楊永剛,崔寧博,2**,胡笑濤,龔道枝,李 晨,賈 悅
(1. 四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室水利水電學院,成都 610065;2. 南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點實驗室,成都 610066;3. 西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室,楊凌 712100;4. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所作物高效用水與抗災減損國家工程實驗室,北京 100081)
蒸散發(fā)(evapotranspiration,ET)是指地表水向大氣傳輸?shù)倪^程,是陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間水量循環(huán)和能量交換最主要的氣象因子[1]。ET的精確評估對土壤水分平衡模擬、灌溉制度確定與水資源管理規(guī)劃具有重要意義[2]。ET的確定方法可分為直接法和間接法,其中使用蒸滲儀或水量平衡法直接測定ET是主要方法,但其過程復雜,且費用昂貴,區(qū)域局限性較強,難以在大范圍內(nèi)推廣,因此,采用參考作物蒸散量(reference crop evapotranspiration,ET0)與作物系數(shù)Kc的乘積來表征ET是最為簡潔的方法。ET0是與作物類型、生長狀況、土壤條件及管理技術水平相獨立的大氣蒸發(fā)能力表征參數(shù)[3],可直接由氣象數(shù)據(jù)計算得到。目前,ET0計算方法約 50種[4],可分為水量平衡法、物質(zhì)傳導法、綜合法、溫度法、輻射法和蒸發(fā)皿法等[5-6],但受區(qū)域氣候特征差異性的影響,計算精度差異較大。FAO-56 Penman-Monteith(PM法)法已被驗證在不同區(qū)域和不同氣候條件下均具有較高的計算精度[3],并被FAO推薦為ET0計算的唯一標準方法,但該方法對氣象數(shù)據(jù)要求高,輸入?yún)?shù)多,在氣象數(shù)據(jù)不完整或氣象站點缺少的區(qū)域難以使用,因此,輸入氣象參數(shù)更少的 ET0簡化模型被相繼提出,例如基于溫度的Hargreaves-Samani法(HS法)[7]、基于輻射的Priestley- Taylor法(PT 法)[8]、經(jīng)驗法中的Irmark-Allen法(IA法)[9]及綜合法中的Penman-Van Bavel法(PVB法)[10],但這些模型的計算精度易受氣候條件和地理位置等因素的影響[11],因此,需針對不同區(qū)域?qū)ζ溥M行適應性評價及改進。
國內(nèi)針對不同區(qū)域的 ET0簡化模型適應性評價及改進已有研究。劉曉英等[12]評估了 Hargreaves、McCloud和Thornthwaite 3種溫度法在華北地區(qū)的適用性,認為Hargreaves與PM 法吻合最好;李志等[13]評估了6種ET0簡易估算方法在黃土高原的適用性,推薦在該地區(qū)使用FAO-24 BC和Hargreaves法;賈悅等[4]評估了 HS法等 6種方法在長江流域的適用性,指出PVB法與PT法在整個長江流域的計算精度較高,可作為長江流域 ET0簡化模型;李晨等[11]評估了四川省不同區(qū)域具有代表性的 6種簡化模型的適應性,認為HS法、PT法和PVB法較為精準;胡慶芳等[14]針對中國105個氣象站對Hargreaves法進行全局校正,并分析校正后的 Hargreaves法在中國7個區(qū)域的適用性,發(fā)現(xiàn)校正后的Hargreaves法在青藏高原及毗鄰區(qū)和西南、西北地區(qū)均具有較強的適用性。
