寧夏引黃灌區(qū)幾種參考作物蒸散量計算方法適用性及修正研究

李 晨，李王成,2,3，趙自陽，董亞萍，高海燕

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021；4. 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875)

0 引 言

參考作物蒸散量(ET0)在地球的大氣圈-水圈-生物圈中發(fā)揮著重要的作用，是與作物類型、生長狀況、土壤狀況和管理水平相獨立的表征大氣蒸發(fā)能力的氣象參數(shù)[1]，與降水共同決定區(qū)域干濕狀況，并且是估算生態(tài)需水關(guān)鍵因子[2]，對于制定作物灌溉制度、規(guī)劃區(qū)域農(nóng)業(yè)用水等方面均存在直接影響[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用較多的計算方法是聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)于1998 年推薦使用的Penman-Monteith(P-M)公式，P-M基于空氣動力學(xué)和能量平衡原理，考慮了大量的氣象因素，結(jié)果計算較為準確[4]，但需要的氣象參數(shù)比較多，在很多氣象資料短缺的地區(qū)很難獲取。因此，在過去的幾十年里，許多學(xué)者提出了簡化的ET0計算方法，主要有輻射法、溫度法(HS)[5]、蒸發(fā)皿法[6,7]，綜合法[8]等，但這些計算方法有一定的適應(yīng)區(qū)域和氣候條件，因此，需針對不同研究區(qū)域?qū)ζ溥M行適應(yīng)性評價及修正[9]。國內(nèi)有許多學(xué)者對不同計算ET0的簡化方法適應(yīng)性評價及其修正進行了研究，李晨等[7]人通過將四川省劃分為四個區(qū)域，研究了6種簡化計算方法在四川的適應(yīng)性，結(jié)果表明：6種計算方法在四川省不同區(qū)域計算差異比較明顯；楊永剛等[6]人基于8種溫度法研究了中國三大灌區(qū)(都江堰灌區(qū)、河套灌區(qū)和淠史杭灌區(qū))簡化ET0的計算公式，認為推薦 IA-Du法、HS 法和 IA-Pi法分別為三大灌區(qū)的簡化計算公式；杜加強等[10]人研究了黃河上游地區(qū)幾種參考作物蒸散量計算方法的適用性比較，結(jié)果表明：Priestley-Taylor和Makkink方法與P-M方法具有一致性；趙捷等[11]人研究了基于輻射法的參考作物蒸散量計算方法在黑河流域的適用性研究，認為經(jīng)過修正的Makkink法估算精度最高。以上研究表明，簡化的ET0計算公式存在著很明顯的地區(qū)差異性，在不同的氣候條件下，應(yīng)該根據(jù)實際情況評選應(yīng)用。

目前，簡化的計算ET0計算方法在國內(nèi)很多區(qū)域都有所研究[6-10]，但是，對于缺少氣象寧夏引黃灌區(qū)的研究比較少見。因此，本文在寧夏引黃灌區(qū)5個國家級氣象站的多年日氣象資料的基礎(chǔ)資料上，以Penman-Monteith公式為標準，分別研究了Priestley-Taylor(P-T)、FAO-24Radiation(FAO-24)、1948Penman-Monteith(1948P-M)、Hargreave-Samani(H-S)、Makkink(M-A)等五種簡化計算方法在寧夏引黃灌區(qū)的適用性，并對其做了修正，以期為寧夏引黃灌區(qū)精準預(yù)測農(nóng)業(yè)用水等提供理論與數(shù)據(jù)支持。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏引黃灌區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)北部，總面積5.18 萬km2，是中國的古老灌區(qū)之一，有2 000多年的灌溉歷史，素有“塞上江南”美稱，目前是中國重要的商品糧生產(chǎn)基地之一[12]。寧夏引黃灌區(qū)降雨量少、年均降水量180～200 mm，主要集中于7-9月份，占年總降雨量的70%左右，分配極不均勻，干、濕季節(jié)明顯，灌區(qū)年均蒸發(fā)量1 100～1 600 mm[]，晝夜溫差大，年極差在24.6～33.7 ℃左右。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文氣象數(shù)據(jù)源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，為保證所選氣象數(shù)據(jù)資料的均一和穩(wěn)定，剔除數(shù)據(jù)年限較少以及缺測較多的站點，選取寧夏回族自治區(qū)數(shù)據(jù)較完整的5個氣象站點進行研究，所選氣象站分別為：惠農(nóng)、陶樂、銀川、中衛(wèi)、吳忠。主要包括各站逐日最高氣溫、最低氣溫、日照時間、相對濕度、平均風速。對缺測數(shù)據(jù)，本文采用處理如下：對于日值缺失但有相應(yīng)實測月值數(shù)據(jù)的，用月均值代替該月每日相應(yīng)的氣象要素值；其他缺測數(shù)據(jù)均用該日氣象要素的多年平均值代替[14]。

