基于蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)折算系數(shù)的紹興地區(qū)蒸散量估算

季丹丹

(紹興市柯橋區(qū)氣象局，浙江 紹興 312035)

參考作物蒸散量(ET0)是水資源規(guī)劃與農(nóng)業(yè)灌溉中一項非常重要的參考依據(jù)。世界范圍內(nèi)現(xiàn)有的ET0計算方法已達(dá)50多種，其中，世界糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式由于理論依據(jù)充分、物理意義明確而得到了廣泛應(yīng)用。但是，Penman-Monteith公式中涉及的實測氣象要素較多，包括氣溫、風(fēng)速、相對濕度、日照時數(shù)、經(jīng)緯度等，而目前常用的區(qū)域自動站沒有辦法提供上述完全的實測資料，使得ET0的實際計算存在現(xiàn)實困難，亟須尋求建立一個需要較少氣象觀測資料、簡潔方便的方法計算蒸散量。

關(guān)于蒸發(fā)皿蒸發(fā)值(E0)與參考作物蒸散量之間的關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者已開展深入研究，Jensen[1]、Doorenbos等[2]、Cuenca[3]、Snyder[4]已就估算折算系數(shù)(Kp)建立模型，用于實現(xiàn)E0與ET0之間的換算，并在全球不同氣候區(qū)得到驗證。由于國內(nèi)的蒸發(fā)皿型號與國外有差別，因此Kp的使用受到限制。近年來，國內(nèi)也有不少專家學(xué)者探尋適合當(dāng)?shù)氐恼鬯阆禂?shù)。周振民[5]以指標(biāo)回歸與定性資料確定了黃河下游引黃灌區(qū)的折算系數(shù)方程，雖然經(jīng)驗證精確度較高，但計算比較復(fù)雜。樊軍等[6]利用2 m高處風(fēng)速和平均相對濕度作變量，確定小型蒸發(fā)皿觀測的蒸發(fā)量E0，估算黃土高原地區(qū)參考作物蒸散ET0的折算系數(shù)，雖然驗證效果較好，但局地性較明顯。

蒸發(fā)皿是目前大部分氣象站廣泛使用的氣象觀測儀器。E0是觀測區(qū)域自由水面的最大可能蒸發(fā)量，是氣溫、風(fēng)速、輻射等氣象要素在綜合作用下的直接表征。如果能找到蒸發(fā)皿蒸發(fā)值與蒸散量之間的相關(guān)性，就能更方便地計算出該地域的蒸散量，對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和合理規(guī)劃利用水資源均有很大助益。

紹興位于浙江北部、杭州灣以南，呈現(xiàn)多種農(nóng)副產(chǎn)品結(jié)合的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，以平水水稻為主、山地雜糧為輔，農(nóng)業(yè)產(chǎn)品比較豐富。本研究在已有的蒸散估算基礎(chǔ)上，根據(jù)紹興地區(qū)的實際氣象觀測資料進(jìn)行本地化訂正，以期得到適應(yīng)于紹興地區(qū)的折算系數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料

以紹興站為研究對象，主要資料包括日平均氣溫、10 m高處風(fēng)速、日照時數(shù)、相對濕度和小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)等，時段為1981—2010年。區(qū)域地面為開放的草面環(huán)境，用來模擬自然狀態(tài)。

1.2 基本原理及方法

1.2.1 Penman-Monteith公式

FAO推薦的Penman-Monteith公式：

(1)

式中：VET0為參考作物蒸散量，mm·d-1；Δ為飽和水汽壓溫度曲線上的斜率，kPa·℃-1；Rn為凈輻射，MJ·m-2·d-1；G為土壤熱通量，MJ·m-2·d-1；T為2 m高度空氣溫度，℃；γ為濕度計常數(shù)，kPa·℃-1；es和ea分別為空氣的飽和水汽壓和實際水汽壓，kPa；U2為2 m高處的風(fēng)速，m·s-1。

我國普遍使用的小型蒸發(fā)皿為口徑20 cm、高約10 cm的金屬圓盆，安裝后距離地面70 cm，提供了一種由輻射、風(fēng)速、濕度、溫度等水面蒸發(fā)綜合影響的測定方法。如果小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)值與蒸散量存在明顯的線性關(guān)系，可以近似將二者的折算系數(shù)寫成

(2)

通過上式即可計算出Kp值，然后以Kp為因變量，分析其與式VET0中各變量的線性關(guān)系。

1.2.2Kp的計算方法

研究發(fā)現(xiàn)，Kp主要與地面覆蓋、風(fēng)速和空氣濕度有關(guān)。較為典型且常用的模型[7]為

(3)