都江堰灌區(qū)、河套灌區(qū)和淠史杭灌區(qū)是中國最具典型性的特大型灌區(qū),地理位置跨度大,氣候差異明顯,分屬亞熱帶濕潤、中溫帶季風和亞熱帶向暖溫帶過渡氣候區(qū),對其所屬氣候條件下的灌區(qū)具有很強代表性,以三大灌區(qū)為研究區(qū)域的模型適應性評價及修訂對指導灌區(qū)提高灌溉決策水平、推廣精準灌溉及促進農(nóng)田高效用水具有重要的現(xiàn)實意義。溫度法的輸入變量以氣溫和日照時數(shù)為主,均可便捷獲得,因此,溫度法在缺少標準氣象站資料的地區(qū)具有較高的應用價值。為充分考慮各溫度法的結構特點與各灌區(qū)氣候條件的適應性,選擇 Irmark-Allen(IA)法、Hargreaves and Samani(HS)法、Turc(Tur)法、McCloud(MC)法、Schendel(Sch)法、Trajkovic(Tra)法、Droogres and Allen-1(DA?1)法和 Droogres and Allen-2(DA?2)8種最常見溫度法?;?8種溫度法與PM法計算的 ET0日值的線性回歸方程(y=kx+b),在各灌區(qū)選取k值接近于1的模型進行模型修訂,并以PM法計算結果為標準,對各灌區(qū)所選溫度法的ET0日值、旬值和月值進行比較分析,從而遴選出各灌區(qū)ET0計算精度最高的溫度法。
都江堰灌區(qū)位于四川盆地西部,地跨岷江、涪江和沱江三大流域,灌溉面積6.96×105hm2,屬亞熱帶濕潤氣候,氣候溫和,降雨豐沛,年均降水量為880~1250mm[15];河套灌區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部的巴彥淖爾盟,北依陰山山脈的狼山、烏拉山南麓洪積扇,南臨黃河,東至包頭市郊,西接烏蘭布和沙漠,灌溉面積6.01×105hm2[16],屬典型的中溫帶季風氣候,夏季高溫干旱、冬季嚴寒少雪,無霜期短,封凍期長,年蒸發(fā)量高達2400mm;淠史杭灌區(qū)位于安徽省中西部大別山余脈的丘陵地帶,北倚淮河,南靠大別山,東臨巢湖及鄰廬斷裂低山丘陵[17],灌溉面積6.84×105hm2,屬亞熱帶向暖溫帶過渡氣候,四季分明,氣候溫和,雨量豐沛,光照充足。綜合考慮站點位置及氣象數(shù)據(jù)完整性,在都江堰灌區(qū)選取成都、綿陽與遂寧 3個站點,在河套灌區(qū)選取臨河和杭錦后旗 2個站點,在淠史杭灌區(qū)選取六安、合肥及壽縣 3個站點作為代表性站點,灌區(qū)區(qū)域及站點分布如圖1所示。
氣象資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)。以成都、綿陽、遂寧、臨河、杭錦后旗、六安、合肥和壽縣8個站點1961?2014年54a逐日氣象數(shù)據(jù)為基本資料,包括日最高氣溫(℃)、日最低氣溫(℃)、風速(m·s?1)、日照時數(shù)(h·d?1)、日平均空氣相對濕度(%),其中缺測數(shù)據(jù)占全部數(shù)據(jù)的0.77%,采用線性內(nèi)插法和多年平均值法補全。各站點氣象數(shù)據(jù)的多年平均值如表1所示。由表可知,各灌區(qū)不同站點之間氣象條件相近,不同灌區(qū)之間存在較大差距。河套灌區(qū)氣溫最低,都江堰灌區(qū)和淠史杭灌區(qū)相近;都江堰灌區(qū)風速最小,為1.1m·s?1,河套灌區(qū)和淠史杭灌區(qū)相近,分別為2.37和2.58m·s?1;都江堰灌區(qū)相對濕度最大,為79.4%,其次是淠史杭灌區(qū),為72.55%,河套灌區(qū)的臨河站點靠近黃河,因此,相對濕度較杭錦后旗更大,分別為70.03%和50.96%;河套灌區(qū)日照時數(shù)最長,為 8.73h·d?1,其次是淠史杭灌區(qū),為 5.88h·d?1,都江堰灌區(qū)最短,為 3.13h·d?1。
1.3.1 計算方法
采用PM法和8種溫度法計算三大灌區(qū)參考作物蒸散量(表2)。PM法以能量平衡和空氣動力學原理為基礎,綜合考慮溫度、輻射、風速、濕度和地域位置(海拔和緯度)的影響,已被證實在不同的區(qū)域和不同的氣候條件下均具有較高的計算精度,故以PM法計算結果為標準。
1.3.2 評價方法
