1)

式中，ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mm·d-1)；Rn為冠層表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；T為平均氣溫(℃)；u2為高度2.0m處風(fēng)速(m·s-1)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa·℃-1)；γ為濕度計(jì)常數(shù)(kPa·℃-1)。

(2)FAO17PM法[11]

1979年聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的彭曼修正式(FAO-17Penman)，該方法需要?dú)鉁?、相?duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速資料，公式如下：

(2)

式中，ET0p為FAO17Penman法得到的ET0(mm·d-1)；p0為海平面氣壓(hPa)；p為本站氣壓(hPa)；a1=0.26，b1=0.14；Rn為冠層表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)。

(3)Priestley-Taylor法(PT法)[11]

Priestley-Taylor(1972)以平衡蒸發(fā)為基礎(chǔ)，假設(shè)周圍環(huán)境濕潤的前提下，忽略空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)而得出的簡(jiǎn)化方程，該方法由于需要輸入?yún)?shù)較少而得到廣泛應(yīng)用，其公式如下：

(3)

式中，ET0PT為應(yīng)用Priestley-Taylor法所得的ET0(mm·d-1)，α值為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1.26；Rn為冠層表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)。

(4)Irmark-Allen擬合法(IA擬合法)[11]

根據(jù)美國濕潤地區(qū)資料得到的經(jīng)驗(yàn)公式，該方法需要?dú)鉁?、日照時(shí)數(shù)、地理位置資料。

ET0IA=0.489+0.289Rn+0.023T

(4)

式中，ET0IA為應(yīng)用IA擬合法所得的ET0(mm·d-1)；T為平均氣溫(℃)。

(5)Hargreaves-Samani法(HS法)[11]

該方法在缺少輻射資料的地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用，并被證明是一種有效的估算方法，該方法只需要?dú)鉁睾偷乩砦恢脭?shù)據(jù)。

ET0HS=0.0023Ra(T+17.8)TD0.5

(5)

式中，ET0HS為應(yīng)用HS法所得的ET0(mm·d-1)；TD為最高與最低氣溫之差(℃)；Ra為天頂輻射(MJ·m-2·d-1)，可由溫度估算得到；T為平均氣溫(℃)。

1.2研究區(qū)概況與代表性分析

通遼市地處內(nèi)蒙古東部(北緯42°15′～45°41′、東經(jīng)119°15′～123°43′之間 )，年糧食產(chǎn)量占內(nèi)蒙古糧食總產(chǎn)量的1/4,是內(nèi)蒙古自治區(qū)的糧食主產(chǎn)區(qū)，平均海拔在150～400 m之間，平均降水量在220～650 mm之間，基本代表了內(nèi)蒙古東部地區(qū)半干旱大陸性季風(fēng)氣候與沙質(zhì)沖積平原的地理特點(diǎn)。

1.3數(shù)據(jù)處理

為更好地反映各計(jì)算方法在不同降雨頻率下的適用性，依降水保證率的不同，將通遼地區(qū)不同年份劃分為干旱水文年、正常水文年和濕潤水文年(一般把保證率為25%的降雨年份作為濕潤水文年,50%保證率的降雨年份作為中等水文年,75%保證率的降雨年份作為干旱年,而把接近95%保證率的年份作為特別干旱年),計(jì)算過程如下：

(1) 樣本數(shù)：n=30 (選用30 a降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行研究)，N=5×lg30=5×1.477=7.386，取N=8(組)，選最大值665 mm(1990年)，取Amax=680；最小值217.5 mm(2006年)，取Bmin=200。

(6)

組界：上限680 mm，下限200 mm。第1組至第8組組界分別為679～620 mm，619～560 mm，559～500 mm，499～440 mm，439～380 mm，379～320 mm，319～260 mm，259～200 mm。

(2) 頻率的求算

頻率是指某一現(xiàn)象在若干次觀測(cè)或試驗(yàn)中，實(shí)際出現(xiàn)的次數(shù)，也被稱作頻數(shù)(m)占觀測(cè)或試驗(yàn)總次數(shù)(n)的百分比，即：

(7)

頻率是一個(gè)相對(duì)數(shù)，沒有單位，取整數(shù)，小數(shù)四舍五入。由于頻率是個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，需要年限較長(一般要求20～30 a以上)的資料，這樣統(tǒng)計(jì)出來的頻率才有代表性。

(3) 保證率的求算

保證率的計(jì)算就是累積頻率的統(tǒng)計(jì)，但氣象要素保證的計(jì)算有方向性，即根據(jù)研究問題的性質(zhì)和氣候要素的變化特點(diǎn)，確定是求高于或低于某一界限的保證率。

