興安盟參考作物騰發(fā)量計算方法的適用性評價

尹春艷，趙 舉，劉 虎，李 彬，戚迎龍

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；2.水利部牧區(qū)水利科學研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

騰發(fā)是農(nóng)田水量平衡和能量平衡的重要影響因子，對農(nóng)田的水文循環(huán)過程以及物態(tài)轉(zhuǎn)化具有重要作用。參考作物騰發(fā)量（reference crop evapotranspiration，ET0）是表征土壤蒸發(fā)和作物蒸騰能力的一個重要指標，是指在植被覆蓋條件下由于土壤蒸發(fā)和作物蒸騰造成水分損失的上限。興安盟是內(nèi)蒙古地區(qū)乃至全國的一個重要糧食產(chǎn)區(qū)，探求適合興安盟參考作物騰發(fā)量的計算方法對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的促進作用，并能夠為節(jié)約水資源、優(yōu)化灌溉制度提供理論依據(jù)，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)本增效提供有效途徑。

近年來，關于參考作物騰發(fā)量的研究很多，主要是從地區(qū)時空變化[1-3]、計算方法篩選[4-6]和對參考作物騰發(fā)量計算方法修正[7-8]3 個角度出發(fā)研究參考作物騰發(fā)量。在地區(qū)時空變化研究方面大多數(shù)集中在新疆[9]、西藏[10]、云貴高原[11]、黃河三角洲[12]、東北[13]等地區(qū)，針對興安盟參考作物騰發(fā)量的研究鮮見報道。參考作物騰發(fā)量具有明顯的區(qū)域特征，不同地區(qū)的影響因子和年際變化特征不同。研究表明，新疆生長季及全年的ET0呈顯著減少趨勢[14]。西藏地區(qū)在季節(jié)尺度上，參考作物騰發(fā)量總體表現(xiàn)為單峰曲線，即1—7月呈增加趨勢，7月達到最大值（132.48 mm），7—12月開始逐漸下降；在年際尺度上，參考作物騰發(fā)量總體呈現(xiàn)遞增的趨勢，平均為1 023.03 mm，并且以每年29.61 mm 增加趨勢上升[15]。云貴高原地區(qū)，近60年來ET0呈現(xiàn)出明顯的波動過程，總體表現(xiàn)為緩慢的遞增趨勢[16]；基于參考作物騰發(fā)量的算法篩選主要是以FAO56 Penman-Monteith 計算方法為標準，結合溫度及輻射計算法，篩選出在氣象資料缺失情況下適合不同地區(qū)的計算方法替代FAO56 Penman-Monteith 計算方法[17]。目前，興安盟尚沒有篩選出適宜的計算方法以及優(yōu)化適合當?shù)氐挠嬎惴椒?。因此，本研究選擇3種計算方法，利用回歸分析篩選出在氣象資料缺失條件下適合興安盟參考作物騰發(fā)量的計算方法。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)收集

興安盟地處大興安嶺向松嫩平原過渡帶，由西北向東南分為4 個地貌類型：中山地帶、低山地帶、丘陵地帶和平原地帶，海拔高度150～1 800 m。南北長380 km，東西寬320 km。屬溫帶半干旱季風氣候，四季分明。無霜期95～145 d，年平均降水量為400～450 mm，雨熱同期，適合一季作物生長。大部分地區(qū)日照為2 800～3 100 h，中南部10 ℃以上積溫為2 200～3 100 ℃。從北向南氣溫、積溫、光照、無霜期遞增，而降水量、相對濕度遞減。

采用興安盟烏蘭浩特、扎賚特旗、阿爾山、科爾沁右翼中旗（以下簡稱科右中旗）4 個氣象站1973—2018年逐日氣象資料（日平均最高溫度、日平均最低溫度、日平均相對濕度、日平均風速、日平均日照時數(shù)），氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

1.2 計算方法

1.2.1 FAO56 Penman-Monteith 方法（PM 法）

式（1）中，Rn為冠層表面凈輻射［MJ/（m2·d）］；G 為土壤熱通量［MJ/（m2·d）］，G=0；T 為平均氣溫（℃）；Δ 為飽和水汽壓溫度曲線的斜率（kPa/℃）；μ2為高度2.0 m 處風速（m/s）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實際水汽壓（kPa）；γ 為濕度計常數(shù)（kPa/℃）。