采用均方根誤差(RMSE)、平均相對誤差(MRE)和Nash-Sutcliffe系數(shù)(NS)評價各溫度法的計算精度及一致性。其中RMSM與MRE越小,NS越接近于1,說明該方法計算精度越高,其計算式為
式中,ET0?i為各 ET0計算方法的計算結果(mm·d?1); E T0?PM?i為 PM 法的計算結果(mm·d?1);為PM法計算結果平均值(mm·d?1);N為樣本總數(shù);i為樣本次序。
圖1 中國三大灌區(qū)及其代表性站點分布Fig. 1 Distribution of the three irrigation districts of China and representative meteorological stations
表1 各灌區(qū)站點氣候因子的多年平均值(1961?2014年)Table 1 Statistics of multi-year average value of meteorological factors in each station from 1961 to 2014
表2 參考作物蒸散量計算方法Table 2 The calculation methods for reference crop evapotranspiration(ET0)
利用三大灌區(qū)8個站點1961?2014年逐日氣象資料和各溫度法計算ET0日值,與同期PM法計算的ET0進行線性回歸比較,模擬的線性方程(y=kx+b)計算結果見表3。由表可見,雖然各方程的決定系數(shù)(R2)間具有明顯差異,但相關系數(shù)均通過了P<0.01水平的顯著性檢驗,說明各溫度法計算ET0日值與同期PM法計算結果間具有極顯著的相關性。若不考慮截距b值的大小,僅以k值接近1作為判斷標準在各灌區(qū)進行選擇,則都江堰灌區(qū)的IA法和Tra法,三站斜率平均值分別為0.988和1.057,k值最接近1,該站其它模型模擬結果與同期PM法計算ET0間線性回歸方程的k值均與1相差較大,不予考慮;河套灌區(qū)的 HS法、DA?1法和 DA?2法,斜率分別為0.973、1.004和1.037,接近1;淠史杭灌區(qū)的IA法、HS法、DA?1法和DA?2法,斜率分別為0.921、1.023、1.073和1.093,接近1。
k值接近1而b值不為0,說明在三大灌區(qū)所選這些方法中,溫度法模擬ET0日值與同期PM法計算結果間存在一定的系統(tǒng)性偏差,因此,設想將溫度法模擬ET0日值統(tǒng)一增加(b為負值時)或減少(b為正值時)偏差平均數(shù)(同一灌區(qū)內(nèi)站點b值平均),即對原模型減去一個常數(shù)項進行修訂,重新與同期PM法計算結果間進行相關分析。結果顯示,線性回歸方程的斜率k和決定系數(shù)R2均無變化,僅b值發(fā)生了明顯改變(表4),方程與 1:1線更加靠近,各溫度法模擬結果與同期PM法計算結果趨于一致。各模型修訂結果見表5。
2.2.1 日尺度ET0擬合精度
采用RMSE、MRE和NS指標對各灌區(qū)所選溫度法及其修訂模型與PM法計算的各站點1961?2014年ET0日值進行比較,其評價結果見表6。由表可見,都江堰灌區(qū)與淠史杭灌區(qū)所選模型修訂后各項評價指標表現(xiàn)均有明顯提高,都江堰灌區(qū) IA-Du和 Tra-Du法,與原模型相比,其RMSE均值分別從1.072和0.762mm·d?1降至 0.318 和 0.503mm·d?1,MRE 分別從0.750和0.381降至0.120和0.236,NS分別從0.140和0.566提高為0.923和0.811。淠史杭灌區(qū)IA-Pi、HS-Pi、DA?1-Pi和DA?2-Pi法,與原模型比較,其RMSE均值分別從 1.013、0.895、1.194 和 1.055mm·d?1降至0.534、0.662、0.740 和 0.750mm·d?1,MRE 分別從0.610、0.371、0.530和 0.430降至 0.195、0.282、0.318和 0.307,NS分別從 0.500、0.609、0.307和 0.457提高為0.861、0.786、0.728和0.725。河套灌區(qū)所選模型修訂后的各評價指標均無明顯變化。對比各灌區(qū)不同模型ET0日值的RMSE、MRE和NS評價指標可知,都江堰灌區(qū)的IA-Du法、河套灌區(qū)的HS法以及淠史杭灌區(qū)的IA-Pi法均優(yōu)于對應灌區(qū)的其它模型。
