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        基于Hargreaves的四川地區(qū)參考作物蒸發(fā)蒸騰量研究

        2017-03-21 02:02:45李丹陽楊汝馨
        節(jié)水灌溉 2017年6期
        關鍵詞:計算結(jié)果修正四川省

        李丹陽,張 涵,王 與,楊汝馨

        (西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院,成都 610031)

        0 引 言

        參考作物蒸發(fā)蒸騰量是影響作物需水量的關鍵因素,是農(nóng)田合理灌溉、農(nóng)作物生產(chǎn)運籌、農(nóng)業(yè)水資源開發(fā)、利用供需平衡、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力及區(qū)域干濕狀況評價的重要指標和理論依據(jù)[1,2]。準確計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量在提高農(nóng)業(yè)水分利用率及發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)等方面具有重要現(xiàn)實意義,一直是國內(nèi)外研究者的關注熱點[3-9]。

        目前,參考作物蒸發(fā)蒸騰量計算的標準方法為聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式[10]。公式基于能量平衡和空氣動力學原理,計算時需凈輻射、土壤熱通量、溫度、風速、相對濕度及飽和水氣壓差等氣象數(shù)據(jù),實際中常因缺乏完備的氣象資料而難以被廣泛應用[11-13]。相比之下, FAO推薦的另一計算方法Hargreaves公式[14],其所需氣象資料簡單,僅包括計算時段內(nèi)的平均最高、最低氣溫,而備受青睞。范麗萍等人[15],李志[16], 王永東等人[17]將Hargreaves公式分別用于計算西安地區(qū)、黃土高原地區(qū)和塔克拉瑪干沙漠蒸發(fā)蒸騰量,發(fā)現(xiàn)該方法有較好的準確度,相對誤差小。而彭世彰等人也指出Hargreaves公式用于相對日照時數(shù)較小的地區(qū),發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果會比Penman-Monteith計算結(jié)果偏大[18];趙永等人針對陜西省楊凌區(qū)灌溉試驗站,提出Hargreaves公式缺少對風速、相對濕度、日照時數(shù)等氣象因素的考慮,應用時需對計算結(jié)果進行線性經(jīng)驗系數(shù)調(diào)整[19]。Droogers等人指出需針對不同研究區(qū)域,對Hargreaves公式計算結(jié)果進行線性修正,確保計算結(jié)果切合實際[20]。可見參考作物蒸發(fā)蒸騰量Hargreaves計算公式在不同區(qū)域適用性有所差別。

        本文針對四川省部分地區(qū)氣象資料不夠完備不能采用標準方法準確計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量的現(xiàn)狀,對參考作物蒸發(fā)蒸騰量估算方法進行研究,采用線性擬合對Hargreaves公式進行修正并探討其適應性,獲得適用于研究區(qū)域的Hargreaves公式修正參數(shù),并分析修正參數(shù)及參考作物蒸發(fā)蒸騰量空間分布規(guī)律,解決以往研究中因缺乏完備氣象資料而不能準確計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量的問題,本文提供了一種實用合理的估算方法,為作物需水量、農(nóng)業(yè)水資源利用及農(nóng)田灌溉提供理論指導。

        1 數(shù)據(jù)與方法

        1.1 數(shù) 據(jù)

        參考作物蒸發(fā)蒸騰量計算所需的基本氣象數(shù)據(jù):日平均氣溫(℃)、平均最低氣溫(℃)、平均最高氣溫(℃)、日平均風速(m/s)、日照時數(shù)(h)、相對濕度(%)、日平均水汽壓(kPa)等,均來源于中國地面國際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集,選取氣象因素較完整的1991-2010年數(shù)據(jù)進行處理計算。四川省內(nèi)分布的國家級地面站點共計11個,分別為甘孜、馬爾康、松潘、溫江、理塘、九龍、宜賓、西昌、會理、萬源和南充,各站點地理位置見圖1。

        圖1 四川省內(nèi)11個國家級氣象站點地理位置分布圖Fig.1 Location of 11 national meteorology sites in Sichuan