1.2.2 Priestley-Taylor 法（PT 法）

式（2）中，ET0PT為應用Priestley-Taylor 法所得的ET0；α值為經(jīng)驗系數(shù)，取1.26。

1.2.3 Hargreaves-Samani 法（HS 法） Hargreaves-Samani 法是在美國西北部干旱的氣候條件下建立的。研究表明，Hargreaves-Samani 法在基于溫度的方法中具有一定的優(yōu)勢。計算公式為

式（3）中，T 為平均氣溫（℃）；TD 為最高與最低氣溫之差（℃）；Ra為天頂輻射［MJ/（m2·d）］，可由溫度估算得到。

1.3 評價方法

以PM 法計算的ET0作為標準值，采用線性回歸方法、相對誤差（RE）和標準誤差（RMSE）考查PT 法和HS 法的準確性，并用SPSS 軟件對2種方法與PM 法計算的結果進行Person 相關性檢驗。線性回歸中決定系數(shù)R2越高，說明2種方法的相關性越好；RE 表示2種方法的誤差大小，正負表示結果的傾向性；RMSE 用來判斷計算結果的精確性，其值越接近0，計算方法的精確度越高；相關性達到顯著水平（P＜0.05）或者極顯著水平（P＜0.01），R 越接近1，說明2種方法的計算結果正向一致性越高。相對誤差和標準誤差的計算公式如下

式（4）、式（5）中，Ei為2種方法計算的ET0，Mi為用PM 法計算的ET0，n 為數(shù)值個數(shù)。

2 結果與分析

2.1 日值尺度ET0 的變化

將2種計算方法和PM 法2018年逐日ET0時間序列進行對比，得到烏蘭浩特、扎賚特旗、阿爾山、科右中旗計算的逐日ET0曲線，由圖1 可以看出，在4 個站點，不同方法計算得到的ET0變化趨勢基本一致，峰值均出現(xiàn)在夏季，同時，PT 法和PM 法更加接近。綜上所述，在興安盟就日值尺度而言，PT 法計算結果偏差較小。

以PM 法為標準，將其他2種方法的計算結果分別與PM 法結果進行線性擬合，由圖2 可以看出，4 個站點2種計算方法與PM 方法的計算結果均呈正相關關系，但不同方法與PM 法結果相關性存在明顯差異。圖2（a）、圖2（c）、圖2（e）、圖2（g）中線性回歸得到的決定系數(shù)R2均在0.99 以上，擬合效果特別好，說明在4 個站點PT 和HS 2種方法與PM 法計算結果相關性較好；從相對誤差角度分析，在每個站點PT 法的相對誤差（RE）均小于HS 法，并且都在0.25 以下，在科右中旗偏差最小。從計算精度來看，在每個站點PT 法的計算精度均大于HS 法，PT 法的均方根誤差（RMSE）均小于0.014。綜上所述，在日值尺度上，對于興安盟來說，采用PT 法替代PM 法具有可行性。

2.2 月值尺度ET0月平均變化分析

為了進一步分析2種方法的計算精度和適宜性，利用3種計算方法得到4 個站點1973—2018年多年月平均ET0的月變化曲線（圖3），不同方法計算月平均ET0的變化趨勢基本相同，具體表現(xiàn)為夏季高、冬季低的單峰型變化。由圖3 可以看出，PT 法和HS 法計算結果均比PM 法偏高，但是PT 法結果偏差較小。

由表1 可以看出，4 個站點2種方法與PM 法計算結果達到極顯著相關關系（P＜0.01）；在4 個站點PT 法的相關性好于HS 法，在扎賚特旗和阿爾山2種方法與PM 法的相關性最好。從相對誤差角度分析，在每個站點PT 法的相對誤差（RE）均小于HS法，并且都在1.46 以下，在科右中旗2種計算方法的偏差最小。從計算精度來看，在每個站點PT 法的計算精度均大于HS 法，均方根誤差（RMSE）均小于0.052。綜上所述，在月值尺度上，對于興安盟來說，采用PT 法替代PM 法具有一定的可行性。

