羅玉峰,羅紅英,2,白凱華,常曉敏,繳錫云,崔遠來
(1. 武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室,武漢 430072;2. 西藏大學農(nóng)牧學院,西藏 林芝 860100; 3. 河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,南京 210098)
參考作物騰發(fā)量(ET0)是灌溉管理的重要依據(jù),精確預報ET0可以有效地提高灌溉預報的精度,改善灌溉用水管理[1]。國內(nèi)外關于參考作物騰發(fā)量預報多基于歷史時間序列分析,如Tracy等和Marino等各自提出一種時間序列分析模型[2,3];Mao和茆智等分析多個站點逐日參考作物騰發(fā)量序列在年內(nèi)的變化過程,得到一種參考作物騰發(fā)量預報的指數(shù)模型,考慮預報的天氣類型對其進行修正,即逐日均值修正模型[4,5];羅玉峰等以傅立葉級數(shù)和表示多年日平均參考作物騰發(fā)量在年內(nèi)的變化過程,提出了傅立葉級數(shù)模型[6]。隨著天氣預報的精度逐步提高,近年來根據(jù)天氣預報進行ET0預報的研究越來越多。美國有學者利用國家氣象網(wǎng)站提供的天氣預報進行ET0預報[7-9],Guo et al. (2011年)采用天氣預報數(shù)據(jù)輸入決策支持向量機來進行ET0預報[10]。Ballesteros等(2012年)開發(fā)了一個采用天氣數(shù)據(jù)輸入人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行ET0預報的工具[11]。趙琪等(2014年)提出基于天氣預報和Penman-Monteith公式的短期逐日參考作物騰發(fā)量進行預報[12],由于天氣預報中溫度預報相對準確,故更多的研究基于氣溫預報進行ET0預報[13,14]。本文以西藏林芝站為例,比較了4種常用的基于溫度的ET0預報計算公式在ET0預報中的應用。通過提高ET0預報的準確性來提升青稞等作物的灌溉用水管理水平,提高灌區(qū)水分利用效率。
采用2001-2011和2012-2013年西藏林芝站實測氣象數(shù)據(jù)分別率定和驗證模型,然后用2012-2013年預報的氣溫輸入原模型和率定后的模型從而得到ET0預報值,最后分別評價原模型和率定后模型的預報精度。
從中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)收集到西藏自治區(qū)林芝站2001-2013年的逐日氣象數(shù)據(jù),從“中國天氣”網(wǎng)站(http:∥www.weather.com.cn)收集到2012年6月6日至2013年12月31日逐日對未來7 d的氣象預報數(shù)據(jù)。林芝站位于北緯29°40′、東經(jīng)92°20′,海拔2 991.8 m。歷史氣象數(shù)據(jù)包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、相對濕度、平均風速和日照時數(shù),天氣預報數(shù)據(jù)則包括最高和最低氣溫。
1.2.1Hargreaves-Samani模型
HS(Hargreaves-Samani)模型為最常用的以氣溫數(shù)據(jù)為輸入的ET0計算公式,其表達式為[15]:
式中:ET0,HS為通過HS公式計算的ET0值,mm/d;Ra為大氣頂太陽輻射,可根據(jù)日序數(shù)及站點的地理緯度計算,MJ/(m2·d);Tmax和Tmin為最高和最低氣溫,℃;C、E、T為公式的3個參數(shù),其建議值分別為0.002 3、0.5、17.8。式(1)在形式上對于不同類型氣候區(qū)域均具有一定的合理性,但許多研究指出參數(shù)C、E、T均具有地區(qū)變異性,因此可對HS公式的3個參數(shù)作地區(qū)校正,以提高公式的精度[18,19]。