        1.2 計算方法

        利用1991-2000年四川省內(nèi)11個國家級地面站點的日值氣象數(shù)據(jù),以Penman-Monteith公式和Hargreaves公式分別計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0和ETh。由于Penman-Monteith公式具有較高的計算精度,因此以Penman-Monteith公式得到的ET0值為標準對Hargreaves公式得到的ETh值進行線性修正,通過兩者線性擬合獲得線性修正參數(shù)a和b;再根據(jù)2001-2010年逐日平均最高和最低氣溫,采用修正后的Hargreaves公式計算2001-2010年參考作物蒸發(fā)蒸騰量,計算結(jié)果與Penman-Monteith標準公式計算結(jié)果進行比較及誤差分析,評價修正后Hargreaves公式的精確度,驗證其蒸發(fā)蒸騰量估算的合理性。利用ArcGIS探討四川省參考作物蒸發(fā)蒸騰量及線性修正參數(shù)a、b的空間分布規(guī)律。以下分別對Penman-Monteith公式、Hargreaves公式及線性修正方法進行介紹。

        Penman-Monteith公式(1)為聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量的標準公式,適用于不同地區(qū),具有較高計算精度:

        (1)

        式中:ET0為標準參考作物蒸發(fā)蒸騰量 ,mm/d;Rn為作物表面凈輻射,MJ/(m2·d);G為土壤熱通量 ,MJ/(m2·d);T為計算時段內(nèi)的平均氣溫,℃;U2為離地面2 m高處的風速,m/s;es為飽和蒸汽壓,kPa;ea為實際蒸汽壓,kPa;es-ea為飽和蒸汽壓赤字,kPa;Δ為蒸汽壓曲線斜率,kPa/℃;γ為濕度計算常數(shù),kPa/℃。

        Hargreaves公式(2)為聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量簡便公式[14]:

        ETh=0.408×0.002 3 (Tav+17.8)(Tmax-Tmin)0.5Ra

        (2)

        式中:ETh為參考作物蒸發(fā)蒸騰量,mm/d;Ra為大氣層頂輻射,MJ/(m2·d);Tav為平均氣溫,Tav=(Tmax+Tmin)/2,℃;Tmax為計算時段內(nèi)的平均最高氣溫,℃;Tmin為計算時段內(nèi)的平均最低氣溫,℃。

        一般情況下,Hargreaves公式與Penman-Monteith標準公式計算結(jié)果有一定偏差,實際中常利用式(3)對Hargreaves公式進行線性修正[19,20]。

        ET*h=aETh+b

        (3)

        式中:ET*h為對ETh修正后得到的參考作物蒸發(fā)蒸騰量,mm/d;ETh為由式(2)計算得到的參考作物蒸發(fā)蒸騰量,mm/d;a、b為ETh線性修正參數(shù)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 修正參數(shù)確定

        利用1991-2000年歷年氣象數(shù)據(jù)日值資料,分別采用Penman-Monteith和Hargreaves計算出不同氣象站點相應的ET0和ETh值,將兩種方法得到的參考作物蒸發(fā)蒸騰量繪制成散點圖,如圖2。通過對各站點ETh和ET0進行線性擬合,求取修正參數(shù)a和b,見表1。

        圖2 四川省內(nèi)11個氣象站點ETh和ET0散點圖(單位:mm/d) Fig.2 ET0 and ETh scatter diagram of 11 meteorology sites in Sichuan Province

        參數(shù)甘孜馬爾康松潘溫江理塘九龍宜賓西昌會理萬源南充a0.7320.5870.6220.7410.6480.6000.6480.7530.7340.6970.710b0.7770.5400.5770.2450.8691.2730.2540.3760.5100.3610.178

        2.2 驗證及誤差分析

        利用2001-2010年的氣象數(shù)據(jù)及參考作物蒸發(fā)蒸騰量計算結(jié)果對四川省內(nèi)11個國家級地面站點的Hargreaves公式線性修正參數(shù)分別進行驗證。以Penman-Monteith計算結(jié)果(ET0)為標準,與Hargreaves公式修正前后得到的計算結(jié)果(ETh和ET*h)進行對比分析,檢驗其修正參數(shù)的合理性,分析結(jié)果見圖3。

        采用Hargreaves公式計算得到的ETh與標準公式Penman-Monteith得到的ET0趨勢基本一致,部分站點在某些月份達到較好吻合,如馬爾康、溫江、萬源在1、11、12三個月份最大相對誤差絕對值均小于7.27%,會理除5-9月份以外相對誤差的絕對值均小于8.6%。但通過對11個氣象站點最大相對誤差統(tǒng)計,Hargreaves公式直接計算的最大相對誤差絕對值均大于25%,其中最大相對誤差47.51%出現(xiàn)在馬爾康(6月)。從整體角度考慮,需對Hargreaves公式進行線性修正以滿足對參考作物蒸發(fā)蒸騰量計算精確度的要求。參考作物蒸發(fā)蒸散量修正后的相對誤差絕對值見圖4。

