基于Blaney-Criddle方法估算皖北平原蒸散量的評(píng)價(jià)與校準(zhǔn)

武曼曼　陳立　孫朋　徐國(guó)偉

摘 要：蒸散發(fā)的精確估算是開(kāi)展水資源評(píng)價(jià)、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，文章利用1959—2018年皖北平原五個(gè)站點(diǎn)的氣象觀測(cè)資料，以FAO-PM56方法（PM方法）估算蒸散為標(biāo)準(zhǔn)蒸散量，開(kāi)展少參量Blaney-Criddle（BC）方法的適用性評(píng)價(jià)以及參數(shù)調(diào)整驗(yàn)證。結(jié)果表明：（1）BC方法計(jì)算皖北平原潛在蒸散量時(shí)數(shù)值總體偏高，但是計(jì)算月均ETp數(shù)值的變化趨勢(shì)與PM方法計(jì)算的相似。（2）參照標(biāo)準(zhǔn)PM法的結(jié)果，對(duì)BC法和CBC法所得ETp月均值進(jìn)行比較，誤差值出現(xiàn)了變化。（3）使用CBC方法，月累積ETp高峰值主要出現(xiàn)在5-7月份之間，低峰值主要出現(xiàn)在2000-2010年之間。

關(guān)鍵詞：皖北平原;Blaney-Criddle方法;PM方法;潛在蒸散量;CBC方法

潛在蒸散（potential evapotranspiration，ETp）是在一種相對(duì)穩(wěn)定的氣象條件前提下，某個(gè)區(qū)域的水供給沒(méi)有限制時(shí)，這個(gè)區(qū)域的地表能達(dá)到的最大蒸發(fā)量[1-6]。

聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）于1998年刊登了關(guān)于經(jīng)過(guò)更正的建模方法Penman-Monteith，并將全球潛在蒸散計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)模型定為FAO 56 PM法。姜敏等人使用FAO-PM公式估算淮河流域潛在蒸散量，得出的接論為蚌埠市潛在蒸發(fā)量大體上顯現(xiàn)出降低的發(fā)展趨勢(shì)。北京地區(qū)的潛在蒸散量計(jì)算方法經(jīng)過(guò)李艷等人的研究，最終得出了Kimberly-Penman公式（KP公式）適合于北京地區(qū)潛在蒸散量的計(jì)算。Blaney-Criddle公式即BC方法[6]是根據(jù)溫度來(lái)計(jì)算潛在蒸散量的簡(jiǎn)單少參量依據(jù)的方法。該公式以月為尺度數(shù)據(jù)基準(zhǔn)，參數(shù)少、計(jì)算簡(jiǎn)易，并在不同地區(qū)取得較好結(jié)果。同樣該方法受制于區(qū)域一致性和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在不同地區(qū)開(kāi)展蒸散估算需要進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)參數(shù)調(diào)整，以提高ETp的估算精確度。

一、材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

皖北平原位于安徽省北部，屬于溫帶和亞熱帶氣候的過(guò)渡地區(qū)，季風(fēng)性明顯，旱澇災(zāi)害頻繁。該區(qū)溫度在-8.8—35.5℃之間，水資源豐富。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文所用原始數(shù)據(jù)取自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)中心（http：//data.cma.cn/），數(shù)據(jù)構(gòu)成包括阜陽(yáng)、亳州、宿州、蚌埠、碭山五站點(diǎn)1959—2018年的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)資料。

1.3 研究方法

1.3.1 FAO PM方法

水循環(huán)研究極其重要的一部分是參照蒸散量，參照蒸散的計(jì)算用FAO56 Penman–Monteith（PM）方法。該模型計(jì)算公式如下：

式中：ETp —標(biāo)準(zhǔn)蒸散發(fā)，mm/d;Rn—農(nóng)作物表層凈太陽(yáng)輻射，MJ/（m2.d）;G—土壤熱通量密度，MJ/（m2.d）;T—2m高處平均溫度，℃;u2—2m高處的風(fēng)速，m/s;es—飽合水汽壓，kPa;ea—實(shí)際水汽壓，kPa;Δ—水汽壓斜率，kPa /°C;γ—濕度常數(shù)，kPa/ ℃。

