馬鞍山市6種參考作物蒸散量估算方法比較及適用性分析

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方程計算結果標準，通過誤差指標MAE、MRE以及回歸分析，分別在年尺度和季節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、數據量要求低、精度較高的估算方法。結果表明，Turc方程在使用原始經驗參數時，在年尺度上能夠替代P-M方程計算結果，但是兩者在冬季時，計算結果具有差異性，反而在冬季Har方程的計算結果更加接近于P-M方程的。總體而言，5種方法的計算結果與P-M方程的計算結果始終具有差異性，并且通過回歸分析可以看出5種方法的穩定性相對較差。

關鍵詞：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、水分供應充足的綠色草地蒸散[1]。它是地表水分循環的重要環節之一[2]，是作物需水量的重要指標，是準確估算作物需水量的關鍵因素，也是指導合理灌溉的重要參數之一[3]。因此，準確估算參考作物蒸散量，對農業水分利用以及全面分析水循環等具有重要意義[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]，但是所需要的數據多、計算相對復雜，從而在氣象資料缺乏地區的運用上造成限制。而單一氣象資料的估算方程因計算簡單、數據量少，得到了廣泛的應用[8]。為了提高單一氣象資料估算方法在研究區域內計算結果的準確性，針對各方法在研究區域內的適用性評價就顯得尤為必要。目前，國內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，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，也未考慮研究區域內不同季節之間的氣候差異。因此，開展不同季節內的適用性對比分析，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118°21′38″～118°52′44″之間，屬于亞熱帶季風氣候區。市區多年平均降水量為1060.7mm，降水充沛，但年內分布和時空分布分配不均，對馬鞍山市生態環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，對實現馬鞍山水資源的合理配置、農業用水灌溉及科學管理具有一定的指導作用。本文以馬鞍山氣象資料為依據，估算1961—2014年馬鞍山市逐年參考作物蒸散量和不同季節內的參考作物蒸散量，以P-M法估算結果為標準，對其余5種方法估算結果進行對比分析，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（h）、日平均相對濕度（%）、10m高日平均風速（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法估算結果為標準，對其余5種方法ET0估算結果進行對比分析，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，不僅考慮了輻射項和空氣動力學項，同時又涉及到作物生理生態特征[12]。FAO56考慮了各種氣象因素的影響，具有可靠的物理基礎，并且在世界范圍內得到了廣泛驗證。

2 結果與分析

以P-M方程計算結果作為標準，對其他5種參考作物蒸散量計算結果進行分析比較。通過平均絕對誤差（MAE）、平均相對誤差（MRE）、確定性系數（R2）評價指標對年尺度和季節尺度上的參考作物蒸散量結果做定量分析。各指標的計算公式見參考文獻[18]。

2.1 參考作物蒸散量估算結果的年值比較 圖1給出了6種參考作物蒸散量計算方程得到的逐年結果。以P-M方程計算結果作為標準，6種計算方程所得結果的年際變化趨勢基本一致，峰值谷值明顯，且峰谷值的出現時間基本吻合，說明其余5種方法能夠較好地反應出參考作物蒸散量的年際變化。但是相比較P-M方程的計算結果，I-A方程和Hargreaves方程的計算結果均明顯偏大，J-H方程和Makkink方程的計算結果明顯偏小，只有Turc方程的計算結果與P-M方程結果較為一致。因此，以P-M計算結果為標準，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種方程的計算結果，以P-M方程為自變量，其余5種方程為應變量，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。總體而言，P-M方程的擬合度均不高，這是由于個別年份數據異常未剔除，導致離散程度較大。但是可以看出，絕大多數年份點離線程度底，擬合度高，并且Turc方程計算結果均勻分布在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果的季節值比較 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方程計算結果在春、夏、秋3季更接近于P-M方程計算結果;Har方程計算結果在冬季接近于P-M。

3 結論與討論

（1）以P-M方程為標準，對比分析其余5種方法的估算結果：從年值對比上看，6種計算方程所得結果的年際變化趨勢基本一致，峰值谷值明顯，且峰谷值出現的時間基本吻合，可以說明其余5種方法能夠較好地反應出參考作物蒸散量的年際變化。通過誤差指標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）在季節尺度上的對比發現：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，但是通過誤差指標可以看出，Turc方程的計算結果和P-M方程的計算結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。需要強調的是：本研究中其余5種方程中都有1個原始經驗參數，是一個給定值，因此，有可能通過P-M方程的計算結果來修正這5種方程中的原始經驗參數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驗參數。并且以修正經驗參數值去計算參考作物蒸散量，再與P-M計算結果比較，去尋求修正原始經驗參數是否具有可行性。

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（責編：張宏民）