高曉瑜，張 莎，屈忠義，湯鵬程，霍再林

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)水問(wèn)題研究中心，北京 100083)

作物騰發(fā)量(ET)是水文循環(huán)過(guò)程中的重要要素，是水文和農(nóng)業(yè)研究中被廣泛使用的農(nóng)業(yè)氣象變量，精確量化作物騰發(fā)量對(duì)于灌溉制度制定和水資源管理具有重要意義。而ET0估算是定量計(jì)算作物耗水量的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確估算ET0對(duì)提高農(nóng)業(yè)用水效率具有重要意義[1]。很多不同氣候區(qū)的研究結(jié)果都證實(shí)了FAO 56 Penman-Monteith模型(以下簡(jiǎn)稱(chēng)FAO-56 PM)的可行性，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織將其作為一種在全球適用的計(jì)算ET0的標(biāo)準(zhǔn)方法。同時(shí)此模型在世界許多地區(qū)和氣候區(qū)均適用[2]，而且與其他方法相比FAO-56 PM法一直是全球公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)ET0估算方法[3]。然而，F(xiàn)AO-56 PM方程需要大量連續(xù)的氣象數(shù)據(jù)，而許多地區(qū)特別是發(fā)展中國(guó)家的許多觀測(cè)站缺少長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)[4-5]。

因此，很多學(xué)者針對(duì)需要較少參數(shù)的簡(jiǎn)化ET0估算模型進(jìn)行了研究，可歸類(lèi)為經(jīng)驗(yàn)方法[6-8]、溫度法[9-10]、輻射法[11-12]、簡(jiǎn)化彭曼方法[13-14]和基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換的方法[15-16]，在不同的環(huán)境中其性能不同。XU等[17]用7個(gè)基于溫度的方程對(duì)加拿大兩個(gè)氣候站的ET0進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明，當(dāng)使用原始常數(shù)值時(shí)，兩個(gè)站的大多數(shù)方程都存在較大的偏差。LOPEZ-URREA等人[18]研究了7種不同經(jīng)驗(yàn)方程估算半干旱地區(qū)ET0的精確性，發(fā)現(xiàn)Hargreaves和Sanami模型是最準(zhǔn)確的。SINGH等[15]估算并比較了13個(gè)基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換法的蒸發(fā)方程，并建立了該類(lèi)蒸發(fā)方程的廣義模型形式。基于輻射的方法也得到了應(yīng)用。TABARI[19]估計(jì)了4種氣候條件下需要少量氣象數(shù)據(jù)的4種ET0模型(Makkink、Turc、Priestley-Taylor和Hargreaves)，結(jié)果顯示：Turc模型最適合估計(jì)寒冷潮濕和干旱氣候下的ET0；在溫暖濕潤(rùn)和半干旱地區(qū)，Hargreaves模型是最精確的模型。TABARI等[20]在伊朗濕潤(rùn)氣候條件下，采用FAO-56 PM模型對(duì)8種基于蒸發(fā)皿的方法、7種基于溫度的方法、4種基于輻射的方法和10種基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并從中選出最佳的方法。