表1 1973—2018年2種計算方法和PM 法的月平均ET0 統(tǒng)計分析

2.3 年值尺度ET0 平均變化分析

選取PM、PT 和HS 3種方法分別計算烏蘭浩特、扎賚特旗、阿爾山、科右中旗年際ET0，得到3種方法的ET0年際變化曲線，由圖4 可以看出，不同方法計算得到的ET0變化趨勢基本一致，總體來看，PT和HS 2種方法計算的年平均ET0和PM 法計算的值偏大，在科右中旗PT 法比較接近PM 法。

由表2 可以看出，在年際變化中，PT 法和HS 法與PM 法的偏差都很大。在科右中旗PT 法相關性較好（R=0.848）；在阿爾山地區(qū)相關性較差。綜上所述，在年值尺度應用PT 法和HS 法替代PM 法不適合，原因可能是在嶺南溫暖區(qū)，屬溫帶半干旱季風氣候，四季分明，在PT 法中，沒有考慮相對濕度，然而興安盟夏季雨熱同期，夏季雨水相對較多，相對濕度變化較大，對公式的計算結果影響較大；同時HS 法沒有考慮風速和相對濕度，而興安盟風沙較大，造成了結果偏差較大。

表2 1973—2018年2種計算方法和PM 法的年ET0 統(tǒng)計分析

3 討論

騰發(fā)是農(nóng)田水量平衡和能量平衡的重要影響因子，對農(nóng)田的水文循環(huán)過程以及物態(tài)轉(zhuǎn)化具有重要作用。在氣象資料完整的地區(qū)，可以使用PM 法，該方法對于影響ET0的各種因素考慮比較全面，若資料缺乏，則不適合使用PM 法。因此，評價分析各種方法的地區(qū)適用性，根據(jù)有限的可用資料選取合適的方法準確估算就顯得非常有意義。劉倩等[18]認為Irmark-Allen 方法結果最接近Penman-Monteith 方法的擬合效果較好，適合缺測氣象資料條件下?？跐駶櫄夂虻腅T0計算。尹春艷等[19]研究認為在黃河三角洲地區(qū)在氣象資料缺失的條件下可以用Priestley-Taylor 方法計算該地區(qū)的ET0。符娜等[11]研究認為，滇西-滇西南山原與高山多水區(qū)推薦Hargreaves-Samani 法，滇西北-滇東北山原河谷中水區(qū)和滇中北高原中水-少水區(qū)推薦Priestley-Taylor 法。不同的研究說明了同一方法的地區(qū)差異性很大，在資料缺乏時需要選擇合適的方法這樣才能有效減小誤差。而本研究通過4 個典型站對比評價基于溫度的2種簡單計算方法在興安盟的適用性，發(fā)現(xiàn)在不同的時間尺度上計算ET0的方法各不相同，在日值尺度上，PT 法和HS 法相對PM法相對誤差較小，相關性較好，但是在年際尺度上，誤差較大，相關性較差，在今后的研究中需考慮在月值和年值尺度上對公式進行修正。

4 結論

在興安盟通過PM 法、PT 法和HS 法對1973—2018年4 個站點的ET0進行計算，并以PM法為標準，依據(jù)均方根誤差（RMSE）和相對誤差（RE）等量化指標，對2種基于溫度的ET0計算方法在4 個站點日、月、年序列的適用性進行分析，得出以下結論：在興安盟，在日值尺度上可以選擇PT 法替代PM 法計算ET0，因為PT 法和HS 法與PM 法的吻合最好，尤其是PT 法，決定系數(shù)R2達到0.99 以上；在不同時間尺度上采用PT 法和HS 法替代PM 法，RSEM日值＞月值＞年值；RE日值＞月值＞年值。在氣象資料缺失的情況下，興安盟可以采用日值數(shù)據(jù)應用PT 法和HS 法計算參考作物騰發(fā)量，并可以指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。