1.3 研究方法

1.3.1 計算方法

由于P-M公式結(jié)合了能量平衡和空氣動力學(xué)原理，其擁有精度比較高等特點而被廣泛使用，因此本文以P-M公式為標準，采用五種簡化的計算方法，計算寧夏引黃灌區(qū)的ET0(表1)。

表1 ET0的計算方法Tab.1 Calculation method of ET0

1.3.2 精度評價

采用平均絕對誤差(MAE)、平均相對百分誤差(MRPE)、Nash-Sutcliffe系數(shù)(NS)評價各簡化算法及一致性，其中、MAE和MRPE越小，NS越接近于1，說明其精度越高，計算公式分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：ET0PM(i)為P-M公式計算結(jié)果；ET0x(i)為五種簡化計算公式所得結(jié)果。

自2008年，膠州市開展優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)示范區(qū)項目，進行膠州市大白菜試驗中心建設(shè)。膠州市聯(lián)合膠州大白菜協(xié)會，從育種、種子、收獲、包裝等環(huán)節(jié)對膠州大白菜進行優(yōu)化。截止2010年底，有4家膠州大白菜種子開發(fā)企業(yè)注冊資金超過550萬元，有6家膠州大白菜加工企業(yè)其加工能力超過1200噸。

1.3.3ET0估算方法修正

根據(jù)寧夏引黃灌區(qū)所有氣象站資料，分別使用P-M公式和5種簡化算法計算出1962-2000年多年日均ET0。以P-M公式為基礎(chǔ)，分別與5種簡化算法進行線性擬合，并根據(jù)最小二乘法確定出斜率k和經(jīng)驗系數(shù)c，然后利用該式對2001-2017年的ET0進行檢驗并分別計算MAE、MRPE和NS，公式如下：

ET0PM(i)=kET0x(i)+c

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 未修正前ET0計算結(jié)果分析

2.1.1 未修正前ET0日值計算結(jié)果分析

選取寧夏引黃灌區(qū)所有氣象站點，分別使用5種簡化計算方法和P-M法計算1962-2000年多年日均值ET0，并與P-M法進行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表1，從表1中可以看出，P-T法的多年均值為2.65～2.75，k為1.01～1.20，計算結(jié)果偏大；M-A法的均值為2.37～2.42，k為0.74～0.84，計算結(jié)果偏小；H-S法的均值為2.89～3.01，k為1.05～1.17，計算結(jié)果偏大；1948P-M法的均值3.30～3.74，k為1.11～1.12，計算結(jié)果偏大；FAO-24法均值為3.62～4.29，k為1.16～1.23，計算結(jié)果偏大。P-T法和H-S法的c值為負值，而1948P-M法和FAO-24法中c為正，M-A法中，僅吳忠氣象站點為負值，其余站點均為正。

表3為各氣象站點5種簡化計算方法與P-M公式計算結(jié)果精度分析，分析可知：5種簡化計算方法中，P-T、M-A和H-S法較為精確，其中H-S 法最為精確，其中，MAE為0.22～0.67，MRPE為9.96%～15.59%，NS為0.94～0.98。而FAO-24法與PM公式偏差較大，其中MAE、MRPE和NS在一些站點分別達到了1.10、4.091%和0.72。

表2 修正前5種簡化計算方法與P-M公式多年日值計算結(jié)果比較分析Tab.2 Comparative analysis of the five simplified calculation methods and the multi-year daily calculation results of the P-M formula

注：表中“k”表示相關(guān)分析的斜率，“c”表示經(jīng)驗系數(shù)，“*”表示1%水平上顯著相關(guān)。

表3 修正前5種簡化計算方法與P-M法日均值計算精度比較Tab.3 Comparison of the accuracy of the five simplified calculation methods and the daily average of the P-M method

2.1.2 未修正前ET0月值計算結(jié)果分析

2.2 修正后ET0計算結(jié)果分析

根據(jù)前文所述，采用寧夏引黃灌區(qū)5個氣象站點1962-2000年多年平均日均值和月均值分別擬合5種簡化計算方法并計算其斜率k和經(jīng)驗系數(shù)c，計算結(jié)果見表6，使用所擬合的公式對2001-2017年多年日均值和月均值進行計算處理并與本階段P-M公式進行對比計算和精度檢驗。

2.2.1 修正后ET0日值計算結(jié)果分析

修正后，5種簡化方法2001-2017年多年日均值計算結(jié)果和計算比較精度如表7～表8所示。修正后，5種簡化計算方法的斜率都接近于1，其經(jīng)驗系數(shù)都接近于0，相較于修正之前比，均有很大的改進。其中，修正前和P-M公式偏差較大的1948P-M法和FAO-24法中，k為0.99～1.01，c為-0.09～0.02，相比較于P-M法較小的M-A法的k為0.95～1.02，c為-0.05～0.13。

