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    地表太陽輻射經(jīng)驗(yàn)值對(duì)參考作物需水量計(jì)算的影響

    2020-03-09 08:03:40夏興生朱秀芳潘耀忠張錦水
    關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)區(qū)差值時(shí)空

    夏興生 朱秀芳 潘耀忠 張錦水

    (1.北京師范大學(xué)遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875; 2.北京師范大學(xué)遙感科學(xué)與工程研究院, 北京 100875;3.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875; 4.青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 西寧 810016)

    0 引言

    參考作物需水量(ET0)是農(nóng)業(yè)灌溉作業(yè)的主要參考指標(biāo)。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)1998年發(fā)布的《Crop evapotranspiration-guidelines for computing crop water requirements》(FAO 56)推薦Penman-Monteith(PM)公式為基于氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算ET0的標(biāo)準(zhǔn)方法[1]。此后,這一方法得到了廣泛應(yīng)用[2-7]。然而,在實(shí)踐中,因?yàn)闅庀?氣候觀測(cè)站點(diǎn)分布的時(shí)空差異及建設(shè)配置條件的差異,PM公式所要求的輸入要素?cái)?shù)據(jù)并不是在所有地區(qū)均能夠通過觀測(cè)獲取,特別是在較大尺度的研究應(yīng)用中,往往無法獲得完整的觀測(cè)數(shù)據(jù)。針對(duì)這一問題,F(xiàn)AO 56建議,基于可獲取的氣象/氣候要素觀測(cè)數(shù)據(jù),以經(jīng)驗(yàn)或理論方程估算獲得缺失數(shù)據(jù)[1]。這一處理方式已經(jīng)被應(yīng)用于很多研究中[8]。但是,在不同的時(shí)空尺度下,氣象/氣候要素受大氣及地表環(huán)境影響,其估算值和觀測(cè)值存在不同程度的差異,進(jìn)而對(duì)ET0的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。因此,從20世紀(jì)70年代開始,很多學(xué)者針對(duì)不同的地理區(qū)探索了不同氣象/氣候要素對(duì)基于PM公式計(jì)算ET0的敏感性[9-14],結(jié)果表明,不同地區(qū)不同時(shí)段,不同的氣象/氣候因子對(duì)基于PM計(jì)算的ET0結(jié)果(ET0-PM)敏感性不同,而在沒有各要素觀測(cè)值的條件下,采用FAO 56建議的方案計(jì)算各要素值、輸入PM公式獲得的ET0存在偏差。

    中國(guó)目前僅國(guó)家級(jí)觀測(cè)站點(diǎn)就超過2 400個(gè),普遍能觀測(cè)到與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速等常規(guī)氣象要素,唯獨(dú)能夠獲得地表太陽輻射數(shù)據(jù)的站點(diǎn)較少,而地表太陽輻射又是獲得ET0-PM必不可少的參量[10,12-13]。因此,研究太陽輻射參數(shù)對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算ET0-PM具有重要的意義。文獻(xiàn)[15-26]基于不同時(shí)空尺度的研究說明了太陽輻射參數(shù)對(duì)ET0-PM的影響不能忽略,也評(píng)價(jià)了FAO 56推薦的地表太陽輻射Rs計(jì)算方法(Angstrom公式)在各自研究尺度的適用性,并提出了基于Angstrom公式計(jì)算Rs的本地化參數(shù),以滿足ET0-PM計(jì)算的要求。但是這些研究大部分局限于小區(qū)域或少數(shù)站點(diǎn),且時(shí)間尺度不統(tǒng)一。僅有胡慶芳等[18]、YIN 等[21]進(jìn)行了全國(guó)尺度的研究討論,但也存在時(shí)空尺度的差異性,且空間劃分與農(nóng)業(yè)區(qū)劃不匹配。因此,太陽輻射數(shù)據(jù)的極度缺乏及已有研究成果的時(shí)空差異性,給大規(guī)模計(jì)算高精度的ET0-PM帶來了困難。實(shí)際應(yīng)用中,F(xiàn)AO 56建議的通過Angstrom公式及其參數(shù)計(jì)算Rs,仍然是大規(guī)模計(jì)算ET0-PM的首選。

    本研究以中國(guó)九大農(nóng)業(yè)行政區(qū)劃為研究區(qū),試圖從更精細(xì)的時(shí)空尺度,基于多年平均觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析FAO 56建議的通過Angstrom公式及對(duì)應(yīng)參數(shù)計(jì)算的太陽輻射經(jīng)驗(yàn)值Rs-c與觀測(cè)值Rs-o的時(shí)空差異,以及輸入PM公式獲得的ET0結(jié)果(ET0-c)的可靠性,以豐富基于Rs-c計(jì)算ET0-c的研究案例,為大尺度區(qū)域?qū)で蟾€(wěn)定合理和高精度的標(biāo)準(zhǔn)參考作物需水量計(jì)算方案提供參考。