目前在內(nèi)蒙古自治區(qū)的不同氣候區(qū)域，針對(duì)各種方法效果進(jìn)行評(píng)估的研究尚不充分。該地區(qū)經(jīng)度范圍較廣(97°12′E～126°14′E)，氣候類(lèi)型多樣，因此我們引入了全局性能指標(biāo)(GPI)對(duì)各模型效果進(jìn)行研究[21]。本文參考聯(lián)合國(guó)防治荒漠化公約中的全球干旱指數(shù)[22]和任曉東[23]關(guān)于內(nèi)蒙古自治區(qū)的干旱研究將內(nèi)蒙古自治區(qū)劃分為特干旱、干旱、半干旱、干旱-半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)5個(gè)氣候區(qū)，將33種常用的ET0方程分為四類(lèi)：(1)基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換的方法；(2)基于溫度的方法；(3)基于輻射的方法；(4)簡(jiǎn)化FAO-56 PM方法。所有的評(píng)估均采用FAO-56 PM模型為標(biāo)準(zhǔn)，利用內(nèi)蒙古自治區(qū)5個(gè)氣候區(qū)50個(gè)站點(diǎn)的氣候資料，確定各類(lèi)模型在不同氣候區(qū)的適用性。本研究的主要目的是：(1)選取的33種ET0估算方法與標(biāo)準(zhǔn)FAO-56 PM方法在內(nèi)蒙古自治區(qū)不同氣候區(qū)域1951—2013年的適用性比較；(2)確定各氣候區(qū)FAO-56 PMET0方程相對(duì)精確的備選模型，為內(nèi)蒙古自治區(qū)各氣候區(qū)ET0估算提供參考方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于中國(guó)北部，面積118.3×104 km2，約占中國(guó)陸地面積的12.5%(圖1)?；诼?lián)合國(guó)防治荒漠化公約提出的全球干旱指數(shù)[22]和任曉東[23]關(guān)于UNEP干旱指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，本研究將內(nèi)蒙古自治區(qū)由西向東分為特干旱(UNEP<0.08)、干旱(0.08≤UNEP<0.2)、半干旱(0.2≤UNEP<0.5)、干旱-半濕潤(rùn)(0.5≤UNEP<0.65)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)(0.65≤UNEP<1.0)氣候區(qū)[22](表1)。內(nèi)蒙古的主要?dú)夂蛱卣魇嵌鹃L(zhǎng)而寒冷、春季干旱有風(fēng)、夏季短而溫暖。年平均氣溫為-4℃～10℃，年平均降水量為50～550 mm，降水集中，夏季降水量占年降水量的60%～70%。5個(gè)氣候區(qū)各氣象站點(diǎn)的降水量、日均氣溫和日均相對(duì)濕度見(jiàn)圖2。該地區(qū)參考作物騰發(fā)量波動(dòng)范圍為571～1 573 mm，隨濕度增大而降低[24]。

注：圖中站點(diǎn)數(shù)字詳見(jiàn)表1。

注：A:特干旱地區(qū)；B：干旱地區(qū);C：半干旱地區(qū);D：干旱-半濕潤(rùn)地區(qū);E：濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)地區(qū)。

本文使用的數(shù)據(jù)包括分布于內(nèi)蒙古自治區(qū)的50個(gè)地面氣象站的日最高、最低和平均溫度(℃)，日照時(shí)數(shù)(h)，相對(duì)濕度(%)，氣壓(Pa)和風(fēng)速(m·s-1)。50個(gè)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)均來(lái)源于1981—2012年。氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://www.nmic.cn/)。50個(gè)臺(tái)站的分布和詳細(xì)信息見(jiàn)圖1和表1。

表1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)分區(qū)

1.2 ET0估算方法

1.2.1 FAO-56 PM方法

式中，ET0為參照作物騰發(fā)量(mm·d-1)；Rn為作物冠層表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；T為平均溫度(℃)；u2為高度2 m處風(fēng)速(m·s-1)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線(xiàn)的斜率(kPa℃-1)；γ為濕度計(jì)常數(shù)(kPa·℃-1)。本文以FAO 56 PM方法為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)33個(gè)ET0簡(jiǎn)化模型進(jìn)行評(píng)估排序。

1.2.2 簡(jiǎn)化模型 按照基于輻射方法、基于溫度方法、簡(jiǎn)化的彭曼公式和基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換方法將33個(gè)估算模型分為四大類(lèi)。簡(jiǎn)化模型具體分類(lèi)情況如表2所示。

(1)基于輻射的方法。在基于輻射的方法中，α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(α=1.26)，λ為蒸發(fā)潛熱(=2.45 MJ·kg-1)，Rs為太陽(yáng)輻射或短波輻射[MJ·(m2·d)-1]，CT為溫度常數(shù)(CT=0.025)，Ta為平均日平均溫度(℃)，Tx為常數(shù)(-3)。Tmax和Tmin是每日最高和最低溫度(℃)。β隨日最高溫度Tmax變化。該類(lèi)方法的主要難度是輻射數(shù)據(jù)為所有氣象數(shù)據(jù)中較難獲取的數(shù)據(jù)。

(2)基于溫度的方法。在表2中基于溫度的方法中，Ra為天頂輻射[MJ·(m2·d)-1]，該參數(shù)只需要經(jīng)緯度和日序數(shù)即可計(jì)算得到[17]；P為降水量(mm)，Linacre方法中Tm=T+0.006 h,Tm為實(shí)際氣溫(℃)，T為觀測(cè)氣溫(℃)，h為海拔(m)；A為緯度(°)，Td為平均露點(diǎn)溫度(℃)；RH為平均相對(duì)濕度(%)。