1.3.2 Blaney-Criddle方法

采用Blaney-Criddle方法計(jì)算ETp-BC的表達(dá)式為：

式中：p—月白晝時(shí)數(shù)占全年比例;T—平均溫度，℃;n—實(shí)測(cè)白晝時(shí);N—可能白晝時(shí)數(shù);RHmin—日最低相對(duì)濕度，%;u2—白天2m高處平均風(fēng)速，m/s。

1.3.3 BC方法的校準(zhǔn)（即CBC方法）

為了調(diào)整Blaney-Criddle方法中的參數(shù)a、b，以PM方法計(jì)算的月潛在蒸散量為參考，擬合系數(shù)以后得到了a1和b1，并計(jì)算ETp-CBC。ETp-CBC的計(jì)算公式為：

1.4蒸散估算校準(zhǔn)

通過(guò)PM方法校準(zhǔn)BC方法，然后估算結(jié)果，最后比較評(píng)價(jià)估算效果。主要使用相對(duì)誤差（ Relative error，RE）、均方根誤差

（ Root mean square error，RMSE） 、平均偏差（ Mean bias error，MBE） [6]等指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

二、結(jié)果與分析

2.1 PM和BC 方法計(jì)算的月均ETP

用FAO-PM方法和BC方法計(jì)算的月均潛在蒸散量的關(guān)系如圖1所示。BC估算的ETP平均值為112.9mm/d，F(xiàn)AO-PM估算的ETP平均值為87.4mm/d，BC估算的潛在蒸散量的平均值比FAO-PM的偏高約30%。BC與FAO-PM估算ETP的線性回歸方程系數(shù)為0.8969，決定系數(shù)為0.9395。

BC和PM方法計(jì)算的月均ETp和月均溫的關(guān)系如圖2所示。兩種方法計(jì)算的ETp的值均與溫度呈正相關(guān)。月均溫度與BC的線性方程系數(shù)為4.3543，決定系數(shù)為0.777。與PM的線性方程系數(shù)為4.1743，決定系數(shù)為0.8272。從圖中可以看出BC估算的值比PM的偏大，兩種方法計(jì)算的值差距較大，因此需要以PM為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)BC方法的參數(shù)進(jìn)行部分修改。

2.2 BC方法中的a、b值

各站點(diǎn)各月平均a、b值如表1所示。a的數(shù)據(jù)范圍為-0.1379～-0.1256，最大值（-0.1256）和最小值（-0.1379）分別出現(xiàn)在七月份和四月份。影響a的值的因素主要是濕度和光照時(shí)數(shù)，皖北平原七月份光照時(shí)數(shù)多，并且出現(xiàn)伏旱現(xiàn)象，從而a在七月份出現(xiàn)最大值;四月份溫度較低，降水較多，因此導(dǎo)致a值最小值。b的數(shù)據(jù)范圍在0.0666～0.0820之間，b的最大值和最小值出現(xiàn)的月份和a值最值出現(xiàn)的月份相反。這是因?yàn)闇囟群痛髿鉂穸裙餐饔玫慕Y(jié)果。a與b的線性方程為a=-0.6731b-0.082（R2=0.7193）。

2.3 校準(zhǔn)后的BC方法即CBC方法計(jì)算月均ETp

以PM方法計(jì)算的結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，用CBC方法計(jì)算的月均ETp，如圖3所示。FAO-PM方法計(jì)算的ETp平均值在87.4mm/d，CBC方法計(jì)算的ETp平均值為87.38mm/d，比BC計(jì)算的平均值下降了22.6%，但決定系數(shù)R2與BC計(jì)算的相同。從圖中我們可以看出PM和CBC方法的關(guān)系方程斜率達(dá)到了1，這表明參數(shù)調(diào)整后，與PM方法計(jì)算的擬合關(guān)系，兩者更加接近。

