3種ET0計(jì)算方法在海南省的適用性比較

朱瀟梟，方朝陽(yáng)，羅玉峰

(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072)

海南省處于我國(guó)最南端，屬熱帶季風(fēng)性氣候，是發(fā)展熱帶特色高效農(nóng)業(yè)的黃金寶地[1]。海南省雖然降雨充沛，但降雨量在地域和時(shí)間上分布不均，且可直接用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的降雨量較少，嚴(yán)重制約了海南省熱帶特色農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1-3]。另一方面，海南是孤島，淡水資源只能由本省供給，加之全省地形中部高、四周低，淡水資源貯藏量小[2]，因此，推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉對(duì)海南省的農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要[1-4]。

參考作物需水量ET0是準(zhǔn)確估算作物需水量的關(guān)鍵，對(duì)指導(dǎo)作物的適量灌溉具有重要意義[5,6]。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[7]，但Penman-Monteith公式需要較多氣象數(shù)據(jù)，故在資料不足的地區(qū)難以推廣。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[7-17]，但不同計(jì)算方法的適用性仍存在地域差異。國(guó)內(nèi)的研究區(qū)域多數(shù)為北方地區(qū)而南方較少[11]，針對(duì)我國(guó)熱帶地區(qū)的研究則更少，并且不同地域適用的公式也不同。例如，謝平等[15]在湛江地區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)，Priestley-Taylor法和Irmak-Allen法在夏季相關(guān)性較好，從全年來(lái)看，Hargreaves公式在湛江地區(qū)適用性最好。鄭汐等[11]認(rèn)為Irmak-Allen法可作為深圳地區(qū)缺少相關(guān)氣象資料條件下計(jì)算ET0較理想的替代方法。Gunston 與Batchelor[16]認(rèn)為在濕潤(rùn)的熱帶氣候下Priestley-Taylor法作為Penman-Monteith公式的替代方法效果較好。

本文以Penman-Montieth公式計(jì)算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)海南省7個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行Priestley-Taylor法、Irmak-Allen法和Hargreaves-Samani法的適用性評(píng)價(jià)和對(duì)比分析。這有利于海南省實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉，有利于當(dāng)?shù)責(zé)釒厣r(nóng)業(yè)的發(fā)展，也為ET0計(jì)算方法在我國(guó)熱帶地區(qū)的適用性研究提供更多理論依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

從“中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)”(http:∥data.cma.cn)收集了海南省7個(gè)站點(diǎn)2000-2014年的逐日氣象數(shù)據(jù)，站點(diǎn)包括：儋州、海口、陵水、瓊海、瓊中、三亞、東方。各站點(diǎn)的分布位置如圖1所示。收集的氣象數(shù)據(jù)包括：最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)共6項(xiàng)數(shù)據(jù)。

圖1 研究站點(diǎn)分布

1.2 計(jì)算方法

將FAO-56Penman-Monteith(PM)公式[5]的計(jì)算結(jié)果作為評(píng)價(jià)其他公式精度的標(biāo)準(zhǔn)值。PM公式如下：

(1)

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

選用的3種ET0計(jì)算方法分別為Priestley-Taylor(PT)法[18]、Irmak-Allen(IA)法[19]和Hargreaves-Samani(HS)法[20]。

Priestley-Taylor公式：

(2)

Irmak-Allen公式：

ET0.IA=0.489+0.289Rn+0.023Tmean

(3)

Hargreaves-Samani公式：

(4)

式中：Ra為大氣輻射，MJ/(m2·d)；λ為水汽化潛熱，MJ/kg；Tmax和Tmin分別為最高氣溫和最低氣溫；C、E、T為Hargreaves公式的3個(gè)參數(shù)，建議值分別為0.0023、0.5、17.8。

1.3 誤差分析方法

計(jì)算分析不同ET0計(jì)算方法的相關(guān)性和精度。本文以平均絕對(duì)誤差MAE( Mean Absolute Error, mm/d)、平均相對(duì)誤差MRE(Mean Relative Error, %)作為精度的衡量指標(biāo)，其形式如下：

(6)

式中：xi為PM公式計(jì)算ET0值，mm/d；yi為其他方法計(jì)算ET0值，mm/d；n為樣本數(shù)。

MAE和MRE值越小，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果的誤差和離散程度越小，精度越高。