(4) 水文年選取

由保證率計(jì)算得出，濕潤水文年為降雨量大于500 mm·a-1；正常水文年降雨量控制在400～500 mm·a-1；干旱水文年降雨量小于400 mm·a-1。

表1　不同降水保證率劃分

2結(jié)果與分析

2.1不同方法ET0計(jì)算結(jié)果

用上述5種方法分別計(jì)算通遼市1974—2013年逐日ET0，統(tǒng)計(jì)得到多年月平均值，具體結(jié)果如表2所示。由圖1可看出，5種方法計(jì)算的ET0逐月變化趨勢(shì)基本相同，但數(shù)值大小上存在較顯著差異。不同方法計(jì)算出的ET0多年月均值在1—2月及11—12月差值較小，從3月份開始各種方法計(jì)算結(jié)果開始產(chǎn)生明顯差異，其中5—9月份不同方法的計(jì)算誤差較大，個(gè)別方法與FAO56 PM法計(jì)算結(jié)果相比，差值超過200 mm。

由于FAO17 PM法與FAO56 PM法各自采用不同的空氣動(dòng)力項(xiàng)和輻射項(xiàng)，造成兩者產(chǎn)生相對(duì)誤差，F(xiàn)AO17 PM法結(jié)果大于FAO56 PM法的主要原因是FAO Penman法沒有考慮土壤熱通量的影響，輻射變化及風(fēng)速也是引起偏差的原因；Priestley-Taylor法屬于ET0計(jì)算中的輻射法，采用輻射數(shù)據(jù)與溫度兩項(xiàng)指標(biāo)，3—10月輻射較強(qiáng)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果(3—10月份月均值)偏差較大；Hargreaves-Samani屬于溫度算法，只需要最高氣溫Tmax(℃)、最低氣溫Tmin(℃)和宇宙輻射Ra(MJ·m-2·d-1，可由溫度估算得到)3個(gè)輸入?yún)?shù)，且該法沒有考慮濕度和陰云對(duì)ET0的影響，也導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果(3—10月份月均值)偏差較大；Irmark-Allen擬合法計(jì)算的月平均值與FAO56 PM方法最為接近，只有在5月份略低于FAO56 PM的月平均值，這是由于此時(shí)(春末、夏初)的氣象條件變化幅度較大，IA擬合法作為經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)某一個(gè)氣象條件有劇烈變化時(shí)不能平衡地兼顧計(jì)算結(jié)果。但綜合考慮，IA擬合法的計(jì)算結(jié)果仍較好。綜上所述，在內(nèi)蒙古缺少氣象資料的地區(qū)，可以考慮使用IA擬合法代替FAO56 PM方法。

2.2不同方法計(jì)算的月ET0與FAO56 PM法計(jì)算結(jié)果的相關(guān)性

以FAO56 PM為基準(zhǔn)，通過線性回歸分析其它方法與FAO56 PM的相關(guān)性。由表3可知，4種方法計(jì)算結(jié)果與FAO56 PM法計(jì)算結(jié)果的決定系數(shù)(R2)均大于0.89，說明在不考慮偏離程度的情況下，各方法計(jì)算結(jié)果間的相關(guān)性均較好。其中，F(xiàn)AO17 PM法在不同水文年R2均超過0.96，與FAO56 PM法線性相關(guān)最顯著?？紤]到相對(duì)誤差，Irmark-Allen擬合法的計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差均在19%以內(nèi)，均為同組中最小值，且其在正常、干旱水文年的結(jié)果優(yōu)于豐水年。其次為FAO17 Penman法，相對(duì)誤差在40%左右。Hargreaves-Samani法和Priestley-Taylor法計(jì)算相對(duì)誤差較大，部分結(jié)果甚至大于100%，不適合在內(nèi)蒙古東部地區(qū)應(yīng)用。

表2　正常水文年5種方法計(jì)算的ET0月平均值/mm

圖1　不同水文年情況下5種方法計(jì)算的ET0月平均值

注：δ表示不同方法計(jì)算結(jié)果與FAO56 PM法計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差。

Note:δindicates the relative error between calculated results by different methods with the FAO56 PM method.

