馬鞍山市6種參考作物蒸散量估算方法比較及適用性分析

陳進(jìn) 高磊 章進(jìn)

摘要：基于馬鞍市氣象站1961—2014年逐日氣象資料，使用FAO-56 Penman-Monteith、Irmak-Allen、Makkink、Turc、Hargreaves及Jensen-Haise等方程，估算了馬鞍山市參考作物蒸散量（ET0）。并且以P-M方程計(jì)算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)誤差指標(biāo)MAE、MRE以及回歸分析，分別在年尺度和季節(jié)尺度上分析了各種方法替代P-M方程的可行性，旨在獲得一種過(guò)程簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量要求低、精度較高的估算方法。結(jié)果表明，Turc方程在使用原始經(jīng)驗(yàn)參數(shù)時(shí)，在年尺度上能夠替代P-M方程計(jì)算結(jié)果，但是兩者在冬季時(shí)，計(jì)算結(jié)果具有差異性，反而在冬季Har方程的計(jì)算結(jié)果更加接近于P-M方程的?？傮w而言，5種方法的計(jì)算結(jié)果與P-M方程的計(jì)算結(jié)果始終具有差異性，并且通過(guò)回歸分析可以看出5種方法的穩(wěn)定性相對(duì)較差。

關(guān)鍵詞：馬鞍市;Penman-Monteith方程;參考作物蒸散量;差異性

參考作物蒸散定義是指假設(shè)作物高度為0.12m，葉片阻力為70s/m，反射率為0.23，表面開(kāi)闊、作物生長(zhǎng)高度一致且生長(zhǎng)旺盛、完全覆蓋地面、水分供應(yīng)充足的綠色草地蒸散[1]。它是地表水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一[2]，是作物需水量的重要指標(biāo)，是準(zhǔn)確估算作物需水量的關(guān)鍵因素，也是指導(dǎo)合理灌溉的重要參數(shù)之一[3]。因此，準(zhǔn)確估算參考作物蒸散量，對(duì)農(nóng)業(yè)水分利用以及全面分析水循環(huán)等具有重要意義[4]。

雖然FAO-56 Penman-Monteit方程是國(guó)際公認(rèn)的計(jì)算精度較高的估算參考作物蒸散量方程[5-7]，但是所需要的數(shù)據(jù)多、計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，從而在氣象資料缺乏地區(qū)的運(yùn)用上造成限制。而單一氣象資料的估算方程因計(jì)算簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量少，得到了廣泛的應(yīng)用[8]。為了提高單一氣象資料估算方法在研究區(qū)域內(nèi)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，針對(duì)各方法在研究區(qū)域內(nèi)的適用性評(píng)價(jià)就顯得尤為必要。目前，國(guó)內(nèi)參考作物蒸散量估算方程的對(duì)比大多集中在北方干旱半干旱地區(qū)，并且對(duì)綜合法和輻射法的研究相對(duì)較少[9-11]。同時(shí)，在進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)時(shí)，也未考慮研究區(qū)域內(nèi)不同季節(jié)之間的氣候差異。因此，開(kāi)展不同季節(jié)內(nèi)的適用性對(duì)比分析，對(duì)提高估算方法的適用性具有重要意義。

馬鞍山位于長(zhǎng)江下游南岸、安徽省東部，地處北緯31°46′42″～31°17′26″，東經(jīng)118°21′38″～118°52′44″之間，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。市區(qū)多年平均降水量為1060.7mm，降水充沛，但年內(nèi)分布和時(shí)空分布分配不均，對(duì)馬鞍山市生態(tài)環(huán)境和水資源的合理配置有較大影響。因此，尋找一個(gè)操作過(guò)程簡(jiǎn)單且精度較高的ET0估算方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)馬鞍山水資源的合理配置、農(nóng)業(yè)用水灌溉及科學(xué)管理具有一定的指導(dǎo)作用。本文以馬鞍山氣象資料為依據(jù)，估算1961—2014年馬鞍山市逐年參考作物蒸散量和不同季節(jié)內(nèi)的參考作物蒸散量，以P-M法估算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其余5種方法估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探討各方法在馬鞍山的適用性。

1 資料與方法

1.1 資料 采用馬鞍山國(guó)家基本氣象站1961—2014年逐日氣象資料，主要包括日最高氣溫（℃）、日最低氣溫（℃）、日平均氣溫（℃）、日照時(shí)數(shù)（h）、日平均相對(duì)濕度（%）、10m高日平均風(fēng)速（m/s）等。

1.2 參考作物蒸散量估算方法 通過(guò)估算1961—2014年馬鞍山逐年ET0，以P-M法估算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其余5種方法ET0估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探討各方法在馬鞍山的適用性。

1.2.1 Penman-Monteith方程 P-M方程是以水汽擴(kuò)散和能量平衡理論為基礎(chǔ)，不僅考慮了輻射項(xiàng)和空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)，同時(shí)又涉及到作物生理生態(tài)特征[12]。FAO56考慮了各種氣象因素的影響，具有可靠的物理基礎(chǔ)，并且在世界范圍內(nèi)得到了廣泛驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

