不同ET0計算方法在內蒙古東部地區適用性比較

湯鵬程，何　蒙，苗　澍，郭克貞，任　杰，王海瑞

(1.中國水利水電科學研究院牧區水利科學研究所， 內蒙古 呼和浩特 010020；

2.河北省水利科學研究院， 河北 石家莊 050000；3.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 內蒙古 呼和浩特 010020)

?

不同ET0計算方法在內蒙古東部地區適用性比較

湯鵬程1，何蒙2，苗澍1，郭克貞1，任杰1，王海瑞3

(1.中國水利水電科學研究院牧區水利科學研究所， 內蒙古 呼和浩特 010020；

2.河北省水利科學研究院， 河北 石家莊 050000；3.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 內蒙古 呼和浩特 010020)

摘要：內蒙古東部地區，土地資源豐富，但氣象站點偏少，相關氣象資料匱乏，應用FAO56 Penman-Monteith法計算ET0在多數地區相對困難。依據內蒙古東部地區典型氣象站點(通遼氣象站)1974—2013年40年氣象資料，以FAO56 Penman-Monteith法作為標準，以FAO-17 Penman法、Hargreaves-Samani法、Priestley-Taylor法、Irmark-Allen擬合法分別對ET0進行計算，就其與FAO56 Penman-Monteith法的相關性進行分析。結果表明，Hargreaves-Samani法和Priestley-Taylor法的計算結果要明顯高于FAO56 Penman-Monteith法計算所得的結果，不適合內蒙古東部地區應用；FAO-17 Penman法結果與FAO56 Penman-Monteith法相關性最好，但是4—9月份相對誤差較大；Irmark-Allen擬合法結果最接近FAO56 Penman-Monteith法(相對誤差<19%，R2>0.92)，計算簡單且所需氣象資料最少，更適宜內蒙古東部地區缺測氣象條件下ET0的計算。

關鍵詞：參考作物蒸發蒸騰量(ET0)；ET0計算方法；Irmark-Allen擬合法；內蒙古東部

內蒙古東部地區土地資源豐富，但該地區水資源不足，嚴重制約了其糧食生產能力，針對該地區參考作物騰發蒸騰量(ET0)的研究，有助于大幅度提高其水資源利用效率[1]，使其土地資源與光熱資源優勢得到充分發揮。ET0的獲取是計算作物需水量的關鍵[2-4]。國際糧農組織(FAO)推薦采用FAO56 Penman-Monteith公式作為計算ET0的標準方法，由于該方法較全面地考慮了影響作物蒸發、蒸騰的各種因素，并且在氣候條件差異較大的不同地區均取得了較好的應用效果。但由于內蒙古東部地區氣象站點有限，氣象資料匱乏，應用FAO56 Penman-Monteith法相對困難，需采用一種所需資料少且計算精度較高的替代方法[5-7]。通遼市是內蒙古節水增量計劃實施的重點地區，為此本文選擇通遼市1974—2013年40年間逐日氣象資料，以FAO56 Penman-Monteith法為標準方法，分析Priestley-Taylor法、FAO-17 Penman、Hargreaves-Samani法和Irmark-Allen擬合法ET0計算結果與其相關性，評價各方法的適用性，為缺測氣象數據條件下內蒙古東部地區ET0適宜計算方法的選取提供依據[8-10]。

1材料與方法

1.1數據來源與計算方法

計算所涉及的氣象資料來自國家氣象資料中心，包括通遼市氣象站(區站號54135)1974—2012年逐日氣象資料，計算方法如下：

(1) FAO56 Penman-Monteith公式(FAO56 PM法)[11-14]：

根據重新定義的ET0概念，FAO提供了新的ET0計算式，即：

(1)

式中，ET0為參考作物蒸發蒸騰量(mm·d-1)；Rn為冠層表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；T為平均氣溫(℃)；u2為高度2.0m處風速(m·s-1)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa·℃-1)；γ為濕度計常數(kPa·℃-1)。

(2)FAO17PM法[11]

1979年聯合國糧農組織推薦的彭曼修正式(FAO-17Penman)，該方法需要氣溫、相對濕度、日照時數、風速資料，公式如下：

(2)

式中，ET0p為FAO17Penman法得到的ET0(mm·d-1)；p0為海平面氣壓(hPa)；p為本站氣壓(hPa)；a1=0.26，b1=0.14；Rn為冠層表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa)。