        圖3 四川省11個氣象站點2001-2010年月均ETh,ET0及ET*hFig.3 Monthly average of ETh, ET0 and ET*h during 2001-2010 at 11 meteorology sites in Sichuan Province

        圖4 Hargreaves公式修正后相對誤差絕對值Fig.4 Absolute values of relative error of corrected Hargreaves formula

        甘孜修正前最大相對誤差26.54%降至修正后1.02%(12月)、馬爾康47.51%降至2.75%(6月)、松潘41.04%降至6.49%(6月)、溫江33.16%降至6.06%(5月)、理塘26.95%降至2.61%(1月)、九龍25.09%降至0.13%(12月)、宜賓44.96%降至3.59%(4月)、西昌37.69%降至14.68%(6月)、會理21.82%降至3.7%(7月)、萬源33.58%降至6.4%(6月)、南充39.38%降至4.37%(6月)。可見,通過修正可有效減小誤差,Hargreaves修正后計算的參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET*h與標準公式Penman-Monteith計算結(jié)果ET0吻合較好。以標準公式計算ET0值為參考,修正公式得到的ET*h值相對誤差絕大部分均在10%以下,個別站點誤差在15%以下。另一方面,整體修正可能會出現(xiàn)個別站點個別月份相對誤差反超現(xiàn)象,即部分站點修正后相對誤差比修正前大。在實際中為了避免誤差增大,建議對這些站點(詳見表2)采用零修正方法。

        表2 建議零修正站點及月份

        應用ArcGIS對四川省參考作物蒸發(fā)蒸騰量及Hargreaves公式修正參數(shù)進行空間分析,如圖5、圖6。四川省內(nèi)的參考作物蒸發(fā)蒸騰量分布大致為高原地區(qū)較大,盆地和平原地區(qū)較小,自西向東呈現(xiàn)遞減,這與許杏娟等人指出的ET0變化存在區(qū)域差異結(jié)論相一致[21]。修正參數(shù)的空間分布情況為:a值在甘孜、西昌、溫江站點較大,馬爾康、九龍站點較??;b值在九龍站點最大,整體上呈現(xiàn)自西向東遞減趨勢。

        圖5 四川省參考作物蒸發(fā)蒸騰量空間分布Fig.5 Spatial distribution of reference crop evapotranspiration in Sichuan

        圖6 四川省Hargreaves公式修正參數(shù)a和b空間分布Fig.6 Spatial distribution of corrected parameter a and b in Sichuan

        3 結(jié) 論

        本文通過對Penman-Monteith和Hargreaves公式的計算結(jié)果進行線性擬合,有效修正了Hargreaves公式,并探討參考作物蒸發(fā)蒸騰量及修正參數(shù)的空間分布格局。通過對Hargreaves公式的修正,為四川省參考作物蒸發(fā)蒸騰量提供了合理可行的估算方法,并為進一步深入了解四川地區(qū)干濕狀況、作物需水量及農(nóng)田灌溉指導等提供參考依據(jù)。針對四川地區(qū),通過分析參考作物蒸發(fā)蒸騰量的空間分布格局,可知參考作物蒸發(fā)蒸騰量與地形有較大相關性;通過對比分析不同公式的計算結(jié)果,可知Hargreaves公式在溫度較高的5-8月份結(jié)果偏高;通過分析同一站點不同月份的氣象數(shù)據(jù)及結(jié)果可知,參考作物蒸發(fā)蒸騰量與氣候變化密切相關;另一方面,若參考作物蒸發(fā)蒸騰量出現(xiàn)反轉(zhuǎn)性變化或較大轉(zhuǎn)折時,本文采用的整體性線性修正Hargreaves 公式將可能出現(xiàn)計算誤差偏大甚至誤差反超現(xiàn)象(如西昌6月份計算結(jié)果 )。因此在今后的研究中還應探尋更多修正方法和更精確的修正系數(shù),研究解決部分站點月份零修正所帶來的估算方法不一致問題。

        致謝: 衷心感謝中國氣象科學數(shù)據(jù)科學共享服務網(wǎng)( http:∥cdc.gov.cn) 提供本文所需的氣象資料!

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