1.2.2Thornthwaite模型
Thornthwaite(TH)模型可寫為:
ET0,TH=
(2)
a=6.75×10-7I3-7.71×10-5I2+
1.791 2×10-2I+0.492 39
(3)
Tef=0.5K(3Tmax-Tmin)
(4)
1.2.3PT模型
簡化的FAO56-PM(PT)模型將FAO56-PM模型中的Rs和ed視為溫度的函數(shù),并假設2 m高度處風速為2 m/s:
Rs=KPT(Tmax-Tmin)0.5Ra
(5)
ed=0.610 8 exp [17.27Tmin/(Tmin+237.3)]
(6)
式中:Rs為太陽輻射,MJ/(m2·d);Ra為大氣頂太陽輻射,MJ/(m2·d);Tmax和Tmin為最高和最低氣溫,℃;KPT為調(diào)整系數(shù),內(nèi)陸地區(qū)為0.16,沿海地區(qū)為0.19 (丁加麗等,2006年)。
1.2.4MC模型
McCloud模型可寫為:
ET0,MC=KMCW1.8 T
(7)
式中:W和KMC為常數(shù),分別取為0.254和1.07;T為平均溫度,℃ (丁加麗等,2006年)。
由于FAO-56 Penman-Monteith(PM)公式[17]的計算精度較高,可將該公式計算的 作為基準值來校正HS公式的參數(shù)。PM公式如下:
(8)
式中:ET0,PM為采用PM公式計算的參考蒸騰量,mm/d;Rn為凈輻射,可根據(jù)凈短波Rns減去凈長波輻射Rnl得到,MJ/(m2·d);G為土壤熱通量,MJ/(m2·d);Tmean為平均氣溫,℃;U2為2 m高度處的風速,m/s;es和ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓,kPa;Δ為飽和水汽壓~氣溫曲線上的斜率,kPa/℃;γ為濕度計常數(shù),kPa/℃。
以2001-2011年氣象觀測數(shù)據(jù)由PM公式計算得到ET0,PM基準值,以觀測的最高和最低氣溫為變量,采用最小二乘法,可確定HS公式的2個參數(shù)。對于另外3種基于溫度的模型,Allen et al. (1994年)建議可以下式進行率定:
ET0=α+βETeq
(9)
式中:ET0為根據(jù)FAO56-PM和觀測的氣象數(shù)據(jù)得到的計算值;ETeq為通過基于溫度的原模型的計算值;α和β為待率定的參數(shù)[18]。
除了通過圖形直觀分析外,還采用統(tǒng)計指標評價HS公式校正結果和ET0預報精度。統(tǒng)計指標包括平均絕對誤差(Mean absolute error,MAE)、均方根誤差(Root mean square error,RMSE)和相關系數(shù)(r)。對于預報的氣溫和ET0,除上述3個指標外,另外還采用準確率來進行評價。定義預報最低和最高氣溫絕對誤差在±2 ℃以內(nèi)的天數(shù)占總樣本個數(shù)的百分比為氣溫預報的準確率。類似地,定義預報ET0絕對誤差在±2 mm/d以內(nèi)的天數(shù)占總樣本個數(shù)的百分比為ET0預報的準確率。其他各統(tǒng)計指標的計算公式如下:
(12)
表1所示為氣溫預報精度評價統(tǒng)計指標值。就預見期1~7 d來說最低和最高氣溫預報平均準確率分別為63.7%和51.9%,平均絕對誤差分別為2.03 ℃和2.34 ℃,均方根誤差分別為2.83 ℃和2.95 ℃。從這3項指標看,氣溫預報精度并不高,但最低氣溫預報的相關系數(shù)達0.90以上,最高氣溫預報的相關系數(shù)略低,但平均也達到0.86,說明最低和最高氣溫預報值與實測值存在很緊密的相關關系。綜上說明氣溫預報達到了一定的精度,可嘗試應用于ET0的預報。