    1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

    1.1 氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)與處理

    本研究使用的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/),包括中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集和中國(guó)輻射月值數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度為1957年1月—2017年3月,具體數(shù)據(jù)要素及用途見表1。

    數(shù)據(jù)預(yù)處理上,首先,通過站點(diǎn)編號(hào)將中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集、中國(guó)輻射月值數(shù)據(jù)集、站點(diǎn)經(jīng)緯度進(jìn)行關(guān)聯(lián),使得所有要素?cái)?shù)據(jù)均一一對(duì)應(yīng),并將月Rs-o數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為日均值,與此同時(shí),將所有要素校正為PM公式要求的對(duì)應(yīng)高度(如風(fēng)速要求為2 m相對(duì)高度)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值[1];其次,根據(jù)FAO 56建議的以日為時(shí)段的天頂輻射計(jì)算程序,以上一步得到的共有數(shù)據(jù)站點(diǎn)的緯度求得各站點(diǎn)逐月的日平均天頂輻射Ra,并依據(jù)Ra大于Rs的規(guī)律,剔除Rs-o大于Ra的數(shù)據(jù)記錄。最終,參考FAO計(jì)算ET0-PM的案例,確保每個(gè)站點(diǎn)至少有15年的累計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù),共得到有效數(shù)據(jù)站點(diǎn)112個(gè)(圖1,圖中A表示東北平原區(qū)、B表示北方干旱半干旱區(qū)、C表示黃淮海平原區(qū)、D表示黃土高原區(qū)、E表示青藏高原區(qū)、F表示長(zhǎng)江中下游地區(qū)、G表示四川盆地及周邊地區(qū)、H表示華南區(qū)、I表示云貴高原區(qū))。

    表1 數(shù)據(jù)及用途

    圖1 農(nóng)業(yè)區(qū)劃及數(shù)據(jù)站點(diǎn)位置

    1.2 農(nóng)業(yè)區(qū)劃數(shù)據(jù)

    農(nóng)業(yè)區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/dataList.aspx)發(fā)布的以省級(jí)行政區(qū)劃界線劃分的中國(guó)九大農(nóng)業(yè)區(qū)劃數(shù)據(jù),包括東北平原區(qū)、北方干旱半干旱區(qū)、黃淮海平原區(qū)、黃土高原區(qū)、青藏高原區(qū)、長(zhǎng)江中下游地區(qū)、四川盆地及周邊地區(qū)、華南區(qū)、云貴高原區(qū)(圖1)。

    2 基于Penman-Monteith公式的ET0算法

    2.1 基于氣象觀測(cè)值的ET0計(jì)算過程

    根據(jù)FAO PM公式的輸入要素[1],基于氣象站點(diǎn)觀測(cè)值的ET0-PM計(jì)算公式為

    (1)

    (2)

    (3)

    (4)

    (5)

    (6)

    Rn=Rns-Rnl

    (7)

    Rns=(1-a)Rs-o

    (8)

    (9)

    Rso=(0.75+2×10-5Z)Ra

    (10)

    式中T——大氣溫度,℃

    e(T)——空氣溫度T時(shí)的飽和水汽壓,kPa

    λ——水汽化潛熱,取2.45 MJ/kg

    CP——常壓下的比熱容,取1.013×10-3MJ/(kg·℃)

    ε——水蒸氣分子量與干燥空氣分子量的比,取0.662

    Rns——地表凈太陽短波輻射,MJ/(m2·d)

    a——發(fā)射率或冠層發(fā)射系數(shù),以草為假想的參考作物時(shí),取0.23

    σ——Stefan-Boltzmann常數(shù),取4.903×10-9MJ/(K4·m2·d)

    Tmax,k——24 h內(nèi)最高絕對(duì)溫度,K

    Tmin,k——24 h內(nèi)最低絕對(duì)溫度,K

    Rso——晴空條件下到達(dá)地表的太陽總輻射,也稱晴空太陽輻射,MJ/(m2·d)

    Rs/Rso——相對(duì)短波輻射值,其值小于等于1.0

    Z——觀測(cè)站的海拔,m,因2×10-5Z實(shí)際值較小,在計(jì)算中可忽略不計(jì)

    以月為計(jì)算區(qū)間的土壤熱通量計(jì)算式為

    Gmonth,i=0.07(Tmonth,i+1-Tmonth,i-1)

    (11)

    式中Gmonth,i——第i月的土壤熱通量,MJ/(m2·d)