表3 1961?2014年三大灌區(qū)各溫度法與PM法模擬ET0日值線性擬合結果(N=19710)Table 3 The linear fitting results of daily ET0 simulated by temperature-based methods and PM method in the three irrigation districts of China from 1961 to 2014(N=19710)
表4 三大灌區(qū)所選模型修訂后ET0日值與PM法計算結果的線性擬合結果(N=19710)Table 4 The linear fitting results of daily ET0 calculated by revised temperature-based methods and PM method in the three irrigation districts of China(N=19710)
表5 各灌區(qū)溫度法的修訂結果Table 5 Revised temperature-based methods for each irrigation district
表6 三大灌區(qū)溫度法模型修訂前后日尺度計算ET0的精度評價(與PM法比較)Table 6 Accuracy evaluation of daily ET0 of temperature-based methods before and after the revision compared with daily ET0 of PM method in the three irrigation districts of China
2.2.2 旬尺度ET0擬合精度
利用三大灌區(qū)8個站點1961?2014年旬平均氣象資料和各灌區(qū)所選修訂前后溫度法計算 ET0旬值,與同期PM法計算的ET0旬值進行比較,計算所得RMSE、MRE、NS和R2指標結果見表7。由表可見,模型修訂后,R2沒有變化,RMSE、MRE和 NS則有不同程度的變化。都江堰灌區(qū)與淠史杭灌區(qū)所選模型修訂后RMSE、MRE和NS指標表現(xiàn)均有明顯提高,IA-Du、Tra-Du、IA-Pi、HS-Pi、DA?1-Pi和 DA?2-Pi法,與原模型相比,其 RMSE分別從1.056、0.709、0.949、0.786、1.139 和 0.970mm·d?1降低為 0.201、0.361、0.390、0.455、0.593和0.584mm·d?1,MRE 分別從 0.712、0.372、0.507、0.293、0.451和0.357降低為0.164、0.093、0.167、0.199、0.243和 0.227,NS分別從?0.112、0.525、0.362、0.579、0.119和0.359提高為0.959、0.877、0.896、0.858、0.761和0.767;河套灌區(qū)所選模型修訂后RMSE、MRE和NS指標均無明顯變化。對比各灌區(qū)模型ET0旬值的RMSE、MRE、NS和R2評價指標可知,都江堰灌區(qū)的 IA-Du法、河套灌區(qū)的HS法以及淠史杭灌區(qū)的IA-Pi法均優(yōu)于對應灌區(qū)的其它模型。
表7 三大灌區(qū)溫度法模型修訂前后旬尺度計算ET0的精度評價(與PM法比較)Table 7 Accuracy evaluation of average ET0 of ten days of temperature-based methods before and after the revision compared with average ET0 of ten days of PM method in the three irrigation districts of China