3結(jié)論

本文依據(jù)通遼市1974—2013年40 a的氣象資料，以FAO56 PM法為標(biāo)準(zhǔn)，以FAO17 PM法、PT法、IA擬合法、HS法為對(duì)照分別對(duì)ET0進(jìn)行計(jì)算，研究認(rèn)為：(1) 對(duì)于內(nèi)蒙古東部地區(qū)，5種計(jì)算方法在不同水文年計(jì)算的ET0月均值變化趨勢(shì)基本一致，月均值在5月份達(dá)到最大，年初與年尾均較低；HS法和PT法的計(jì)算結(jié)果要明顯高于FAO56 PM法計(jì)算所得的結(jié)果，不適合內(nèi)蒙古東部地區(qū)應(yīng)用；FAO17 PM法的計(jì)算結(jié)果的線性相關(guān)關(guān)系在4種方法里表現(xiàn)最好，即不同月份變化趨勢(shì)與FAO56 PM法最接近，但5—8月份相對(duì)誤差較大。(2) 綜合考慮線性相關(guān)與相對(duì)誤差分析，IA擬合法的計(jì)算結(jié)果更接近于FAO56 PM法計(jì)算所得的結(jié)果，誤差最小，且其計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，所需氣象資料較少，在內(nèi)蒙古缺少氣象資料的地區(qū)，可以考慮使用IA擬合法代替FAO56 PM方法。(3) 由于研究條件所限，本文未能對(duì)FAO56 PM法和IA擬合法在內(nèi)蒙古東部地區(qū)的參數(shù)進(jìn)行率定，對(duì)于5月份IA擬合法計(jì)算結(jié)果偏小的問題，應(yīng)該對(duì)其乘以一個(gè)大于1的系數(shù)用于校核糾正，下一步研究應(yīng)依托大型蒸滲儀等對(duì)其參數(shù)進(jìn)一步修正，有可能得到更精確的結(jié)果。

致謝：感謝“內(nèi)蒙古東部節(jié)水增糧高效灌溉技術(shù)集成研究與規(guī)?；痉丁表?xiàng)目組成員對(duì)該項(xiàng)目的支持；感謝內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生王海瑞、河北省水利科學(xué)研究院何蒙對(duì)野外試驗(yàn)工作的支持；感謝通遼市水利技術(shù)推廣站李鶴、李嘉琪對(duì)項(xiàng)目工作的配合與支持。

參 考 文 獻(xiàn)：

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Suitability comparison of differentET0 estimating methods in

eastern part of Inner Mongolia

TANG Peng-cheng1, HE Meng2, MIAO Shu1, GUO Ke-zhen1, REN Jie1, WANG Hai-rui3

(1.InstituteofWaterResourcesforPastureAreaofIWHR,Hohhot,InnerMongolia010020,China;

2.HebeiInstituteofWaterConservancyScientificResearch,Shijiazhuang,Hebei050000,China;

3.WaterConservancyandCivilEngineeringCollege,InnerMongoliaAgriculturalUniversityHohhot,InnerMongolia010020,China)

Abstract：In eastern part of Inner Mongolia, the land resource is rich, but fewer meteorological station and lack of related meteorological data, so application of FAO56 Penman-Monteith method to calculateET0 in most areas is rather difficult. This paper according to the 40 a (1974—2013) meteorological data from typical meteorological station (Tongliao) in eastern part of Inner Mongolia, taking FAO56 Penman-Monteith formula as the standard and FAO-17 Penman method, Priestley-Taylor method, Hargreaves-Samani method, Irmark-Allen fitting method as control, calculated theET0 respectively. At the same time, carried out the relativity analysis with the FAO56 Penman-Monteith method. The results showed that: The calculation results by Priestley-Taylor method and Hargreaves-Samani method were obviously higher than the FAO56 Penman-Monteith method, so these two methods were not suitable to use in eastern part of Inner Mongolia. The correlation was the best by FAO-17 Penman method, but the relative error in April to September was rather big. The calculation result by Irmark-Allen fitting method was the most close to the FAO56 Penman-Monteith method (relative error<19%，correlation coefficientR2>0.92), which needs less meteorological data and simple calculation. Therefore, the Irmark-Allen fitting method is more suitable to calculate theET0 in eastern part of Inner Mongolia which is lack meteorological data.

Keywords:reference crop evapotranspiration;ET0 calculation method; Irmark-Allen fitting method; eastern part of Inner Mongolia

中圖分類號(hào)：S161.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：湯鵬程(1988—)，男，河北石家莊人，助理工程師，主要從事草地節(jié)水灌溉研究。 E-mail：tangpc1988@163.com。

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃課題“內(nèi)蒙古東部節(jié)水增糧高效灌溉技術(shù)集成研究與規(guī)?；痉丁?2014BAD12B03)；內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科技項(xiàng)目“通遼平原玉米噴灌水肥一體化技術(shù)研究”

收稿日期：2015-01-16

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.06

文章編號(hào)：1000-7601(2016)01-0038-05