    Tmonth,i-1——第i-1月的大氣平均溫度,℃/d

    Tmonth,i+1——第i+1月的大氣平均溫度,℃/d

    2.2 FAO 56建議的Rs和Rso估算方法

    在不能測(cè)得太陽輻射Rs的地區(qū),F(xiàn)AO 56建議通過Angstrom公式進(jìn)行估算[1],公式為

    (12)

    Rso=(as+bs)Ra

    (13)

    式中n——實(shí)際日照持續(xù)時(shí)間,h

    N——最大可能的日照持續(xù)時(shí)間或日照時(shí)數(shù),h

    as——回歸常數(shù),表示在陰天條件下,Ra到達(dá)地面的比例(即n=0)

    其中as+bs表示晴天條件下,Ra到達(dá)地面的比例(即n=N),此時(shí)太陽總輻射即為晴空太陽輻射Rso;前文已經(jīng)說明已有研究在對(duì)中國(guó)區(qū)域as、bs的校正結(jié)果上存在時(shí)空尺度不統(tǒng)一的缺陷,很難直接應(yīng)用。因此,本研究繼續(xù)使用FAO 56的建議值[1],即as=0.25,bs=0.50。

    3 Rs-c與Rs-o及對(duì)應(yīng)計(jì)算的ET0-PM對(duì)比結(jié)果

    3.1 Rs-c與Rs-o年內(nèi)變化對(duì)比結(jié)果

    圖2 全國(guó)及各區(qū)平均Rs-c和Rs-o年內(nèi)變化對(duì)比曲線

    圖2是通過FAO 56建議的Angstrom公式及其參數(shù)計(jì)算得到的全國(guó)及九大農(nóng)業(yè)區(qū)的Rs-c和Rs-o站點(diǎn)均值的年內(nèi)變化。結(jié)果表明,在變化趨勢(shì)上,二者在全國(guó)及各區(qū)均保持一致,但是全國(guó)及各區(qū)的數(shù)值差異卻比較明顯。除E區(qū)外,其他各區(qū)均表現(xiàn)為Rs-c大于Rs-o。在二者的絕對(duì)差值上,C、D、E、F、G、H、I區(qū)比較穩(wěn)定,只有夏秋季略微偏大于冬春季; A區(qū)在9月到次年3月的Rs差值非常微小,在4—8月卻較大;B區(qū)在所有區(qū)中表現(xiàn)最好,除7、8月有微小的差值外,其他月份幾乎接近于0。

    圖3 全國(guó)及各區(qū)站點(diǎn)Rs-c和Rs-o各季均值的相關(guān)關(guān)系

    圖4 Rs-c和Rs-o相對(duì)差值的時(shí)空分布

    圖3是全國(guó)及九大農(nóng)業(yè)區(qū)站點(diǎn)Rs-c和Rs-o各季均值的相關(guān)關(guān)系圖。以R2為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),全國(guó)范圍內(nèi)無論是年均還是各季都相關(guān)性顯著,R2超過0.8,但各區(qū)的結(jié)果卻表現(xiàn)參差不齊。全年相關(guān)性表現(xiàn)相對(duì)較顯著且穩(wěn)定的僅有B、E、G區(qū);A區(qū)在秋冬季節(jié)相關(guān)性較好,春夏較差;C區(qū)春季略好,其他季節(jié)較差;D區(qū)除冬季外,其他季節(jié)表現(xiàn)較好;而F、H、I區(qū)則是在夏季相關(guān)性較差,其他季節(jié)均較好。各區(qū)的年平均相關(guān)性方面,D、E、F、G、H、I區(qū)Rs-c和Rs-o的相關(guān)性相對(duì)較好,其他區(qū)的相對(duì)較差。

    圖4是Rs-c與Rs-o逐月相對(duì)差值(RDS=Rs-c-Rs-o)的時(shí)空分布。從圖可以看出, E區(qū)和G區(qū)西側(cè)、B區(qū)北側(cè)常年Rs-c小于Rs-o, B區(qū)西北部和中部冬春季節(jié)Rs-c小于Rs-o,夏秋季節(jié)Rs-c大于Rs-o,其中,E區(qū)和G區(qū)西側(cè)的絕對(duì)差值相對(duì)較大,B區(qū)北側(cè)的絕對(duì)差值相對(duì)較小,3個(gè)區(qū)域的差值隨季節(jié)變化較穩(wěn)定。其他地區(qū)常年Rs-c大于Rs-o,其中,F(xiàn)、H、I區(qū)和G區(qū)東側(cè)的絕對(duì)差值較大,春、夏季最大,最高達(dá)到4.41 MJ/(m2·d)。A、C、D區(qū)季節(jié)性變化明顯,冬季絕對(duì)差值最小,夏季最大,春、秋居中。