站點P-TkcM-AkcH-Skc1948P-MkcFAO-24kc惠農(nóng)0.970.620.730.461.040.211.080.891.181.19陶樂0.930.560.720.471.020.241.030.771.111.02吳忠0.820.700.700.500.970.290.910.940.941.26中衛(wèi)0.880.440.710.460.970.270.980.651.030.83銀川0.850.500.690.481.000.280.950.751.000.96

修正后，5種簡化計算方法與P-M法的計算精度相比較與修正前均有很大的進步，NS均接近于1，MAE和MRPE均比較接近于1。其中，5種算法中，MAE為0.03～0.36，MRPE為2.05%～20.08%，NS為95～100。

表5 修正前5種簡化計算方法與P-M法月均值計算精度比較Tab.5 Comparison of the accuracy of the five simplified calculation methods and the monthly average of the P-M method

表6 5種簡化計算方法與P-M法相關(guān)性分析結(jié)果Tab.6 Results of correlation analysis between five simplified calculation methods and P-M method

2.2.2 修正后ET0月值計算結(jié)果分析

根據(jù)修正后的日均值可以計算出各月均值，氣象站點5種簡化計算方法與P-M法各月變化趨勢如圖2所示(由于篇幅有限，本文僅選取惠農(nóng)氣象站作為代表站)，計算結(jié)果和計算精度比較分析如圖3和表9所示。修正后，各算法之間的變化趨勢沒有發(fā)生變化，代表站點5種簡化計算法和P-M法幾近重合，相似度很高，簡化算法和P-M之間的斜率大部分都接近于1，僅僅有個別氣象站點的個別計算方法大于1，經(jīng)驗系數(shù)大部分都接近于0，僅僅在陶樂站點個別算法與0差距較大。相比較于修正前月值精度而言，修正后，各站點算法的MAE為0.03～0.36，MRPE為0.02～0.14，NS為0.95～1.00。這說明，經(jīng)過修正后的簡化計算公式在引黃灌區(qū)有比較好的適用性。

表7 修正后5種簡化計算方法與P-M公式多年日均值計算結(jié)果比較分析Tab.7 Comparative analysis of five simplified calculation methods and P-M formulas for multi-year daily average calculations

表8 修正后5種簡化計算方法與P-M法日均值計算精度比較Tab.8 Comparison of 8 simplified calculation methods and P-M method daily average calculation accuracy

圖2 修正后惠農(nóng)氣象站5種簡化計算方法與P-M法各月均值結(jié)果比較Fig.2 Comparison of five simplified calculation methods and the average monthly results of P-M method after the revised Huinong weather station

圖3 修正后各氣象站點5種簡化算法和P-M法的計算精度比較Fig.3 Comparison of the calculation accuracy of five simplified and P-M methods for each meteorological site after correction

表9 修正后5種簡化計算方法與P-M法月值計算精度比較Tab.9 Comparison of 5 simplified calculation methods and P-M method monthly value calculation accuracy after correction

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

準確預(yù)估參考作物蒸散量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源調(diào)配、開發(fā)、利用有積極的作用，而P-M法綜合了氣溫、濕度、輻射、風速和地域位置(海拔和緯度)的影響[]，已被證實在不同的研究區(qū)域有較高的精度，然而P-M公式有較高的數(shù)據(jù)要求，因此在不發(fā)達地區(qū)或者其他條件限制區(qū)很難滿足。因此，國內(nèi)外的專家學(xué)者通過多年的研究總結(jié)得出了一系列簡化計算ET0的公式，但是研究區(qū)域和其他氣象條件不同的情況下，其精度會有所降低。因此，在不同的研究區(qū)域需要對不同的簡化計算方法進行修正。本研究基于5種簡化計算方法，以P-M公式為基礎(chǔ)，使用1962-2000年的氣象數(shù)據(jù)，計算多年日均ET0，并通過日均值退求出年內(nèi)月均值，對5種簡化計算方法進行修正，使用2001-2017年的日均值和月均值進行驗證其修正后的結(jié)果以及精度分析。結(jié)果表明，修正后的五種簡化計算方法在引黃灌區(qū)可以有效的代替P-M公式。

3.2 結(jié) 論

(1)修正前，5種簡化計算方法在引黃灌區(qū)適用性較差，經(jīng)過對多年日均值和月均值計算結(jié)果分析和精度分析表明， M-A法計算結(jié)果偏小，其余算法結(jié)果都偏大，P-T、M-A和H-S法較為精確，其中H-S 法最為精確。

(2)修正后，各簡化計算方法擬合效果和精度均有不同程度的提升，其中，經(jīng)驗系數(shù)k和c均接近于1，MAE和MRPE均接近于0，NS接近于1，研究結(jié)果表明，經(jīng)過修正后的五種簡化計算方法在寧夏引黃灌區(qū)有較好的適用性。