圖1所示為采用原模型進行ET0預報的2012年6月至2013年12月期間未來1,4,7 d的ET0值與FAO56-PM計算值的變化過程。總體而言,原模型的預報效果并不理想, PT模型的預報值普遍大于PM計算值,TH和MC模型的預報值則普遍小于PM計算值,且TH模型的年內(nèi)變化過程也不明顯。HS與PM公式計算值的變化趨勢基本一致,預報能夠反應出未來4 d的ET0變化過程。相比較而言,HS模型預報效果較好。西藏藏族自治區(qū)氣象站點分布相對較稀疏,如果附近無氣象觀測站,無法采用觀測數(shù)據(jù)進行模型率定時,建議可采用HS模型進行ET0預報。
表1 氣溫預報精度評價指標值
圖1 原模型ET0預報值與ET0,PM計算值的比較
表2為HS公式3個參數(shù)校正的結果,表中HS模型參數(shù)值都在胡慶芳等(2011年)[19]給出的分布區(qū)間,其余3個模型的參數(shù)也與和前人的率定結果[20]接近,差別可能是由不同的時間步長及不同的氣候區(qū)所致。圖2所示為基于溫度的ET模型計算值與PM公式計算值散點圖。從圖2中可以看出,HS模型的率定結果較好,而其余3種模型不論在率定期還是驗證期,都存在ET0較小時基于溫度的模型計算值大于PM計算值,ET0較大時基于溫度的模型計算值小于PM計算值的情況。表3中的統(tǒng)計比較說明相對于原模型,率定期和驗證期模型精度都有所提高。
表2 HS公式參數(shù)校正結果
圖2 基于溫度的ET模型計算值與PM公式計算值散點圖
項目原模型MAE/(mm·d-1)RMSE/(mm·d-1)R率定期MAE/(mm·d-1)RMSE/(mm·d-1)R驗證期MAE/(mm·d-1)RMSE/(mm·d-1)RHS5.796.350.530.510.650.580.610.760.53TH0.580.770.410.540.680.430.650.810.31PT2.622.910.560.500.620.570.600.740.55MC0.760.930.400.560.700.380.620.750.54
表4所示為ET0預報值與ET0,PM計算值的統(tǒng)計比較。表中數(shù)據(jù)顯示,與原模型的預報效果相比,率定后各模型的預報效果統(tǒng)計參數(shù)有較大幅度的提高,準確率都達到70%左右,MAE值HS模型最小,平均為0.57 mm/d,其他3個模型為1.27~1.50 mm/d;RMSE都在2.0 mm/d左右;R值總體仍不高,TH模型平均僅有0.19,其他3種模型在0.6左右。綜合來看,PT模型的效果穩(wěn)定優(yōu)于其他3個模型。圖3所示為預報的2012年6月至2013年12月期間未來1、4、7 d的ET0值變化過程也進一步說明PT模型經(jīng)率定后預報效果優(yōu)于其他3種模型。從圖3可以看出,TH和MC模型經(jīng)過率定后,預報效果仍較差,而HS模型和PT模型的預報效果相對較好,能夠反映出ET0的季節(jié)變化,但夏季ET0的PM計算值較大時,預報值較小??赡茉蚴窍募救照諘r數(shù)長,或者風速較大,而基于溫度的方法并未考慮到這些因素。
表4 率定后模型ET0預報值與ET0,PM計算值的統(tǒng)計比較
續(xù)表4 率定后模型ET0預報值與ET0,PM計算值的統(tǒng)計比較
圖3 率定后模型ET0預報值與ET0,PM計算值的比較
本文以林芝為例,比較了4種基于氣溫預報ET0預報方法。結果表明,未率定的4種模型預報誤差均較大,HS公式精度較高。經(jīng)率定后,4種公式的預報精度都有所提高,平均準確率為70%,MAE值HS模型最小,平均為0.57 mm/d,其他3個模型為1.27~1.50 mm/d;RMSE都在2.0 mm/d左右;r值總體仍不高,TH模型平均僅有0.19,其他3種模型在0.6左右。綜合來看,PT模型的效果穩(wěn)定優(yōu)于其他3個模型。對于林芝地區(qū)附近灌區(qū)無論有無氣象觀測數(shù)據(jù)供模型率定,建議采用PT模型進行ET0預報。
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