    3.2 基于Rs-c和Rs-o計(jì)算的ET0-PM對(duì)比結(jié)果

    圖5是分別通過Rs-c和Rs-o計(jì)算的112個(gè)站點(diǎn)ET0-PM(分別表示為ET0-c和ET0-o)在全國(guó)及各農(nóng)業(yè)區(qū)的站點(diǎn)均值年內(nèi)變化。從圖5可看出,B、E區(qū)的ET0-c和ET0-o逐月站點(diǎn)均值幾乎重合; A區(qū)除5~8月外,其他月份也幾乎重合; C、D、I區(qū)季節(jié)變化明顯,冬季基本重合,夏季差值增大; F、G、H區(qū)雖然常年存在相對(duì)較大的絕對(duì)差值,但比較穩(wěn)定。

    圖5 基于Rs-c和Rs-o分別計(jì)算的ET0-PM逐月站點(diǎn)均值結(jié)果對(duì)比曲線

    圖6是全國(guó)及各農(nóng)業(yè)區(qū)基于Rs-c和Rs-o計(jì)算得到的站點(diǎn)ET0-c和ET0-o各季均值關(guān)系。ET0-c和ET0-o在各季節(jié)均表現(xiàn)為顯著的線性相關(guān)性,而且較為穩(wěn)定,R2均超過0.67,最大值更是接近于1,線性回歸系數(shù)與1.0的絕對(duì)差值在大部分農(nóng)業(yè)區(qū)不超過0.1,少數(shù)在0.1~0.2之間,只有個(gè)別超過0.2。ET0-c和ET0-o的年均相關(guān)性除F、G區(qū)的R2較小外(分別為0.770 6、0.866 4),其他區(qū)均超過0.95,回歸系數(shù)除D區(qū)外,其他區(qū)均在1.0左右。

    圖6 基于Rs-c和Rs-o分別計(jì)算的ET0-PM各季均值相關(guān)關(guān)系

    圖7是在其他輸入?yún)?shù)不變的情況下,由Rs-c和Rs-o分別計(jì)算的ET0-c和ET0-o相對(duì)差值(RDE=ET0-c-ET0-o)時(shí)空分布。ET0-c和ET0-o年均相對(duì)差值主要集中在-0.25~0.25 mm/d之間,其中,B區(qū)常年維持在-0.25~0.25 mm/d,A、D、E區(qū)和G區(qū)西北部的絕對(duì)差值僅在夏季會(huì)有站點(diǎn)突破0.25 mm/d,C、I、H區(qū)則表現(xiàn)為春夏部分站點(diǎn)偏高,并在夏季達(dá)到最大值,而剩余F區(qū)和G區(qū)東南部只有冬季的絕對(duì)差值在0.25 mm/d以內(nèi),其他季節(jié)則較高,夏季甚至突破0.5 mm/d。

    圖7 基于Rs-c和Rs-o計(jì)算的ET0-PM相對(duì)差值時(shí)空分布

    4 分析與討論

    4.1 Rs-c與Rs-o對(duì)比結(jié)果分析

    分析Rs-c與Rs-o的逐月站點(diǎn)均值比較結(jié)果(圖2)可知,F(xiàn)AO 56[1]推薦的Angstrom公式及其參數(shù)只有在E區(qū)的Rs-c比實(shí)際值偏小,且絕對(duì)差值非常平穩(wěn),說明該區(qū)中低緯度和高海拔的地理區(qū)位特點(diǎn)使到達(dá)其地面的太陽輻射基本不受季節(jié)變化的影響;而在其他8個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)計(jì)算的Rs-c均比實(shí)際值偏大,且季節(jié)變化較明顯,夏季偏離程度最大。二者基于全國(guó)站點(diǎn)的平均值與C、D、F、G、H、I區(qū)的表現(xiàn)一致,但是在A、B、E區(qū)的影響下,Rs-c偏離Rs-o的程度較這6個(gè)區(qū)有所減小,但仍然表現(xiàn)為Rs-c全年大于Rs-o的規(guī)律。

