李百慧，李般若，季書一，邢凌凱，鄭力高，黃品天

(河海大學(xué) a.農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院； b.土木與交通學(xué)院； c.計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院； d.水利水電學(xué)院，南京 211100)

0 引 言

南京地處中國(guó)東部，長(zhǎng)江下游、瀕江近海，是重要的文化古城。南京屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充足豐沛，年降水1 200 mm，四季分明，年平均溫度15.4℃。夏季炎熱，秋天干燥涼爽，冬季寒冷干燥。南京也是重要的農(nóng)業(yè)發(fā)展城市，因此推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉對(duì)南京地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。

參考作物騰發(fā)量(ET0)是農(nóng)業(yè)用水的重要組成部分，它的準(zhǔn)確計(jì)算與預(yù)報(bào)是制定農(nóng)作物灌溉制度的基礎(chǔ)，也是促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水的關(guān)鍵[1]。目前，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)推薦使用Penman-Monteith公式作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法[2]，該公式的物理學(xué)基礎(chǔ)嚴(yán)密，計(jì)算精度較高，但需要相當(dāng)完備的氣象數(shù)據(jù)資料。Hargreaves公式是Hargreaves和Samina提出并不斷改進(jìn)的一個(gè)氣候?qū)W公式，對(duì)氣象資料要求較低，但計(jì)算精度有所下降，PM公式與HS公式近年來(lái)都得到了廣泛的研究與應(yīng)用[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者以 Penman-Monteith法為基準(zhǔn)，對(duì)多種ET0計(jì)算方法進(jìn)行了大量研究，但是隨著研究區(qū)域的不同，不同方法的適用性也有較大差異。謝平等[4]針對(duì)湛江地區(qū)對(duì)比了Irmak-Allen法、Hargreaves法和Prisetley-Taylor法的差異，結(jié)果表明在全年情況下，Hargreaves公式的適用性最好。

本文以Penman-Montieth公式計(jì)算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)江蘇地區(qū)2010-2019年的逐日ET0進(jìn)行計(jì)算，分別對(duì)Hargreavse公式和Irmak-Allen公式的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)并進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果有利于南京地區(qū)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉，也為ET0計(jì)算方法的適用性研究提供了更多的理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

從“中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)”(http://data.cma.cn)收集了南京站2010-2019年的逐日氣象數(shù)據(jù)。收集的氣象指標(biāo)數(shù)據(jù)包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均氣壓和平均風(fēng)速共7項(xiàng)數(shù)據(jù)。

1.2 計(jì)算方法

由于FAO-56 PM公式計(jì)算精度較高[5]，能相對(duì)較準(zhǔn)確地反映參考作物騰發(fā)量的真實(shí)情況，因此近年來(lái)一直被廣泛應(yīng)用。FAO-56 PM計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Rn為到達(dá)地表的凈輻射，MJ/(m2·d)；Tmean為日平均氣溫，℃；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為干濕計(jì)常數(shù)，kPa/℃；es和ea分別為飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃；U2為距離地面2 m處的日平均風(fēng)速，m/s。

HS公式是一種基于溫度來(lái)估算ET0的方法[6]，由于需要的氣象數(shù)據(jù)較少，常用于氣象設(shè)備缺乏的西部地區(qū)進(jìn)行ET0預(yù)報(bào)。其表達(dá)式為：

(2)

式中：Ra為大氣輻射，MJ/(m2·d)；C、E、T為Hargreaves公式的3個(gè)參數(shù)，本研究建議值分別為0.002 3、0.5、17.8。

Irmak-Allen公式是一種基于平均氣溫和太陽(yáng)凈輻射來(lái)估算ET0的方法，其表達(dá)式為：

ET0,IA=0.489+0.289Rn+0.023Tmean

(3)

式中：Rn為太陽(yáng)凈輻射，MJ/(m2·d)；Tmean為日平均氣溫。

1.3 誤差比較方法

ET0精度評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括平均絕對(duì)誤差(MAE)，均方根誤差RMSE，決定系數(shù)R2。各指標(biāo)的計(jì)算公式為：

(4)

(5)

(6)

2 結(jié)果與討論

2.1 逐日ET0變化規(guī)律分析

圖1為不同計(jì)算方法情況下南京站點(diǎn)2010-2019年逐日ET0計(jì)算值的變化規(guī)律。從圖1中可以看出，不同ET0計(jì)算方法得到的逐日ET0在同一年內(nèi)呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后減小的變化規(guī)律。12-1月份ET0的值最小，而6-8月份ET0值達(dá)到頂峰后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其原因是在12-1月份氣溫降低，日照時(shí)間變短，減緩了水分的蒸發(fā)；而6-8月份氣溫升高，日照時(shí)間邊長(zhǎng)，增加了水分的蒸發(fā)。

圖1 逐日ET0計(jì)算結(jié)果

從兩幅圖的逐日ET0情況下來(lái)看，IA公式計(jì)算結(jié)果和PM公式計(jì)算結(jié)果的吻合程度明顯要高于HS公式。HS公式的計(jì)算結(jié)果不佳的可能原因是HS公式僅僅考慮了最高和最低氣溫來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并未考慮其他氣象要素對(duì)ET0值的影響，從而導(dǎo)致誤差較大。

2.2 誤差分析

由圖2可以看出，在南京地區(qū)ET0計(jì)算方法的計(jì)算精度對(duì)比中，IA公式顯著高于HS公式。使用IA公式計(jì)算ET0的MAE和RMSE均小于1，而使用HS公式計(jì)算ET0的MAE和RMSE均顯著較高。這說(shuō)明IA公式是PM公式在南京地區(qū)較HS公式較優(yōu)的替代方法。

圖2 不同計(jì)算方法誤差結(jié)果

2.3 相關(guān)性分析

圖3為HS公式和IA公式與PM公式的相關(guān)性分析。IA公式較HS公式與PM公式有著顯著的相關(guān)性，IA公式的相關(guān)性為0.8759，HS公式的相關(guān)性為0.8016，且IA公式較HS公式散點(diǎn)分布更集中。這說(shuō)明，IA公式較HS公式在南京地區(qū)具有較高地相關(guān)性。

圖3 不同計(jì)算方法相關(guān)性結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 兩種ET0計(jì)算方法在南京站點(diǎn)(2010-2019年)估算的ET0的年內(nèi)變化與PM公式計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為在同一年內(nèi)先增大后減小，在6-8月份出現(xiàn)峰值，在12-1月份ET0值最小，且IA公式較HS公式與PM公式吻合度較高。

2) 在南京地區(qū)，ET0計(jì)算方法的相關(guān)性大小表現(xiàn)為：IA公式>HS公式，其中IA公式的相關(guān)系數(shù)為0.875 9，HS公式的相關(guān)系數(shù)為0.801 6。結(jié)合RMSE和MAE結(jié)果來(lái)看，IA公式在南京地區(qū)的計(jì)算精度顯著高于HS公式，且IA公式的RMSE和MAE結(jié)果均小于1，表現(xiàn)較高，因此IA公式較HS公式在南京地區(qū)具有較好的適用性。