以P-M方程計(jì)算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其他5種參考作物蒸散量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較。通過(guò)平均絕對(duì)誤差（MAE）、平均相對(duì)誤差（MRE）、確定性系數(shù)（R2）評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)年尺度和季節(jié)尺度上的參考作物蒸散量結(jié)果做定量分析。各指標(biāo)的計(jì)算公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[18]。

2.1 參考作物蒸散量估算結(jié)果的年值比較 圖1給出了6種參考作物蒸散量計(jì)算方程得到的逐年結(jié)果。以P-M方程計(jì)算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，6種計(jì)算方程所得結(jié)果的年際變化趨勢(shì)基本一致，峰值谷值明顯，且峰谷值的出現(xiàn)時(shí)間基本吻合，說(shuō)明其余5種方法能夠較好地反應(yīng)出參考作物蒸散量的年際變化。但是相比較P-M方程的計(jì)算結(jié)果，I-A方程和Hargreaves方程的計(jì)算結(jié)果均明顯偏大，J-H方程和Makkink方程的計(jì)算結(jié)果明顯偏小，只有Turc方程的計(jì)算結(jié)果與P-M方程結(jié)果較為一致。因此，以P-M計(jì)算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其余方程與P-M方程之間的年值MAE、MRE，用于量化表征整體估算精度（表1）。由表1可知，通過(guò)P-M方程求得馬鞍山1961—2014年多年年均值為986.6mm，其余5種方法的估算值在749.6～1196.1mm。從2個(gè)誤差指標(biāo)可以看出，J-H方法誤差最大，Turc方法誤差最小，誤差程度J-H>I-A>Makkink>Har>Turc。

為了進(jìn)一步對(duì)比6種方程的計(jì)算結(jié)果，以P-M方程為自變量，其余5種方程為應(yīng)變量，進(jìn)行回歸分析，并對(duì)P-M方程與另外5種方程進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，Turc方程、Makkink方程、J-H方程擬合度相對(duì)較好。總體而言，P-M方程的擬合度均不高，這是由于個(gè)別年份數(shù)據(jù)異常未剔除，導(dǎo)致離散程度較大。但是可以看出，絕大多數(shù)年份點(diǎn)離線程度底，擬合度高，并且Turc方程計(jì)算結(jié)果均勻分布在1∶1線附近，因此可以認(rèn)為，Turc方程在計(jì)算年參考作物蒸散量上具有替代P-M方程的可實(shí)施性。

2.2 參考作物蒸散量估算結(jié)果的季節(jié)值比較 從圖3可以看出，利用各方法估算的1961—2014年多年季節(jié)值與P-M值相比均有明顯差異。但從變化趨勢(shì)上看，所有方法多年年均季節(jié)特征變化趨勢(shì)（先增后減）基本一致，夏季成四季中的最大值。由圖3和表2可以看出，與P-M計(jì)算結(jié)果相比，Turc在春季、夏季、秋季的適用性相對(duì)較好，Har方程在冬季計(jì)算結(jié)果更接近于P-M。馬鞍山市4季降水分布為春季、夏季、秋季偏多，冬季偏少，而Turc方程用于估算濕潤(rùn)地區(qū)的參考作物蒸散量，Hargreaves方程基于干旱氣候條件下建立，因此造成Turc方程計(jì)算結(jié)果在春、夏、秋3季更接近于P-M方程計(jì)算結(jié)果;Har方程計(jì)算結(jié)果在冬季接近于P-M。

3 結(jié)論與討論

（1）以P-M方程為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比分析其余5種方法的估算結(jié)果：從年值對(duì)比上看，6種計(jì)算方程所得結(jié)果的年際變化趨勢(shì)基本一致，峰值谷值明顯，且峰谷值出現(xiàn)的時(shí)間基本吻合，可以說(shuō)明其余5種方法能夠較好地反應(yīng)出參考作物蒸散量的年際變化。通過(guò)誤差指標(biāo)MAE、MRE以及回歸分析，最終確定在年尺度上Turc方程在計(jì)算年參考作物蒸散量上具有替代P-M方程的可行性。

（2）在季節(jié)尺度上的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：Turc在春季、夏季、秋季的適用性相對(duì)較好，Har方程在冬季計(jì)算結(jié)果更接近于P-M。這是由于Turc方程以及Har方程是基于不同氣候背景條件下所建立的。

（3）Turc方程雖然具有一定的替代性，但是通過(guò)誤差指標(biāo)可以看出，Turc方程的計(jì)算結(jié)果和P-M方程的計(jì)算結(jié)果始終都具有一定的差異性，并且這2個(gè)方程在做回歸分析時(shí)的擬合度并不是很高。需要強(qiáng)調(diào)的是：本研究中其余5種方程中都有1個(gè)原始經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，是一個(gè)給定值，因此，有可能通過(guò)P-M方程的計(jì)算結(jié)果來(lái)修正這5種方程中的原始經(jīng)驗(yàn)參數(shù)K，以此來(lái)彌補(bǔ)這5種方程與P-M方程之間的差異性，尋求出適合馬鞍山市的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。并且以修正經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值去計(jì)算參考作物蒸散量，再與P-M計(jì)算結(jié)果比較，去尋求修正原始經(jīng)驗(yàn)參數(shù)是否具有可行性。

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（責(zé)編：張宏民）