兩種ET0計算方法在南京地區(qū)的適用性比較

李百慧，李般若，季書一，邢凌凱，鄭力高，黃品天

(河海大學 a.農業(yè)科學與工程學院； b.土木與交通學院； c.計算機與信息學院； d.水利水電學院，南京 211100)

0 引 言

南京地處中國東部，長江下游、瀕江近海，是重要的文化古城。南京屬亞熱帶季風氣候，雨量充足豐沛，年降水1 200 mm，四季分明，年平均溫度15.4℃。夏季炎熱，秋天干燥涼爽，冬季寒冷干燥。南京也是重要的農業(yè)發(fā)展城市，因此推廣農業(yè)節(jié)水灌溉對南京地區(qū)的農業(yè)發(fā)展至關重要。

參考作物騰發(fā)量(ET0)是農業(yè)用水的重要組成部分，它的準確計算與預報是制定農作物灌溉制度的基礎，也是促進農業(yè)節(jié)水的關鍵[1]。目前，聯合國糧農組織(FAO)推薦使用Penman-Monteith公式作為標準計算方法[2]，該公式的物理學基礎嚴密，計算精度較高，但需要相當完備的氣象數據資料。Hargreaves公式是Hargreaves和Samina提出并不斷改進的一個氣候學公式，對氣象資料要求較低，但計算精度有所下降，PM公式與HS公式近年來都得到了廣泛的研究與應用[3]。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，但是隨著研究區(qū)域的不同，不同方法的適用性也有較大差異。謝平等[4]針對湛江地區(qū)對比了Irmak-Allen法、Hargreaves法和Prisetley-Taylor法的差異，結果表明在全年情況下，Hargreaves公式的適用性最好。

本文以Penman-Montieth公式計算結果為標準，對江蘇地區(qū)2010-2019年的逐日ET0進行計算，分別對Hargreavse公式和Irmak-Allen公式的適用性進行評價并進行對比分析。研究結果有利于南京地區(qū)農業(yè)高效節(jié)水灌溉，也為ET0計算方法的適用性研究提供了更多的理論依據。

1 資料與方法

1.1 數據資料

從“中國氣象數據網”(http://data.cma.cn)收集了南京站2010-2019年的逐日氣象數據。收集的氣象指標數據包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、相對濕度、日照時數、平均氣壓和平均風速共7項數據。

1.2 計算方法

由于FAO-56 PM公式計算精度較高[5]，能相對較準確地反映參考作物騰發(fā)量的真實情況，因此近年來一直被廣泛應用。FAO-56 PM計算公式如下：

(1)

式中：Rn為到達地表的凈輻射，MJ/(m2·d)；Tmean為日平均氣溫，℃；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為干濕計常數，kPa/℃；es和ea分別為飽和水汽壓與實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃；U2為距離地面2 m處的日平均風速，m/s。

HS公式是一種基于溫度來估算ET0的方法[6]，由于需要的氣象數據較少，常用于氣象設備缺乏的西部地區(qū)進行ET0預報。其表達式為：

(2)

式中：Ra為大氣輻射，MJ/(m2·d)；C、E、T為Hargreaves公式的3個參數，本研究建議值分別為0.002 3、0.5、17.8。

Irmak-Allen公式是一種基于平均氣溫和太陽凈輻射來估算ET0的方法，其表達式為：

ET0,IA=0.489+0.289Rn+0.023Tmean

(3)

式中：Rn為太陽凈輻射，MJ/(m2·d)；Tmean為日平均氣溫。

1.3 誤差比較方法

ET0精度評價指標主要包括平均絕對誤差(MAE)，均方根誤差RMSE，決定系數R2。各指標的計算公式為：

(4)

(5)

(6)

2 結果與討論

2.1 逐日ET0變化規(guī)律分析

圖1為不同計算方法情況下南京站點2010-2019年逐日ET0計算值的變化規(guī)律。從圖1中可以看出，不同ET0計算方法得到的逐日ET0在同一年內呈現出先增長后減小的變化規(guī)律。12-1月份ET0的值最小，而6-8月份ET0值達到頂峰后呈現下降的趨勢。其原因是在12-1月份氣溫降低，日照時間變短，減緩了水分的蒸發(fā)；而6-8月份氣溫升高，日照時間邊長，增加了水分的蒸發(fā)。

圖1 逐日ET0計算結果

從兩幅圖的逐日ET0情況下來看，IA公式計算結果和PM公式計算結果的吻合程度明顯要高于HS公式。HS公式的計算結果不佳的可能原因是HS公式僅僅考慮了最高和最低氣溫來進行計算，并未考慮其他氣象要素對ET0值的影響，從而導致誤差較大。

2.2 誤差分析

由圖2可以看出，在南京地區(qū)ET0計算方法的計算精度對比中，IA公式顯著高于HS公式。使用IA公式計算ET0的MAE和RMSE均小于1，而使用HS公式計算ET0的MAE和RMSE均顯著較高。這說明IA公式是PM公式在南京地區(qū)較HS公式較優(yōu)的替代方法。

圖2 不同計算方法誤差結果

2.3 相關性分析

圖3為HS公式和IA公式與PM公式的相關性分析。IA公式較HS公式與PM公式有著顯著的相關性，IA公式的相關性為0.8759，HS公式的相關性為0.8016，且IA公式較HS公式散點分布更集中。這說明，IA公式較HS公式在南京地區(qū)具有較高地相關性。

圖3 不同計算方法相關性結果

3 結 語

1) 兩種ET0計算方法在南京站點(2010-2019年)估算的ET0的年內變化與PM公式計算結果趨勢一致，均表現為在同一年內先增大后減小，在6-8月份出現峰值，在12-1月份ET0值最小，且IA公式較HS公式與PM公式吻合度較高。

2) 在南京地區(qū)，ET0計算方法的相關性大小表現為：IA公式>HS公式，其中IA公式的相關系數為0.875 9，HS公式的相關系數為0.801 6。結合RMSE和MAE結果來看，IA公式在南京地區(qū)的計算精度顯著高于HS公式，且IA公式的RMSE和MAE結果均小于1，表現較高，因此IA公式較HS公式在南京地區(qū)具有較好的適用性。