2.4 驗(yàn)證

現(xiàn)在選取五個(gè)站點(diǎn)從1959—2018年的數(shù)據(jù)對(duì)CBC方法計(jì)算的年ETp進(jìn)行驗(yàn)證，我們可以看出，BC方法計(jì)算的年累積ETp值始終高于PM的計(jì)算結(jié)果。而進(jìn)行參數(shù)調(diào)整后的CBC方法與PM方法的計(jì)算結(jié)果有很好的擬合關(guān)系。其中除碭山站使用CBC方法計(jì)算年累積ETp時(shí)，出現(xiàn)了低估現(xiàn)象，亳州站1970—1980年間和宿州站2000—2010年間出現(xiàn)了高估現(xiàn)象，但是較BC方法計(jì)算的高估現(xiàn)象效果好。擬合效果最好的為阜陽(yáng)站和蚌埠站，CBC方法和PM方法計(jì)算的結(jié)果大致相近。

三、結(jié)論

本文以FAO-PM方法為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)皖北平原五個(gè)站點(diǎn)的使用BC方法計(jì)算潛在蒸散量，為提高BC方法的計(jì)算精度，進(jìn)行部分參數(shù)的調(diào)整以及驗(yàn)證，主要得出以下結(jié)論：

BC方法計(jì)算皖北平原潛在蒸散量時(shí)數(shù)值偏高，表現(xiàn)出高估現(xiàn)象。通過(guò)參數(shù)調(diào)整后，CBC方法與PM方法計(jì)算的ETp的數(shù)值更加接近。a值的數(shù)據(jù)變化范圍為-0.1379～-0.1256，最大值和最小值分別出現(xiàn)在七月份和四月份，b值的數(shù)據(jù)變化范圍在0.0666～0.0820之間，b的最大值和最小值出現(xiàn)的月份和a值最值出現(xiàn)的月份相反。這是由于大氣溫度和濕度一起相互作用形成的。

與PM方法的計(jì)算結(jié)果相比，調(diào)整后的CBC計(jì)算月均ETp相對(duì)誤差由24.13%～32.61%降為-4.12%～3.02%;均方差誤差由24.37～31.04mm/d降為9.60～11.91mm/d;平均偏差由37.85～41.08mm/d變?yōu)?3.94～36.84mm/d。

使用CBC方法，月累積ETp高峰值主要出現(xiàn)在5-7月份，年累積ETp變化波動(dòng)較大，有多個(gè)高峰值，低峰值主要出現(xiàn)在2000-2010年之間。與PM方法計(jì)算的ETp變化趨勢(shì)相同，數(shù)值較BC方法計(jì)算的更加接近。綜合分析表明，CBC方法能夠有效提高皖北平原地區(qū)潛在蒸散量的計(jì)算精度，皖北周邊地區(qū)最好建議采用ETp的估算方法，從而為該區(qū)域發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和農(nóng)作物蓄水量提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹永強(qiáng)，肖春柳，李元菲，劉明陽(yáng).河北省春季潛在蒸散量變化特征與成因[J].水土保持研究，2019，26（05）：195-201+209.

[2] 王海梅，劉昊，張迎杰.呼倫貝爾市1961-2016年濕潤(rùn)度時(shí)空變化特征[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2018，32（09）：90-96.

[3] 趙娜，王治國(guó)，張復(fù)明，李澤.海河流域潛在蒸散發(fā)估算方法及其時(shí)空變化特征[J].南水北調(diào)與水利科技，2017，15（06）：11-16+65.

[4] 馮克鵬，田軍倉(cāng)，洪陽(yáng).自尋優(yōu)最近鄰算法估算有限氣象數(shù)據(jù)區(qū)潛在蒸散量[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35（20）：76-83.

[5] 泮蘇莉. 浙江省潛在蒸散發(fā)變化及水文過(guò)程研究[D].浙江大學(xué)，2017.

[6] 馮浩，劉匣，褚曉升，丁奠元，余坤，李毅.基于Blaney-Criddle方法估算潛在蒸散量的評(píng)價(jià)與校準(zhǔn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48（06）：159-167.

基金項(xiàng)目：宿州學(xué)院教授博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目2017jb04;安徽省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目KJ2013Z322;宿州學(xué)院非財(cái)政資金科研項(xiàng)目2019hx001;安徽省高校自然科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目KJ2019A0670。

作者簡(jiǎn)介：武曼曼（1987～），女，安徽宿州人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：土壤養(yǎng)分管理。