式中：U10為10 m高處的風(fēng)速，m·s-1；H為相對濕度，%；F為上風(fēng)方向緩沖帶的寬度，m。

在式(3)的基礎(chǔ)上進(jìn)行本地化修正：由于我國的蒸發(fā)皿安置與國外的方法不同，其距離地面的高度顯著大于蒸發(fā)皿直徑，因此F的影響較小，可以直接忽略[6]。另外，我國普遍采用10 m高風(fēng)桿測風(fēng)速，因此用U10替換式(1)中的U2。以Kp為因變量，U10和H為自變量進(jìn)行多元回歸并修訂后，得到如下結(jié)果：

(4)

1.2.3 誤差分析

為了評價模型的精度，將利用小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)估算的蒸發(fā)皿蒸發(fā)值和利用Penman-Monteith公式計算的蒸散量進(jìn)行對比，計算均方根誤差(RMSE)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸發(fā)皿蒸發(fā)與蒸散量之間的關(guān)系

基于Penman-Monteith公式計算出蒸散量，與蒸發(fā)皿蒸發(fā)值的年分布作對比(圖1中a)，可以看出，1981—2010年間蒸發(fā)皿蒸發(fā)值與蒸散量都是遞增的，蒸發(fā)皿蒸發(fā)值的增長速度為18.545 mm·a-1，蒸散量的增長速度為10.436 mm·a-1，雖然增長速率不同，但趨勢都是浮動上升的。另外，無論是蒸發(fā)皿蒸發(fā)值還是蒸散量，在1982、1989、1995、1999、2001年等年份都出現(xiàn)一定程度的下降。這些結(jié)果說明，蒸發(fā)皿蒸發(fā)值和蒸散量在年尺度上增減幅度同步，但在速率上有所差異。

從蒸散量與蒸發(fā)皿蒸發(fā)值的月分布(圖1中b)來看，兩者的增減趨勢相同：均在冬季量值最小，隨著月份推移(1—12月)，先增長后減少，最大值都出現(xiàn)在7—8月，最小值出現(xiàn)在12月至次年1月，且6—7月間都有一次下降現(xiàn)象?？傮w來說，蒸發(fā)皿蒸發(fā)值和蒸散量在月尺度上增減趨勢也相同。

圖1 蒸發(fā)皿蒸發(fā)值與蒸散量的年際變化(a)和月變化(b)

根據(jù)上述結(jié)果，將Penman-Monteith公式計算的日蒸散量和蒸發(fā)皿蒸發(fā)值進(jìn)行線性回歸分析，在日尺度上ET0和E0呈正相關(guān)關(guān)系(圖2)，決定系數(shù)為0.831 3，相關(guān)性顯著。

圖2 蒸散量和小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)值的關(guān)系

2.2 Kp的確定

將計算出的Kp值與E0相乘，就可以得到參考作物蒸散的估算值ETp，將其與經(jīng)Penman-Monteith公式計算的蒸散值進(jìn)行對比(圖3)，決定系數(shù)為0.907 0，能通過顯著性檢驗(P<0.05)，離散點基本都在1∶1范圍內(nèi)，說明估算效果較好。

圖3 估算參考作物蒸散量與Penman-Monteith公式計算的蒸散量的關(guān)系

2.3 誤差驗證

對計算結(jié)果進(jìn)行檢驗，剔除明顯錯誤的數(shù)值后，RMSE平均值為0.39，最大值為0.99，且能通過顯著性檢驗(P<0.05)，在可接受范圍內(nèi)。分季節(jié)進(jìn)行分析：春夏秋冬的平均誤差分別為0.40、0.62、0.33、0.19，夏季的誤差最大，其次是春季、秋季，最小的是冬季。利用SPSS 20.0對均方差與平均氣溫、相對濕度、平均風(fēng)速和日照時數(shù)分別進(jìn)行相關(guān)性檢驗，發(fā)現(xiàn)RMSE與平均氣溫、平均風(fēng)速呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與相對濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與日照時數(shù)呈顯著正相關(guān)。說明平均氣溫、平均風(fēng)速越高，誤差越大。這與均方根誤差的季節(jié)差異變化相符合。

3 小結(jié)

基于Penman-Monteith公式，利用紹興站1981—2010年的氣溫、相對濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)及小型蒸發(fā)資料，研究適合于當(dāng)?shù)氐幕谛⌒驼舭l(fā)皿數(shù)據(jù)估算參考作物蒸散的方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)皿蒸發(fā)值與基于Penman-Monteith公式計算的蒸散量在年分布與月分布上趨勢基本一致，且均呈正相關(guān)關(guān)系，因此可以用折算系數(shù)Kp來表示地表環(huán)境和開闊水面之間的差異。利用30 a的氣象資料建立適用于紹興的折算系數(shù)模型，并利用其估算出基于小型蒸發(fā)的蒸散量，與參考作物蒸散量進(jìn)行對比分析，平均均方差誤差為0.39，具有應(yīng)用價值。在氣象資料缺測或缺乏的情況下，根據(jù)10 m高處風(fēng)速與相對濕度，即可確定折算系數(shù)，經(jīng)計算可以得到蒸散量，對指導(dǎo)當(dāng)?shù)厮Y源利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等具有積極意義。