宿州市6种参考作物蒸散估算方法适用性评价

孙 朋，季霖菲，刘 娜，白洪伟

宿州学院环境与测绘工程学院，安徽宿州,234000

蒸散过程是地表水热交互过程相互作用的重要途径，也是全球陆地能量和水循环的关键组成部分[1]。参考作物蒸散量为蒸散量重要表征方式，是能量平衡和水分平衡的重要组成部分，准确地测定和估算蒸散量不仅对研究全球气候演变、环境问题以及水资源评价等有着重要意义[1-2]，而且对指导农业的排水与灌溉、监测农业旱情、提高农业水资源的利用率具有重要现实意义[3]。

目前估算ET0的方法总体分为辐射方法(温度-辐射法)、温度方法和综合方法3类[4]。联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith公式(PM56公式)，较全面考虑了影响蒸散的各种因素，在气候条件差异较大的区域时表现较好，常作为蒸散计算的标准算法。但PM56方法的使用主要障碍是所需数据的数量，许多气象站可能无法获得这些数据[5]。近年来围绕不同气候区域下蒸散估算模型对比分析成为研究热点[6-8]。因此蒸散估算模型的选择通常取决于试验站中可用的特定气候输入以及在类似气候环境下模型的先前性能。所以发展依靠较少数据投入的蒸散模式选择已成为蒸散估算一项重要任务。进而气候数据约束地区的简化版蒸散估算公式应运而生，如Priestley-Taylor(PT)法[9]、Hargreaves-Samani(HS)法[10]、Makkink(Ma)法[11]Irmark-Allen法[12]等在不同区域取得较好的估算效果。

但是蒸散估算选择区域最合适的方法来估计ET0取决于地理位置、气候条件、预期的估计周期和输入数据的可用性等条件[5,11]。目前研究共识没有一种单独的方法可以在没有局部校正的情况下估计ET0，使得该方法对所有气候条件和数据条件都不能普遍令人满意，因此在正确测量的ET0相对困难的基础上，开展模型方法优化研究是必要的[5,11-12]。研究以宿州市为例，选取1953—2019年气象数据，利用6种ET0估算方法与标准PM56公式估算方法在宿州估算方法比较，开展其适用性评价研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宿州市(33°18′—34°38′ N，116°09′—118°10′ E)地处安徽最北部，安徽、江苏、山东与河南四省交界，承东启西，总面积9 787 km2。地理单元处于黄海平原南端，淮北平原中部，暖温带半湿润季风气候区，南北气候过渡带重要构成单元，区域内气候温和、光照充分、降水适中、雨热同期、四季分明，多年平均气温为14 ℃至14.5 ℃，多年平均降水在774～896.3 mm之间，年平均风速2.36 m/s，全年日照充足，日照时数为2 322.9～2 471.7 h。境内主要河道70多条，分别属于黄河、淮河水系。宿州市以平原为主，零星山地分布，海拔跨度6～385 m，平原面积广布，研究区内土壤以砂浆黑土河潮土为主，是典型农业地区，灌溉制度多样。

1.2 数据来源

采用来自宿州市气象局1953—2019年逐日地面气象观测资料，数据包含日平均气温(Tmean，℃)、最高气温(Tmax，℃)、最低气温(Tmin，℃)、降水量(mm)、平均风速(m/s)、日均相对湿度(%)、日照时数(h)、日照百分比(%)等数据。

1.3 研究方法

1.3.1 参考作物蒸散发估算方法

研究共选取6种蒸散估算方法，以PM56的计算结果作为研究区标准参考作物蒸散量，评估其余5种不同数据构成基础的ET0计算方法的适用性，分别为IA、Ma、HS、Irmak和PT。其中，HS模型为温度型模型，Irmak、Ma、IA和PT模型都为温度-辐射型公式，此5种方法是因为其需求的气象因子较少，应用非常广泛。所有6种方法的公式、类型如表1所示。

表1 参考作物蒸散量的计算公式

1.3.2 估算方法评价

以PM56法计算的ET0作为标准，采用均方根误差(RMSE)、相对偏差(RE)和决定系数(R)来评价其他5种算法与标准算法计算结果相比的适用性及精度，具体公式分别为：

式中ET0i为待检验蒸散方法计算的结果，ET0-PM,i为标准算法计算的结果，m为时间序列时长。

2 结果与讨论

2.1 蒸散年值模拟效果分析

通过6个模型计算宿州市1953—2019年的参考作物蒸散量年值如图1所示。由图1可知，近67年蒸散量均值模拟效果上看，PT模拟值最高，为标准值的1.6倍，IA和HS计算结果偏高，约为标准值的1.1倍，Ma计算结果较低，仅达到标准年值的80%，Irmak计算结果最为接近。

图1 宿州1953—2019年基于5种方法与PM56法估算ET0年值和均值对比图

从图1(a)6种蒸散估算方法计算的长序列年值蒸散变化起伏趋势来看，其余5种方法的蒸散年值与标准PM56法的蒸散计算结果波动起伏较为一致，但是不同方法在模拟数值存在较大差异，其中PT方法计算结果一直处在1 600～1 800 mm/a的高值区震荡波动，这与PT方法的使用区域多为干旱、半干旱水分约束区有关；而IA和HS计算ET0年值结果都在PM56法计算的标准值偏上，波动范围集中在1 180～1 400 mm/a，可见温度性与温度辐射型蒸散估算方法在宿州年尺度蒸散估算上存在一定偏差；Ma计算结果都在1 000 mm/a，估算结果普遍偏低；Irmak计算结果与标准值有较为一致的波动趋势，数值最为接近，说明湿润区经验性估算公式在宿州地区年值蒸散估算效果较好。