    Rs-c與Rs-o的相關(guān)性結(jié)果(圖3)顯示,112個(gè)站點(diǎn)的年均值和各季均值相關(guān)性顯著,但是各農(nóng)業(yè)區(qū)的R2結(jié)果卻參差不齊,且無論是全國(guó)還是各農(nóng)業(yè)區(qū),二者的線性回歸系數(shù)均不穩(wěn)定,偏離y=x斜線的程度也不均一,說明Rs-c與Rs-o存在一定的差異,且不同尺度之間的差異程度不同,二者的相對(duì)差值時(shí)空分布(圖4)也印證了這一點(diǎn),即北方農(nóng)業(yè)區(qū)Rs-c與Rs-o的年內(nèi)絕對(duì)差值整體相對(duì)較小,南方農(nóng)業(yè)區(qū)相對(duì)較大,春夏季略微大于秋冬季,與我國(guó)雨熱同期的典型季風(fēng)氣候造成的季節(jié)性天氣條件削弱到達(dá)地面的太陽輻射規(guī)律相符合,但Rs-c與Rs-o相對(duì)差值的時(shí)空波動(dòng)卻是南方農(nóng)業(yè)區(qū)比北方農(nóng)業(yè)區(qū)小一些,可能是南方地區(qū)常年多云雨的穩(wěn)定天氣條件所造成的。

    為了進(jìn)一步驗(yàn)證Rs-c與Rs-o的差異是否顯著,本研究基于統(tǒng)計(jì)學(xué)中討論兩組樣本差異是否顯著的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)方法進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果表明(表2),全國(guó)年均及各季節(jié)的方差方程Levene檢驗(yàn)顯著性概率P值和T檢驗(yàn)的顯著性概率P值均小于0.05,可見,Rs-c和Rs-o存在顯著差異。而各區(qū)的Levene檢驗(yàn)顯著性概率P值均大于0.05,T檢驗(yàn)的顯著性概率P值卻在不同區(qū)、不同季節(jié)差異明顯,A、D、I區(qū)在夏季的T檢驗(yàn)P值小于0.05,H區(qū)則在夏季和秋季T檢驗(yàn)P值小于0.05,而C、F區(qū)則全年的T檢驗(yàn)P值均小于0.05,說明在這些區(qū)域的特定時(shí)段,Rs-c和Rs-o存在顯著差異,其他時(shí)段Rs-c和Rs-o差異不顯著;只有B、E、G區(qū)的T檢驗(yàn)P值全年均大于0.05,說明在這三大區(qū)域全年Rs-c和Rs-o差異不顯著。針對(duì)年內(nèi)平均而言,C、F、H的T檢驗(yàn)P值小于0.05,其他區(qū)均大于0.05。因此,從統(tǒng)計(jì)分析的角度,Rs-c和Rs-o只是在不同區(qū)域的特定時(shí)段差異性不顯著,可以相互替代使用,而在其他時(shí)段則差異顯著,不可相互替代。因此,在全國(guó)范圍內(nèi)基于FAO建議的Angstrom公式及其參數(shù)估算Rs時(shí),其結(jié)果與觀測(cè)值的差異不容忽視。

    綜合而言,因?yàn)橛隉嵬诘募撅L(fēng)氣候造成的多年月平均尺度大氣組分時(shí)空分布不均一,在全國(guó)及九大農(nóng)業(yè)區(qū)的所有月份均使用FAO推薦的Angstrom公式及其as、bs系數(shù)固定值計(jì)算的Rs-c和Rs-o存在一定的時(shí)空差異。根據(jù)PM公式,推測(cè)使用Rs-c直接替代Rs-o計(jì)算ET0-PM可能會(huì)引起誤差,青藏高原(E區(qū))的ET0-PM可能會(huì)偏小,其他地區(qū)可能會(huì)偏大,且 C、D、E、F、G、H、I區(qū)的ET0-PM絕對(duì)差值可能會(huì)常年相對(duì)比較穩(wěn)定,A、B區(qū)可能隨季節(jié)的變化而變化明顯。

    表2 Rs-c和Rs-o各季節(jié)獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果(P值)

    4.2 ET0-c和ET0-o對(duì)比結(jié)果分析

    分析各區(qū)站點(diǎn)ET0-c和ET0-o均值的時(shí)空差異(圖5),北方農(nóng)業(yè)區(qū)的ET0-c與ET0-o絕對(duì)差值整體較小,南方農(nóng)業(yè)區(qū)則整體略大,年內(nèi)變化與Rs-c和Rs-o的表現(xiàn)(圖2)一致,年初、年尾較小,年中略大,且二者的數(shù)值相對(duì)差異上也與Rs-c和Rs-o的表現(xiàn)基本相符,但總體較小,ET0-c與ET0-o平均只有0.06~0.26 mm/d的差值。

    對(duì)比ET0-c和ET0-o(圖6)與Rs-c和Rs-o(圖3)的相關(guān)性分析結(jié)果可知,ET0-c和ET0-o在各個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)的不同季節(jié),均表現(xiàn)為顯著的線性相關(guān)性,而且較為穩(wěn)定,回歸系數(shù)也較Rs-c和Rs-o的結(jié)果好,大部分?jǐn)M合直線與y=x斜線吻合度較好,說明ET0-c和ET0-o的整體差異較小,僅個(gè)別農(nóng)業(yè)區(qū)在特定時(shí)段ET0-c與ET0-o偏差略大。