2 結(jié)果和討論

2.1 逐日ET0變化規(guī)律分析

圖2給出了不同計(jì)算方法在2000-2014年逐日ET0計(jì)算值的變化規(guī)律。從圖2可知，不同計(jì)算方法得到的逐日ET0在年內(nèi)均呈現(xiàn)出先增后減的變化規(guī)律。12-1月份ET0最小，5-7月達(dá)到峰值后下降，出現(xiàn)峰值時(shí)ET0.PM的變幅較大，超過(guò)3 mm/d。在ET0達(dá)到峰值期間，PT公式計(jì)算結(jié)果與PM公式計(jì)算結(jié)果的吻合程度明顯優(yōu)于IA公式和HS公式。而HS公式在PM公式計(jì)算結(jié)果過(guò)大或過(guò)小時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大偏差[17]，原因可能是HS公式僅基于最高和最低氣溫進(jìn)行計(jì)算，未考慮其他氣象要素對(duì)ET0值的影響，故導(dǎo)致誤差較大。當(dāng)ET0值較大時(shí)，IA公式符合較好，但在冬季出現(xiàn)較大偏差，這可能由于IA公式是基于濕潤(rùn)地區(qū)擬定[19]，而海南地區(qū)干濕分明，雨季主要集中在6-10月[2]。總體來(lái)看，PT公式計(jì)算結(jié)果與PM公式的計(jì)算結(jié)果一致性最好。

圖2 不同計(jì)算方法的逐日ET0變化規(guī)律

2.2 誤差分析

由表1可知，在海南大部分地區(qū)ET0計(jì)算方法的計(jì)算精度依次為PT公式>HS公式>IA公式。使用PT公式計(jì)算ET0的平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為0.760 mm/d和24.190%。PT公式在東方的平均相對(duì)誤差16.947%，為3種計(jì)算方法在7個(gè)站點(diǎn)得到的平均相對(duì)誤差的最小值，但平均絕對(duì)誤差的最小值為HS公式在陵水的誤差計(jì)算結(jié)果。HS公式在陵水的平均絕對(duì)誤差為0.621 mm/d，低于PT公式在東方得到的0.630 mm/d。而在三亞地區(qū)，HS公式的平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為0.632 mm/d和21.743%，精度均高于PT公式和IA公式的誤差計(jì)算結(jié)果。這說(shuō)明，HS公式是PM公式在陵水和三亞地區(qū)的最優(yōu)替代方法。相比PT和HS公式，IA公式的誤差最大，平均絕對(duì)誤差為0.695～0.929 mm/d，平均相對(duì)誤差為22.591%～37.578%。上述結(jié)果表明，總體上，PT公式的精度最高，其次是HS公式，IA公式精度最低。

表1 不同站點(diǎn)不同計(jì)算方法的誤差

2.3 相關(guān)性分析

如圖3所示為不同計(jì)算方法與PM公式的相關(guān)性分析。PT、IA、HS公式與PM公式都具有顯著的相關(guān)性，回歸方程斜率分別為1.203、0.883、0.725。不同ET0計(jì)算方法在海南省的相關(guān)性依次為PT公式>IA公式>HS公式。PT公式與IA公式的相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.949和0.946，且PT和IA公式的散點(diǎn)分布較HS公式更集中。這說(shuō)明，PT公式和IA公式在海南地區(qū)具有較高的相關(guān)性。

圖3 不同計(jì)算方法與PM公式的相關(guān)性分析

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)3種ET0計(jì)算方法在不同地區(qū)估算的ET0的年內(nèi)變化與PM公式的計(jì)算值趨勢(shì)相同，均為先增加后減小，在12-1月ET0值最小，峰值出現(xiàn)在5-7月。從全年來(lái)看，PT公式與PM公式吻合得最好。

(2)ET0計(jì)算方法在海南省的相關(guān)性依次為PT公式>IA公式>HS公式，其中PT公式和IA公式的相關(guān)系數(shù)(R2)均大于0.9。總體來(lái)看，PT公式為海南省精度最高的ET0計(jì)算方法，其平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為0.760 mm/d和24.190%。而HS公式是陵水和三亞地區(qū)最優(yōu)的計(jì)算方法，平均絕對(duì)誤差均低于0.64 mm/d，平均相對(duì)誤差均低于22%。IA公式相關(guān)性較好，但整體高估了ET0值，偏差最大。因此，在所選3種計(jì)算方法中，PT公式在海南省具有最好的適用性。

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