(3)Priestley-Taylor法(PT法)[11]

Priestley-Taylor(1972)以平衡蒸發為基礎，假設周圍環境濕潤的前提下，忽略空氣動力學項而得出的簡化方程，該方法由于需要輸入參數較少而得到廣泛應用，其公式如下：

(3)

式中，ET0PT為應用Priestley-Taylor法所得的ET0(mm·d-1)，α值為經驗系數，一般取1.26；Rn為冠層表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)。

(4)Irmark-Allen擬合法(IA擬合法)[11]

根據美國濕潤地區資料得到的經驗公式，該方法需要氣溫、日照時數、地理位置資料。

ET0IA=0.489+0.289Rn+0.023T

(4)

式中，ET0IA為應用IA擬合法所得的ET0(mm·d-1)；T為平均氣溫(℃)。

(5)Hargreaves-Samani法(HS法)[11]

該方法在缺少輻射資料的地區得到廣泛的應用，并被證明是一種有效的估算方法，該方法只需要氣溫和地理位置數據。

ET0HS=0.0023Ra(T+17.8)TD0.5

(5)

式中，ET0HS為應用HS法所得的ET0(mm·d-1)；TD為最高與最低氣溫之差(℃)；Ra為天頂輻射(MJ·m-2·d-1)，可由溫度估算得到；T為平均氣溫(℃)。

1.2研究區概況與代表性分析

通遼市地處內蒙古東部(北緯42°15′～45°41′、東經119°15′～123°43′之間 )，年糧食產量占內蒙古糧食總產量的1/4,是內蒙古自治區的糧食主產區，平均海拔在150～400 m之間，平均降水量在220～650 mm之間，基本代表了內蒙古東部地區半干旱大陸性季風氣候與沙質沖積平原的地理特點。

1.3數據處理

為更好地反映各計算方法在不同降雨頻率下的適用性，依降水保證率的不同，將通遼地區不同年份劃分為干旱水文年、正常水文年和濕潤水文年(一般把保證率為25%的降雨年份作為濕潤水文年,50%保證率的降雨年份作為中等水文年,75%保證率的降雨年份作為干旱年,而把接近95%保證率的年份作為特別干旱年),計算過程如下：

(1) 樣本數：n=30 (選用30 a降雨數據進行研究)，N=5×lg30=5×1.477=7.386，取N=8(組)，選最大值665 mm(1990年)，取Amax=680；最小值217.5 mm(2006年)，取Bmin=200。

(6)

組界：上限680 mm，下限200 mm。第1組至第8組組界分別為679～620 mm，619～560 mm，559～500 mm，499～440 mm，439～380 mm，379～320 mm，319～260 mm，259～200 mm。

(2) 頻率的求算

頻率是指某一現象在若干次觀測或試驗中，實際出現的次數，也被稱作頻數(m)占觀測或試驗總次數(n)的百分比，即：

(7)

頻率是一個相對數，沒有單位，取整數，小數四舍五入。由于頻率是個經驗值，需要年限較長(一般要求20～30 a以上)的資料，這樣統計出來的頻率才有代表性。

(3) 保證率的求算

保證率的計算就是累積頻率的統計，但氣象要素保證的計算有方向性，即根據研究問題的性質和氣候要素的變化特點，確定是求高于或低于某一界限的保證率。

(4) 水文年選取

由保證率計算得出，濕潤水文年為降雨量大于500 mm·a-1；正常水文年降雨量控制在400～500 mm·a-1；干旱水文年降雨量小于400 mm·a-1。

表1　不同降水保證率劃分

2結果與分析

2.1不同方法ET0計算結果

用上述5種方法分別計算通遼市1974—2013年逐日ET0，統計得到多年月平均值，具體結果如表2所示。由圖1可看出，5種方法計算的ET0逐月變化趨勢基本相同，但數值大小上存在較顯著差異。不同方法計算出的ET0多年月均值在1—2月及11—12月差值較小，從3月份開始各種方法計算結果開始產生明顯差異，其中5—9月份不同方法的計算誤差較大，個別方法與FAO56 PM法計算結果相比，差值超過200 mm。