表2 常用的ET0估算模型

(3)簡(jiǎn)化彭曼方法。在簡(jiǎn)化彭曼方法中，φ為緯度(rad)，Cu值隨RH值的變化而變化。簡(jiǎn)化的PM方程所需參數(shù)較多，尤其是太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)獲取難度較大，但該方法的精度較高[37]。

(4)基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換的方法。在基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換的方法中，u為風(fēng)速。在Rohwer和Penman模型中，es和ea的單位為mmHg(1 mmHg=133 Pa)，在其余模型中es和ea的單位為hPa。除彭曼模型外，所有方程中風(fēng)速的單位都是m·s-1；而在彭曼模型中風(fēng)速的單位是miles·d-1(1 miles·d-1=1.6 km·d-1)?；谫|(zhì)量轉(zhuǎn)換的模型主要需要水汽壓和風(fēng)速等參數(shù)，獲取難度較小，但該類(lèi)模型多數(shù)為經(jīng)驗(yàn)回歸模型，適用條件限制較多[15]。

1.3 統(tǒng)計(jì)評(píng)估

本文采用10個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)[21]對(duì)ET0估計(jì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)(表3)，指標(biāo)描述表中ET0 m和ET0 e分別為測(cè)量和估計(jì)的ET0值，n為觀測(cè)次數(shù)，ET0 m,avg為測(cè)量ET0的平均值。

表3 評(píng)價(jià)ET0方法的10個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

1.4 ET0估算方法的排序

統(tǒng)計(jì)誤差指標(biāo)很難對(duì)大量的估算方法進(jìn)行比較或排名，可使用代表所有統(tǒng)計(jì)指標(biāo)乘法的全球績(jī)效指數(shù)(GPI)對(duì)不同方程進(jìn)行最終排序，然后估算ET0值[21]。GPI的假設(shè)是，如果該指標(biāo)的值大于中值，則該值離中值越遠(yuǎn)，模型的準(zhǔn)確性相對(duì)于其他方法就越低。此外，為了避免某一指標(biāo)的主導(dǎo)影響，對(duì)所有指標(biāo)的值進(jìn)行了縮放，使每個(gè)指標(biāo)的取值范圍在0～1之間。如果任何指標(biāo)值為0，則GPI值自動(dòng)變?yōu)?，與其他指標(biāo)的值無(wú)關(guān)。另外，加法形式中單個(gè)指標(biāo)不能正確影響GPI值，而這種方法還考慮了負(fù)R2值的比較，這在其他GPI形式中是不可能的。方法i的GPI定義為：

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氣候區(qū)的ET0估算模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究計(jì)算了33個(gè)ET0估算模型的10個(gè)誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，由于數(shù)據(jù)量較大，表4中列出了以均方根誤差(RMSE)為標(biāo)準(zhǔn)，不同氣候區(qū)排序前10位的模型。由結(jié)果可見(jiàn)，很難用單一的誤差分析方法對(duì)大量不同的模型進(jìn)行比較或排名。比如，基于RMSE值，特干旱、干旱、半干旱、干旱-半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)地區(qū)模型的模擬效果最好的分別為模型33、18、18、18和18，而基于RMSRE值，在特干旱、干旱、半干旱、干旱-半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)氣候區(qū)模型模擬效果最優(yōu)的分別為模型13、31、25、1、1。另外，各模型的精度隨氣候區(qū)域的不同而變化，比如模型18的RMSE值在特干旱、干旱、半干旱、干旱-半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)地區(qū)的值分別為1.068、0.845、0.683、0.560、0.466 mm·d-1；模型1在特干旱、干旱、半干旱、干旱-半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)地區(qū)的RMSRE值分別為0.503、1.193、2.564、2.183、2.143(表4)。

表4 5個(gè)氣候區(qū)不同ET0模式的適用性評(píng)價(jià)