2.2.3 月尺度ET0擬合精度
(1)都江堰灌區(qū)
利用都江堰灌區(qū)3個站點1961?2014年月平均氣象資料和該灌區(qū)所選修訂前后溫度法計算 ET0月值,與同期PM法計算的ET0月值進行比較,其結果見圖2。由圖可知,成都、綿陽和遂寧3個站點均顯示:IA法和Tra法計算的月值大于PM法,模型修訂后 IA-Du法和 Tra-Du法平均減小了 1.05和0.47mm·d?1,年內(nèi)變化趨勢與PM法更趨一致,IA-Du法和 Tra-Du法的全年累積誤差分別從 12.5mm和7.7mm減小為1.0mm和3.2mm,模型修訂后計算精度均有所提高。IA-Du法在全年均具有較高計算精度,而Tra-Du法僅在1?4月和8?12月有較高的計算精度,因此,IA-Du法是都江堰灌區(qū) ET0月值計算精度最高的溫度法。
(2)河套灌區(qū)
利用河套灌區(qū)2個站點1961?2014年月平均氣象資料和該灌區(qū)所選修訂前后溫度法計算ET0月值,與同期PM法計算的ET0月值進行比較,其結果見圖3。由圖可知,臨河和杭錦后旗站點均顯示:HS-He、DA?1-He和DA?2-He法計算的月值與原模型相比并無明顯變化,計算精度提高不明顯;所有溫度法計算的月值在1?5月和10?12月均與PM法具有較高擬合度,在 6?9月則偏大。從月值的年內(nèi)變化趨勢和累積誤差來看,HS法和HS-He法是河套灌區(qū)ET0月值計算精度最高的溫度法。
圖2 都江堰灌區(qū)不同溫度法與PM法月尺度計算ET0結果的對比Fig. 2 Comparison of monthly ET0 calculated by different temperature-based methods and PM method in Dujiangyan irrigation district
圖3 河套灌區(qū)不同溫度法與PM法月尺度計算ET0結果的對比Fig. 3 Comparison of monthly ET0 calculated by different temperature-based methods and PM method in Hetao irrigation district
(3)淠史杭灌區(qū)
利用淠史杭灌區(qū)3個站點1961?2014年月平均氣象資料和該灌區(qū)所選修訂前后溫度法計算ET0月值,與同期PM法計算的ET0月值進行比較,其結果見圖4。由圖可知,六安、合肥和壽縣3站點均表現(xiàn)為IA、HS、DA?1和DA?2法計算的月值大于PM 法,模型修訂后 IA-Pi、HS-Pi、DA?1-Pi和 DA?2-Pi法平均減小了1.07、0.55、0.77和0.55mm,年內(nèi)變化趨勢與PM法更趨于一致,全年累積誤差分別從10.9、7.9、12.1和10.0mm減小為2.4、4.0、5.6和5.5mm,模型修訂后計算精度提高明顯。HS-Pi、DA?1-Pi和 DA?2-Pi計算的月值在 1?4 月和 9?12 月均與PM法具有較高擬合度,在5?8月則偏大,而由IA-Pi法計算的月值則在全年均與PM法保持較高的擬合度。因此,IA-Pi法在淠史杭灌區(qū)ET0月值計算精度最高。
圖4 淠史杭灌區(qū)不同溫度法與PM法月尺度計算ET0結果的對比Fig. 3 Comparison of monthly ET0 calculated by different temperature-based methods and PM method in Pishihang irrigation district
PM法綜合考慮了氣溫、濕度、輻射、風速和地域位置(海拔和緯度)的影響[5],已被證實在干旱和濕潤的氣候條件下均能得到相對精確、一致的結果,而溫度法一般只考慮了氣溫和輻射的影響,如果以PM 法的計算結果為參照,那么當溫度、濕度和地域位置隨區(qū)域或季節(jié)的改變而改變時,其計算精度也會隨之改變,因此,需針對不同的區(qū)域或氣候條件進行模型修正。本研究基于8種溫度法與PM法計算的ET0日值的線性回歸方程(y=kx+b),在各灌區(qū)選取k值接近1的模型,對原模型統(tǒng)一增加(b為負值時)或減少(b為正值時)偏差平均數(shù)(同一灌區(qū)內(nèi)站點 b值平均)進行修訂,但實際上采用此方法修訂的模型只有在原模型k接近1,且b值絕對值較大時,其計算精度才會有明顯的提高,正因如此,都江堰灌區(qū)與淠史杭灌區(qū)所選模型修訂后計算精度有明顯提高,而河套灌區(qū)所選模型修訂后計算精度提高不明顯。
