3種ET0計算方法在海南省的適用性比較

朱瀟梟，方朝陽，羅玉峰

(武漢大學水利水電學院，武漢 430072)

海南省處于我國最南端，屬熱帶季風性氣候，是發展熱帶特色高效農業的黃金寶地[1]。海南省雖然降雨充沛，但降雨量在地域和時間上分布不均，且可直接用于農業生產的降雨量較少，嚴重制約了海南省熱帶特色農業的發展[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，推廣農業節水灌溉對海南省的農業發展至關重要[1-4]。

參考作物需水量ET0是準確估算作物需水量的關鍵，對指導作物的適量灌溉具有重要意義[5,6]。聯合國糧農組織(FAO)推薦使用Penman-Monteith公式作為標準計算方法[7]，但Penman-Monteith公式需要較多氣象數據，故在資料不足的地區難以推廣。國內外學者以Penman-Monteith法為基準，對多種ET0計算方法進行了大量研究[7-17]，但不同計算方法的適用性仍存在地域差異。國內的研究區域多數為北方地區而南方較少[11]，針對我國熱帶地區的研究則更少，并且不同地域適用的公式也不同。例如，謝平等[15]在湛江地區的研究中發現，Priestley-Taylor法和Irmak-Allen法在夏季相關性較好，從全年來看，Hargreaves公式在湛江地區適用性最好。鄭汐等[11]認為Irmak-Allen法可作為深圳地區缺少相關氣象資料條件下計算ET0較理想的替代方法。Gunston 與Batchelor[16]認為在濕潤的熱帶氣候下Priestley-Taylor法作為Penman-Monteith公式的替代方法效果較好。

本文以Penman-Montieth公式計算結果為標準，對海南省7個站點進行Priestley-Taylor法、Irmak-Allen法和Hargreaves-Samani法的適用性評價和對比分析。這有利于海南省實現農業高效節水灌溉，有利于當地熱帶特色農業的發展，也為ET0計算方法在我國熱帶地區的適用性研究提供更多理論依據。

1 資料和方法

1.1 數據資料

從“中國氣象數據網”(http:∥data.cma.cn)收集了海南省7個站點2000-2014年的逐日氣象數據，站點包括：儋州、海口、陵水、瓊海、瓊中、三亞、東方。各站點的分布位置如圖1所示。收集的氣象數據包括：最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均風速、相對濕度和日照時數共6項數據。

圖1 研究站點分布

1.2 計算方法

將FAO-56Penman-Monteith(PM)公式[5]的計算結果作為評價其他公式精度的標準值。PM公式如下：

(1)

式中：Tmean為日平均氣溫，℃；Rn為太陽凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為干濕計常數，kPa/℃；U2為距離地面2 m處的日平均風速，m/s；es和ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓，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個參數，建議值分別為0.0023、0.5、17.8。

1.3 誤差分析方法

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

(6)

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

MAE和MRE值越小，相應的計算結果的誤差和離散程度越小，精度越高。

2 結果和討論

2.1 逐日ET0變化規律分析

圖2給出了不同計算方法在2000-2014年逐日ET0計算值的變化規律。從圖2可知，不同計算方法得到的逐日ET0在年內均呈現出先增后減的變化規律。12-1月份ET0最小，5-7月達到峰值后下降，出現峰值時ET0.PM的變幅較大，超過3 mm/d。在ET0達到峰值期間，PT公式計算結果與PM公式計算結果的吻合程度明顯優于IA公式和HS公式。而HS公式在PM公式計算結果過大或過小時會出現較大偏差[17]，原因可能是HS公式僅基于最高和最低氣溫進行計算，未考慮其他氣象要素對ET0值的影響，故導致誤差較大。當ET0值較大時，IA公式符合較好，但在冬季出現較大偏差，這可能由于IA公式是基于濕潤地區擬定[19]，而海南地區干濕分明，雨季主要集中在6-10月[2]?？傮w來看，PT公式計算結果與PM公式的計算結果一致性最好。

圖2 不同計算方法的逐日ET0變化規律

2.2 誤差分析

由表1可知，在海南大部分地區ET0計算方法的計算精度依次為PT公式>HS公式>IA公式。使用PT公式計算ET0的平均絕對誤差和平均相對誤差分別為0.760 mm/d和24.190%。PT公式在東方的平均相對誤差16.947%，為3種計算方法在7個站點得到的平均相對誤差的最小值，但平均絕對誤差的最小值為HS公式在陵水的誤差計算結果。HS公式在陵水的平均絕對誤差為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，HS公式的平均絕對誤差和平均相對誤差分別為0.632 mm/d和21.743%，精度均高于PT公式和IA公式的誤差計算結果。這說明，HS公式是PM公式在陵水和三亞地區的最優替代方法。相比PT和HS公式，IA公式的誤差最大，平均絕對誤差為0.695～0.929 mm/d，平均相對誤差為22.591%～37.578%。上述結果表明，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 不同站點不同計算方法的誤差

2.3 相關性分析

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

圖3 不同計算方法與PM公式的相關性分析

3 結 語

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

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

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