陳進 高磊 章進
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方程計算結(jié)果標(biāo)準,通過誤差指標(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,旨在獲得一種過程簡單、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)驗參數(shù)時,在年尺度上能夠替代P-M方程計算結(jié)果,但是兩者在冬季時,計算結(jié)果具有差異性,反而在冬季Har方程的計算結(jié)果更加接近于P-M方程的??傮w而言,5種方法的計算結(jié)果與P-M方程的計算結(jié)果始終具有差異性,并且通過回歸分析可以看出5種方法的穩(wěn)定性相對較差。
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,表面開闊、作物生長高度一致且生長旺盛、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,準確估算參考作物蒸散量,對農(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方程是國際公認的計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、計算相對復(fù)雜,從而在氣象資料缺乏地區(qū)的運用上造成限制。而單一氣象資料的估算方程因計算簡單、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)計算結(jié)果的準確性,針對各方法在研究區(qū)域內(nèi)的適用性評價就顯得尤為必要。目前,國內(nèi)參考作物蒸散量估算方程的對比大多集中在北方干旱半干旱地區(qū),并且對綜合法和輻射法的研究相對較少[9-11]。同時,在進行適用性評價時,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,開展不同季節(jié)內(nèi)的適用性對比分析,對提高估算方法的適用性具有重要意義。
馬鞍山位于長江下游南岸、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)分布和時空分布分配不均,對馬鞍山市生態(tài)環(huán)境和水資源的合理配置有較大影響。因此,尋找一個操作過程簡單且精度較高的ET0估算方法,對實現(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,對其余5種方法估算結(jié)果進行對比分析,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(℃)、日照時數(shù)(h)、日平均相對濕度(%)、10m高日平均風(fēng)速(m/s)等。
1.2 參考作物蒸散量估算方法 通過估算1961—2014年馬鞍山逐年ET0,以P-M法估算結(jié)果為標(biāo)準,對其余5種方法ET0估算結(jié)果進行對比分析,探討各方法在馬鞍山的適用性。
1.2.1 Penman-Monteith方程 P-M方程是以水汽擴散和能量平衡理論為基礎(chǔ),不僅考慮了輻射項和空氣動力學(xué)項,同時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)得到了廣泛驗證。
2 結(jié)果與分析
以P-M方程計算結(jié)果作為標(biāo)準,對其他5種參考作物蒸散量計算結(jié)果進行分析比較。通過平均絕對誤差(MAE)、平均相對誤差(MRE)、確定性系數(shù)(R2)評價指標(biāo)對年尺度和季節(jié)尺度上的參考作物蒸散量結(jié)果做定量分析。各指標(biāo)的計算公式見參考文獻[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算方程得到的逐年結(jié)果。以P-M方程計算結(jié)果作為標(biāo)準,6種計算方程所得結(jié)果的年際變化趨勢基本一致,峰值谷值明顯,且峰谷值的出現(xiàn)時間基本吻合,說明其余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方程的計算結(jié)果,I-A方程和Hargreaves方程的計算結(jié)果均明顯偏大,J-H方程和Makkink方程的計算結(jié)果明顯偏小,只有Turc方程的計算結(jié)果與P-M方程結(jié)果較為一致。因此,以P-M計算結(jié)果為標(biāo)準,計算其余方程與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。
為了進一步對比6種方程的計算結(jié)果,以P-M方程為自變量,其余5種方程為應(yīng)變量,進行回歸分析,并對P-M方程與另外5種方程進行線性擬合,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,Turc方程、Makkink方程、J-H方程擬合度相對較好??傮w而言,P-M方程的擬合度均不高,這是由于個別年份數(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)年份點離線程度底,擬合度高,并且Turc方程計算結(jié)果均勻分布在1∶1線附近,因此可以認為,Turc方程在計算年參考作物蒸散量上具有替代P-M方程的可實施性。
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。但從變化趨勢上看,所有方法多年年均季節(jié)特征變化趨勢(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計算結(jié)果相比,Turc在春季、夏季、秋季的適用性相對較好,Har方程在冬季計算結(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方程計算結(jié)果在春、夏、秋3季更接近于P-M方程計算結(jié)果;Har方程計算結(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,對比分析其余5種方法的估算結(jié)果:從年值對比上看,6種計算方程所得結(jié)果的年際變化趨勢基本一致,峰值谷值明顯,且峰谷值出現(xiàn)的時間基本吻合,可以說明其余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)尺度上的對比發(fā)現(xiàn):Turc在春季、夏季、秋季的適用性相對較好,Har方程在冬季計算結(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,但是通過誤差指標(biāo)可以看出,Turc方程的計算結(jié)果和P-M方程的計算結(jié)果始終都具有一定的差異性,并且這2個方程在做回歸分析時的擬合度并不是很高。需要強調(diào)的是:本研究中其余5種方程中都有1個原始經(jīng)驗參數(shù),是一個給定值,因此,有可能通過P-M方程的計算結(jié)果來修正這5種方程中的原始經(jīng)驗參數(shù)K,以此來彌補這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)驗參數(shù)。并且以修正經(jīng)驗參數(shù)值去計算參考作物蒸散量,再與P-M計算結(jié)果比較,去尋求修正原始經(jīng)驗參數(shù)是否具有可行性。
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(責(zé)編:張宏民)