三大灌區(qū)氣候條件差異較大,因此,各溫度法在三大灌區(qū)的表現(xiàn)也有所不同。IA法是針對濕潤地區(qū)的擬合經(jīng)驗模型,以輻射和氣溫為輸入變量,其計算結果在都江堰灌區(qū)和淠史杭灌區(qū)均較 PM 法偏大,但模型修訂后計算精度均達到了較高的水平,說明IA法適宜于濕潤地區(qū),但需要根據(jù)濕潤地區(qū)不同氣候特征通過加(或減)一個常數(shù)對其進行修訂,在河套灌區(qū)IA法的k和R2均與1相差較遠,說明IA法不適于干旱地區(qū)。Tra法、DA?1法和DA?2法是HS法的改進模型,以輻射和氣溫為輸入變量,與同期PM法計算的ET0相比,Tra法在都江堰灌區(qū)的k和R2好于在淠史杭灌區(qū)和河套灌區(qū),而HS法、DA?1法和DA?2法則在河套灌區(qū)和淠史杭灌區(qū)好于在都江堰灌區(qū),由于都江堰灌區(qū)的風速明顯小于河套灌區(qū)和淠史杭灌區(qū),說明Tra法適于風速較小的區(qū)域,而HS法、DA?1法和DA?2法則較適于風速較大的區(qū)域。
都江堰灌區(qū)計算精度最高模型是IA-Du法,其日值 RMSE、MRE 和 NS分別為 0.318mm·d?1、0.120和0.923,其計算精度均高于李晨等[11]在四川東部盆地區(qū)推薦的 HS法、馮禹等[18]在四川盆地推薦的GRNN模型和賈悅等[19]在川中丘陵區(qū)的 HS改進模型,因此,推薦IA-Du法作為都江堰灌區(qū)ET0的簡化計算方法;河套灌區(qū)計算精度最高模型是HS法,閆浩芳等[20]對比研究河套灌區(qū)不同ET0計算方法,F(xiàn)AO Penman法的計算結果與FAO56 PM最為接近,其計算精度也高于本研究推薦的HS法,但FAO Penman法是綜合法,因此,在溫度法中HS法仍是河套灌區(qū)計算精度最高的模型;目前還未見針對淠史杭灌區(qū)ET0簡化計算模型的對比研究,因此,IA-Pi可以作為淠史杭灌區(qū)ET0的簡化計算方法。
(1)基于三大灌區(qū)8個站點各溫度法與PM法計算的ET0日值的線性回歸方程(y=kx+b),以k值接近1為判斷標準,在都江堰灌區(qū)選取IA法和Tra法,河套灌區(qū)選取HS法、DA?1法和DA?2法,淠史杭灌區(qū)選取IA法、HS法、DA?1法和DA?2法進行模型修訂。模型修訂后,都江堰灌區(qū)與淠史杭灌區(qū)所選模型修訂后計算精度均有明顯提高,河套灌區(qū)所選模型修訂后計算精度提高不明顯。
(2)ET0日值和旬值評價指標及月值擬合精度均表明:都江堰灌區(qū)計算精度最高模型是IA-Du法,其日值 RMSE、MRE 和 NS 分別為 0.318mm·d?1、0.120和 0.923,旬值的分別為 0.201mm·d?1、0.093、0.959,在不同月份均有較高計算精度;河套灌區(qū)計算精度最高模型是HS法,其日值RMSE、MRE和NS分別為 0.898mm·d?1、0.326 和 0.785,旬值的分別為0.540mm·d?1、0.223 和 0.904,在 1?5 月和 10?12 月具有較高計算精度;淠史杭灌區(qū)計算精度最高模型是 IA-Pi法,其日值 RMSE、MRE和 NS分別為0.534mm·d?1、0.190 和 0.861,旬值的分別為0.390mm·d?1、0.167 和 0.896,在不同月份均具有較高計算精度。因此,推薦IA-Du法、HS法和IA-Pi法分別作為都江堰灌區(qū)、河套灌區(qū)和淠史杭灌區(qū)計算參考作物蒸散量溫度法。
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