基于表2的5种方法与PM方法ET0年值比较特征来看，Ma和Irmak表现出最高的决定系数，表明变化趋势上都呈现较高的一致性，其余三种方法同样决定系数都大于0.7，相关性都高。RE数据变化表明，估算结果由高到低的顺序依次是：PT>HS>IA>Irmak>Ma。RMSE数据显示，PT估算年值差异最大高达727.2 mm，再次验证Irmak估算效果最好，年值变化仅33.3 mm。

表2 基于5种方法与PM方法ET0年值比较特征评价

2.2 蒸散月值模拟效果分析

通过5种方法的月值模拟结果与PM56计算结果对比可知(图2)，与年尺度模拟结果类似，基于PT公式计算结果为明显偏高，3至10月段与PM56计算结果偏差更大，月值模拟结果最高达到标准蒸散值2倍数值差异。1月与12月为ET0低值区，IA模拟结果偏大，其余4种方法模拟结果都较好；2月到11月之间，HS法、PT法、IA法估算结果逐渐偏高，并分别在6月、7月、8月达到各自峰值，本时段内Ma法计算结果持续偏低；Irmak法模拟结果拥有与PM56法计算结果的最多契合，1—5月估算结果基本一致，6月份略低，7—10月份略高，差异较小，但在11月份存在估算偏高的现象，反而PT计算具有较好的结果。从年内变化趋势看，除Irmak法外，都呈现单峰值趋势，峰值出现月份都有所差异，最高值估算结果较差。

图2 宿州市5种ET0算法与PM56法逐月ET0计算结果对比

基于5种方法与PM56法估算ET0月值比较的统计特征如表3所示。决定系数R变化特征表明，Ma和Irmark各月R值均较高，2至10月R值均大于0.8，HS法相关系数变化次之，所有月份都达到0.64以上；PT法模拟结果较标准ET0偏差。变化趋势上，Ma法、HS法和Irmak法与PM56法模拟结果在1月和12月的相关系数最高，其余方法较低，5月、7月和8月的模拟结果相关系数都较好，都达到0.9以上。

表3 宿州市基于5种方法与PM56法估算ET0月值比较的统计特征

RMSE的结果其值越小，表明2种方法之间的关系越密切，差异越小，从均方根误差指标来看，1月、2月和11月，Ma法、HS法、Irmak法和PT法估算结果都较好，于PM56法计算结果相比均低于10 mm·mon-1；3—5月份Irmak法模拟效果最好，PT模拟效果最差；6月份IA法模拟效果误差最小，Irmak法次之，其余方法模拟误差均大于32 mm·mon-1；7至10月模拟结果仍以Irmak法为最好，PT模拟结果最差，模拟误差达到153.72 mm·mon-1；11月份，Ma法、HS法和PT法模拟结果最好，Irmak法模拟结果最差，高达54.03 mm·mon-1。相对变化RE特征来看，Ma法模拟值都小于0，每个月计算结果都偏低，PT法计算值偏高，除一月份外，RE绝对变化都大于0.1，IA法和HS法计算结果也呈现类似问题，Irmak估算相对变化较为理想，除1月和11月外，相对变化都在12%以内。综上分析，ET0月值的估算结果，Irmak结果最为理想，PT效果最差，冷月份各种方法蒸散数值估算相对吻合较好，3至10月份蒸散估算结果除Irmak外，都较差。

2.3 日尺度蒸散数值估算效果

宿州市不同ET0算法与P-M法日值模拟效果对比图和决定系数如图3所示，由图3可知，HS法和PT法拟合斜率分别为1.18和2.15，均大于1，说明模拟结果偏大，决定系数(R2)都大于0.95，说明与PM56法计算结果相关性显著。IA法与Ma法决定系数都大于0.95，但是拟合斜率分别为0.88和0.76，拟合结果偏低。Irmak法拟合斜率为0.93，接近于1，决定系数同样的高达0.96，可见Irmak法在宿州市蒸散估算中具有较好的适用性。

图3 宿州市不同ET0算法与PM56法日值模拟效果对比图

3 结 论

蒸散估算的区位精准对标是开展地表水热响应过程研究的重要构成部分，同样也是蒸散研究的难点，本文以宿州市1953—2019年近67年气象数据为基础，开展不同数据基础构成下蒸散估算适用性评价。结果表明，年、月与日尺度上，Ma法模拟结果偏低，PT法模拟结果偏高，HS法和IA法模拟决定系数高(大于0.9)、相对变化较小(小于20%)，其估算结果都可以在宿州市替代适用，Irmark法在年月日尺度上都表现出最好的拟合效果，且所需参数少于PM56法，在数据约束条件下，适用于湿润区的经验模型Irmark法可推荐为宿州地区蒸散估算的替代方法。