    綜合分析ET0-c和ET0-o相對(duì)差值時(shí)空分布(圖7)可知,大致以“胡煥庸線”為界,西北地區(qū)站點(diǎn)的絕對(duì)差值較小,常年維持在0~0.25 mm/d;而“胡煥庸線”以東的北方地區(qū)則遵循季風(fēng)氣候的變化規(guī)律,絕對(duì)差值表現(xiàn)為先增大后減小,夏季的差值大部分站點(diǎn)在0.5 mm/d以內(nèi),個(gè)別站點(diǎn)會(huì)超過0.5 mm/d,南方地區(qū)則隨季節(jié)變化而變化明顯,大致以長(zhǎng)江、珠江為中線,從春季開始由中線向兩側(cè)隨著時(shí)間的變化不斷增大,在夏季達(dá)到最大值,但大部分站點(diǎn)在0.75 mm/d以內(nèi),個(gè)別站點(diǎn)會(huì)超過0.75 mm/d,而后,則由兩側(cè)向中線隨時(shí)間變化逐漸減小,在冬季達(dá)到最小值??偟膩碚f,ET0-c和ET0-o在北方農(nóng)業(yè)區(qū)的差異較小,南方農(nóng)業(yè)區(qū)的差異略大,且夏季較明顯。

    同樣,為進(jìn)一步確定ET0-c和ET0-o是否存在顯著性差異,也對(duì)二者進(jìn)行了獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)驗(yàn)證,結(jié)果表明(表 3),ET0-c和ET0-o的方差方程Levene檢驗(yàn)顯著性概率P值均大于0.05,但是,在全國(guó)尺度上、C區(qū)年均及C區(qū)和H區(qū)的夏季ET0-c和ET0-o的T檢驗(yàn)P值卻小于0.05,而F區(qū)則是全年的T檢驗(yàn)P值小于0.05,說明在這些特定的時(shí)空尺度下ET0-c和ET0-o差異顯著,其他時(shí)空尺度下,ET0-c和ET0-o的差異并不顯著。

    表3 基于Rs-c和Rs-o計(jì)算的兩組ET0-PM獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果(P值)

    綜上所述,實(shí)際應(yīng)用時(shí),在沒有Rs-o的條件下,西北和青藏高原地區(qū)全年,黃土高原、黃淮海平原、東北平原地區(qū)的春、秋、冬季,南方地區(qū)的冬季,使用Rs-c獲得的ET0-c與ET0-o相對(duì)誤差較小且具有一定的時(shí)空穩(wěn)定性,可以直接替代ET0-o使用;而黃土高原、黃淮海平原、東北平原地區(qū)的夏季,南方地區(qū)的春、夏、秋季因受季風(fēng)氣候的影響,相對(duì)誤差會(huì)略微偏大,且不穩(wěn)定,因此,在這些時(shí)空尺度下使用Rs-c獲得參考作物需水量,建議研究相應(yīng)的方法進(jìn)行校正,否則會(huì)有誤差,且偏大??紤]到中國(guó)地區(qū)的典型季風(fēng)氣候特點(diǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制度和大宗作物的灌溉需求,春季的北方地區(qū)一般容易發(fā)生旱災(zāi),即“春旱”,灌溉工程的設(shè)計(jì)和灌溉作業(yè)以參考冬季和春季的ET0為主,基于PM公式大規(guī)模計(jì)算ET0-PM在缺少輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)的條件下可使用FAO 56建議的Angstrom公式及其參數(shù)計(jì)算獲得太陽輻射值;在全國(guó)范圍的夏季“伏旱”期間,無論是北方還是南方,輸入Rs-c計(jì)算的ET0-c則比輸入Rs-o計(jì)算的ET0-o偏大。因此,在高精度的節(jié)水農(nóng)業(yè)應(yīng)用中,有必要研究相應(yīng)的校正模型進(jìn)行夏季的ET0-c校準(zhǔn)。