由于FAO17 PM法與FAO56 PM法各自采用不同的空氣動力項和輻射項，造成兩者產生相對誤差，FAO17 PM法結果大于FAO56 PM法的主要原因是FAO Penman法沒有考慮土壤熱通量的影響，輻射變化及風速也是引起偏差的原因；Priestley-Taylor法屬于ET0計算中的輻射法，采用輻射數據與溫度兩項指標，3—10月輻射較強，導致計算結果(3—10月份月均值)偏差較大；Hargreaves-Samani屬于溫度算法，只需要最高氣溫Tmax(℃)、最低氣溫Tmin(℃)和宇宙輻射Ra(MJ·m-2·d-1，可由溫度估算得到)3個輸入參數，且該法沒有考慮濕度和陰云對ET0的影響，也導致計算結果(3—10月份月均值)偏差較大；Irmark-Allen擬合法計算的月平均值與FAO56 PM方法最為接近，只有在5月份略低于FAO56 PM的月平均值，這是由于此時(春末、夏初)的氣象條件變化幅度較大，IA擬合法作為經驗公式，當某一個氣象條件有劇烈變化時不能平衡地兼顧計算結果。但綜合考慮，IA擬合法的計算結果仍較好。綜上所述，在內蒙古缺少氣象資料的地區，可以考慮使用IA擬合法代替FAO56 PM方法。

2.2不同方法計算的月ET0與FAO56 PM法計算結果的相關性

以FAO56 PM為基準，通過線性回歸分析其它方法與FAO56 PM的相關性。由表3可知，4種方法計算結果與FAO56 PM法計算結果的決定系數(R2)均大于0.89，說明在不考慮偏離程度的情況下，各方法計算結果間的相關性均較好。其中，FAO17 PM法在不同水文年R2均超過0.96，與FAO56 PM法線性相關最顯著?？紤]到相對誤差，Irmark-Allen擬合法的計算結果相對誤差均在19%以內，均為同組中最小值，且其在正常、干旱水文年的結果優于豐水年。其次為FAO17 Penman法，相對誤差在40%左右。Hargreaves-Samani法和Priestley-Taylor法計算相對誤差較大，部分結果甚至大于100%，不適合在內蒙古東部地區應用。

表2　正常水文年5種方法計算的ET0月平均值/mm

圖1　不同水文年情況下5種方法計算的ET0月平均值

注：δ表示不同方法計算結果與FAO56 PM法計算結果的相對誤差。

Note:δindicates the relative error between calculated results by different methods with the FAO56 PM method.

3結論

本文依據通遼市1974—2013年40 a的氣象資料，以FAO56 PM法為標準，以FAO17 PM法、PT法、IA擬合法、HS法為對照分別對ET0進行計算，研究認為：(1) 對于內蒙古東部地區，5種計算方法在不同水文年計算的ET0月均值變化趨勢基本一致，月均值在5月份達到最大，年初與年尾均較低；HS法和PT法的計算結果要明顯高于FAO56 PM法計算所得的結果，不適合內蒙古東部地區應用；FAO17 PM法的計算結果的線性相關關系在4種方法里表現最好，即不同月份變化趨勢與FAO56 PM法最接近，但5—8月份相對誤差較大。(2) 綜合考慮線性相關與相對誤差分析，IA擬合法的計算結果更接近于FAO56 PM法計算所得的結果，誤差最小，且其計算相對簡單，所需氣象資料較少，在內蒙古缺少氣象資料的地區，可以考慮使用IA擬合法代替FAO56 PM方法。(3) 由于研究條件所限，本文未能對FAO56 PM法和IA擬合法在內蒙古東部地區的參數進行率定，對于5月份IA擬合法計算結果偏小的問題，應該對其乘以一個大于1的系數用于校核糾正，下一步研究應依托大型蒸滲儀等對其參數進一步修正，有可能得到更精確的結果。

致謝：感謝“內蒙古東部節水增糧高效灌溉技術集成研究與規?；痉丁表椖拷M成員對該項目的支持；感謝內蒙古農業大學研究生王海瑞、河北省水利科學研究院何蒙對野外試驗工作的支持；感謝通遼市水利技術推廣站李鶴、李嘉琪對項目工作的配合與支持。

參 考 文 獻：

[1]康紹忠，劉曉明，熊運章.土壤-植物-大氣連續體水分傳輸理論及其應用[M].北京：水利水電出版社，1992：1-13.

[2]孫慶宇，佟玲，張寶忠，等．參考作物蒸發蒸騰量計算方法在海河流域的適用性[J].農業工程學報，2010，26(11)：68-72.

[3]劉曉英，林而達，劉培軍.Priestley-Taylor與Penman法計算參照作物騰發量的結果比較[J].農業工程學報，2003，19(1)：32-36.