    4.3 討論

    4.3.1Rs-c計(jì)算方案的系統(tǒng)誤差

    從圖3、4、6、7的結(jié)果分析可知,采用FAO 56建議的Angstrom公式系數(shù)固定值計(jì)算Rs-c未考慮不同時(shí)空尺度下地表大氣性質(zhì)的變化導(dǎo)致實(shí)際到達(dá)地面的太陽輻射時(shí)空變化,所以Rs-c的計(jì)算結(jié)果存在明顯的系統(tǒng)誤差,進(jìn)一步致使ET0-c的計(jì)算結(jié)果也存在系統(tǒng)誤差。這也驗(yàn)證了已有的輻射參數(shù)對(duì)ET0-PM計(jì)算的影響及Angstrom公式參數(shù)本地化研究[15-26]的必要性。特別是本研究的結(jié)果與胡慶芳等[18]基于Angstrom公式參數(shù)對(duì)ET0-PM的影響及FAO建議值適用性評(píng)價(jià)研究在區(qū)域上具有基本一致結(jié)果,即基于FAO建議的Angstrom公式參數(shù)(as=0.25,bs=0.50)估算Rs-c,在中國(guó)北方農(nóng)業(yè)區(qū)具有較好的適用性,而在中國(guó)南方地區(qū)的地區(qū)適用性較差,而對(duì)應(yīng)基于估算的Rs-c計(jì)算的ET0-c在北方地區(qū)與實(shí)際值一致性較好,在南方地區(qū)則偏大。但是,在青藏高原區(qū),二者的研究結(jié)果卻相反,本研究的結(jié)果是FAO的建議值在該區(qū)的適用性較好,而胡慶芳等[18]的研究結(jié)果是FAO的建議值在該區(qū)的適用性不強(qiáng)或較差。可能是二者的分區(qū)尺度、數(shù)據(jù)尺度及數(shù)據(jù)質(zhì)量差異引起的,但具體原因則有待進(jìn)一步探討。所以,在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上[15-26],還要繼續(xù)探索和驗(yàn)證Angstrom公式適用于我國(guó)各農(nóng)業(yè)管理區(qū)的本地化參數(shù),基于不同的時(shí)空尺度和精度要求,形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范才是其進(jìn)一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

    4.3.2數(shù)據(jù)處理方式對(duì)結(jié)果的影響

    本研究通過站點(diǎn)逐月日均值的多年均值來討論Rs-c對(duì)ET0-PM的影響,這一數(shù)據(jù)處理方式反映了穩(wěn)定氣候條件下的Rs和ET0-PM變化。即無論是Rs-c、Rs-o的結(jié)果,還是ET0-c、ET0-o的結(jié)果,年內(nèi)均值變化的增加趨勢(shì)(圖2、5)6月開始在F、G、H、I區(qū)均出現(xiàn)了減緩的現(xiàn)象,看似不符合Rs和ET0的年內(nèi)基本理論規(guī)律,但考察中國(guó)的氣候條件可知,6月開始,中國(guó)南方大范圍進(jìn)入“梅雨”季節(jié),持續(xù)的陰雨天氣導(dǎo)致了地表接收的太陽輻射減少。所以,Rs-c對(duì)Rs-o、ET0-c對(duì)ET0-o整體上才表現(xiàn)出了相對(duì)穩(wěn)定的差異,在應(yīng)用中即可對(duì)Rs-c、ET0-c引入一個(gè)校正常數(shù)或者回歸校正模型,使其結(jié)果更接近觀測(cè)結(jié)果。同時(shí),從本研究的結(jié)果分析可知,ET0-c對(duì)ET0-o的差異相比Rs-c對(duì)Rs-o更穩(wěn)定,所以在計(jì)算ET0的研究應(yīng)用中,建議對(duì)ET0-c建立校正關(guān)系進(jìn)行結(jié)果的校正,而不是校正Rs-c后再計(jì)算ET0-PM。但是,對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)間序列的平均處理也弱化了短期氣候/天氣變化的影響,且區(qū)域性的站點(diǎn)平均值未考慮站點(diǎn)海拔等潛在影響因素的變化,基于穩(wěn)定差異關(guān)系校正的結(jié)果也可能只是區(qū)域的氣候平均值。

    4.3.3數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)結(jié)果的影響

    從本研究前后的結(jié)果比較來看,基于全國(guó)尺度的結(jié)果要比基于各區(qū)的結(jié)果要好,且時(shí)空變化也比較穩(wěn)定,可能的原因在于數(shù)據(jù)站點(diǎn)在各區(qū)的分布不均。從相關(guān)性分析結(jié)果可以看出,站點(diǎn)密度較高且空間分布較均勻的農(nóng)業(yè)區(qū),其結(jié)果表現(xiàn)相對(duì)較好且穩(wěn)定,說明了區(qū)域站點(diǎn)密度及空間分布的均一性對(duì)本研究的結(jié)果具有一定的影響,較少的站點(diǎn)分布可能存在區(qū)域代表性不足的問題,這一問題則是后續(xù)值得探討的方向。此外,本研究參考FAO計(jì)算ET0-PM的案例,選擇觀測(cè)時(shí)間尺度累計(jì)大于等于15年的站點(diǎn)數(shù)據(jù)取多年平均值,但是,因?yàn)檎军c(diǎn)建設(shè)時(shí)間的不一致以及遷站、設(shè)備更新、觀測(cè)任務(wù)的變化,各站點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)時(shí)間尺度并不一致,這可能是本研究數(shù)據(jù)處理的缺陷,也是研究結(jié)果誤差一個(gè)主要來源,因此,還需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度進(jìn)一步驗(yàn)證。