[4]彭世彰，徐俊增．參考作物騰發量計算方法的應用比較[J].灌溉排水學報，2004，23(6)：5-9.

[5]蘇春宏，陳亞新，徐冰．ET0計算公式的最新進展與普適性評估[J]．水科學進展，2008，19(1)：129-136．

[6]Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration-guidelines for computing crop water requirement:FAO irrigation and drain paper 56[M]. Rome，Italy: FAO, 1998:17-64．

[7]Martin S. The application of climatic data for planning and management of sustainable rain fed and irrigated crop production[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2000,103:99-108.

[8]Irmak S, Allen R G, Whittv E B. Daily grass and alfalfa-reference evapotranspiration estimates and alfalfa-grass evapotranspiration rations in Florida[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, ASCE, 2003,129(5):360-370．

[9]李玉霖，崔建垣，張銅會．參考作物蒸散量計算方法的比較研究[J].中國沙漠，2002，22(4)：372-376.

[10]謝平，陳曉宏，劉丙軍．湛江地區適宜參考作物蒸發蒸騰量計算模型分析[J]. 農業工程學報，2008，24(5)：6-9.

[11]閆浩芳，史海濱，薛鑄，等．內蒙古河套灌區ET0不同計算方法的對比研究[J].農業工程學報，2008，24(4)：103-106.

[12]霍再林，史海濱，陳亞新，等．內蒙古地區ET0時空變化與相關分析[J]．農業工程學報，2004，20(6)：60-63.

[13]Cai J B, Liu Y, Lei T W. Estimating reference evapotranspiration with the FAO Penman-Monteith equation using daily weather forecast messages[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2007,145(2):22-35.

[14]樊軍，邵明安，王全九．黃土區參考作物蒸散量多種計算方法的比較研究[J]．農業工程學報，2008，24(3):98-102．

Suitability comparison of differentET0 estimating methods in

eastern part of Inner Mongolia

TANG Peng-cheng1, HE Meng2, MIAO Shu1, GUO Ke-zhen1, REN Jie1, WANG Hai-rui3

(1.InstituteofWaterResourcesforPastureAreaofIWHR,Hohhot,InnerMongolia010020,China;

2.HebeiInstituteofWaterConservancyScientificResearch,Shijiazhuang,Hebei050000,China;

3.WaterConservancyandCivilEngineeringCollege,InnerMongoliaAgriculturalUniversityHohhot,InnerMongolia010020,China)

Abstract：In eastern part of Inner Mongolia, the land resource is rich, but fewer meteorological station and lack of related meteorological data, so application of FAO56 Penman-Monteith method to calculateET0 in most areas is rather difficult. This paper according to the 40 a (1974—2013) meteorological data from typical meteorological station (Tongliao) in eastern part of Inner Mongolia, taking FAO56 Penman-Monteith formula as the standard and FAO-17 Penman method, Priestley-Taylor method, Hargreaves-Samani method, Irmark-Allen fitting method as control, calculated theET0 respectively. At the same time, carried out the relativity analysis with the FAO56 Penman-Monteith method. The results showed that: The calculation results by Priestley-Taylor method and Hargreaves-Samani method were obviously higher than the FAO56 Penman-Monteith method, so these two methods were not suitable to use in eastern part of Inner Mongolia. The correlation was the best by FAO-17 Penman method, but the relative error in April to September was rather big. The calculation result by Irmark-Allen fitting method was the most close to the FAO56 Penman-Monteith method (relative error<19%，correlation coefficientR2>0.92), which needs less meteorological data and simple calculation. Therefore, the Irmark-Allen fitting method is more suitable to calculate theET0 in eastern part of Inner Mongolia which is lack meteorological data.

Keywords:reference crop evapotranspiration;ET0 calculation method; Irmark-Allen fitting method; eastern part of Inner Mongolia

中圖分類號：S161.4

文獻標志碼：A

作者簡介：湯鵬程(1988—)，男，河北石家莊人，助理工程師，主要從事草地節水灌溉研究。 E-mail：tangpc1988@163.com。

基金項目：國家科技支撐計劃課題“內蒙古東部節水增糧高效灌溉技術集成研究與規?；痉丁?2014BAD12B03)；內蒙古自治區水利科技項目“通遼平原玉米噴灌水肥一體化技術研究”

收稿日期：2015-01-16

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.06

文章編號：1000-7601(2016)01-0038-05