    4.3.4Rs對(duì)ET0-PM的影響

    圖8 Rs-c和Rs-o相對(duì)差值與ET0-c和ET0-o相對(duì)差值的關(guān)系

    圖8是112個(gè)站點(diǎn)所有月份Rs-c和Rs-o相對(duì)差值與對(duì)應(yīng)的ET0-c和ET0-o相對(duì)差值的關(guān)系。從圖可知,ET0-PM相對(duì)差值隨Rs相對(duì)差值的增大而增大,且呈明顯的3次方程曲線關(guān)系,R2接近0.9,但是,受回歸系數(shù)的影響,ET0-PM相對(duì)差值對(duì)Rs相對(duì)差值變化的反應(yīng)卻較平緩。本研究中Rs的相對(duì)差值主要集中在-2.0~3.0 MJ/(m2·d)之間,而ET0-PM相對(duì)差值卻只有-0.15~0.5 mm/d,進(jìn)一步說明了Rs對(duì)ET0-PM影響可能并不大,在精度要求不高的情況下,中國(guó)范圍內(nèi)的大部分站點(diǎn)可以直接使用Rs-c計(jì)算ET0-PM。然而,從圖8擬合的方程曲線可以看出,隨著Rs相對(duì)差值的不斷增大,ET0-PM相對(duì)差值增加的值也有上升的趨勢(shì),因此,Rs對(duì)ET0-PM的影響可能存在一個(gè)范圍,有必要進(jìn)一步討論具有不同誤差等級(jí)的Rs-c對(duì)ET0-PM的影響程度,在實(shí)踐中,根據(jù)不同等級(jí)的ET0-PM誤差要求,選擇對(duì)應(yīng)誤差等級(jí)的Rs-c,以節(jié)約成本。

    5 結(jié)論

    (1)Rs-c和Rs-o的時(shí)空差異分析表明,二者的年內(nèi)變化趨勢(shì)在各區(qū)都表現(xiàn)一致,但是二者的相關(guān)性及差異性分析卻表明,只有個(gè)別區(qū)域在特定季節(jié)具有較好的相關(guān)性,其他季節(jié)、其他區(qū)域則相關(guān)性不顯著。單從Rs-c和Rs-o時(shí)空差異的角度,在中國(guó)九大農(nóng)業(yè)區(qū)Rs-c不能替代Rs-o。

    (2)基于Rs-c和Rs-o分別計(jì)算的ET0-c和ET0-o相關(guān)性及時(shí)空差異性分析表明,整體上ET0-c和ET0-o時(shí)空差異比較小,使用Rs-c替代Rs-o計(jì)算具有一定的可行性,只有個(gè)別區(qū)域在特定季節(jié)可能誤差偏大。具體而言,在全國(guó)范圍內(nèi)的冬季、西北各區(qū)一年四季、華北及東北各區(qū)春、秋、冬季,以及華南地區(qū)秋、冬季的ET0-c和ET0-o差異均較小,可以用ET0-c替代ET0-o指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),各地區(qū)其他時(shí)段的ET0-c和ET0-o差異則略大,其中長(zhǎng)江流域的差異最顯著,使用ET0-c替代ET0-o需要進(jìn)行必要的修正。

    (3)由中國(guó)地區(qū)典型的季風(fēng)氣候特點(diǎn)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制度可知,長(zhǎng)江流域以北地區(qū)的春季一般容易發(fā)生旱災(zāi),灌溉工程的設(shè)計(jì)和灌溉作業(yè)以參考冬季和春季的參考作物需水量為主,而本研究的結(jié)果恰好表明ET0-c和ET0-o在冬春季的北方地區(qū)差異性最小,所以,實(shí)踐中,在其他要素都是觀測(cè)值的條件下,在中國(guó)北方主要灌溉需求地區(qū)的冬、春季,基于PM公式大規(guī)模計(jì)算ET0-PM在缺少輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)的條件下可使用FAO 56建議的通過Angstrom公式及其參數(shù)計(jì)算獲得太陽輻射值。而在夏季“伏旱”期間,無論是北方還是南方,輸入Rs-c計(jì)算的ET0-c比輸入Rs-o計(jì)算的ET0-o偏大,在高精度的節(jié)水農(nóng)業(yè)應(yīng)用中,有必要研究相應(yīng)的校正模型進(jìn)行ET0-c的校準(zhǔn)。

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