2.2 ET0估算模型在5個(gè)氣候區(qū)的適用性

圖3按GPI排序，展示了5個(gè)氣候區(qū)排名前10的ET0估算模型。所有模型根據(jù)類(lèi)型分為4組，分別為基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換的模型(MTB)、簡(jiǎn)化的彭曼模型、基于溫度的模型(TB)和基于輻射的模型(RB)。簡(jiǎn)化的彭曼模型是FAO-56 PM方程的一種簡(jiǎn)化方法，由于其綜合性，它在所有5個(gè)氣候區(qū)都表現(xiàn)良好。模型的模擬效果在5個(gè)氣候區(qū)有所不同。在特干旱和干旱地區(qū)，MTB、TB和SPM模型的GPI值更高，表明模擬效果更好，在特干旱地區(qū)M30模型的GPI接近于0.9，而TB和RB模型的GPI值較小，在特干旱地區(qū)GPI排名前10位內(nèi)沒(méi)有基于輻射的模型。這可能是由于溫差大、日照長(zhǎng)、降水少，當(dāng)利用溫度和日照時(shí)數(shù)估算輻射時(shí)，存在一定誤差。然而，在干旱-半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)地區(qū)，SPM和RB模型的GPI值較高，在干旱-半濕潤(rùn)地區(qū)M18(SPM)的GPI為0.7，在濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)地區(qū)M1(基于輻射的模型)的GPI為1.0。

注：圖中M代表模型，其后的數(shù)字為表2中的模型序號(hào)。

在5個(gè)氣候區(qū)中，MTB、SPM和TB模型的GPI值較高。但由于SPM方法需要更多的計(jì)算參數(shù)，一定程度上選用存在困難。基于各氣候區(qū)不同ET0估算模型的GPI值，對(duì)各氣候區(qū)不同類(lèi)型模型進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，以更清楚地了解5個(gè)氣候區(qū)各類(lèi)型模型的GPI范圍及其誤差(見(jiàn)圖4)。

圖4 不同類(lèi)型模型的描述性統(tǒng)計(jì)

33個(gè)模型中，有13個(gè)基于質(zhì)量的模型(MTB)、8個(gè)基于溫度的模型(TB)、3個(gè)彭曼簡(jiǎn)化模型(SPM)和9個(gè)基于輻射的模型(RB)。從GPI最大值來(lái)看，在特旱區(qū)、干旱區(qū)、半干旱區(qū)、干旱-半濕潤(rùn)區(qū)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)區(qū)模擬效果最好的分別為基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換模型、基于溫度模型、彭曼簡(jiǎn)化模型和輻射模型，例如在特旱區(qū)基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換的方法M30的GPI為0.882；在干旱區(qū)基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換的方法M25的GPI為0.572；在半干旱區(qū)的基于溫度的方法M13的GPI為0.520；在干旱-半濕潤(rùn)區(qū)簡(jiǎn)化彭曼方法M18的GPI為0.715；以及在濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)地區(qū)基于輻射的方法M1的GPI為1.000(圖4)。從平均GPI來(lái)看，彭曼簡(jiǎn)化模型的模擬效果在各氣候區(qū)均較好。但彭曼簡(jiǎn)化模型需要的參數(shù)較多，綜合考慮多個(gè)模型的平均效果和模型可行性，在偏干旱地區(qū)，較為適用的模型為基于溫度的模型；在偏濕潤(rùn)氣候區(qū)，較為適用的為彭曼簡(jiǎn)化模型和輻射模型。

3 討 論

TABARI等[20]認(rèn)為，基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換的方程模擬效果最差，而在伊朗這種潮濕氣候下，基于RB和TB的模型是估計(jì)ET0的最適合的方程。此外，XU等[38]利用1999—2007年中國(guó)干旱地區(qū)5個(gè)氣象站的數(shù)據(jù)，選擇HS方法作為估算ET0的最佳替代模型。這與本研究結(jié)果類(lèi)似，在特干旱和干旱地區(qū)，基于MTB和TB的模型模擬ET0具有更高的精度，而基于RB的模型則模擬效果較差，主要由于干旱地區(qū)溫差大、日照長(zhǎng)、降水少，當(dāng)利用溫度和日照時(shí)數(shù)估算輻射時(shí)存在一定誤差。然而，在干旱-半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)地區(qū)，SPM和RB模型具有更好的適用性。

結(jié)果顯示，平均GPI的較高值都出現(xiàn)在SPM模型中。分析認(rèn)為主要有兩個(gè)方面的原因，首先簡(jiǎn)化后的彭曼模型是FAO-56 PM方程的一種簡(jiǎn)單方法，與FAO-56 PM方程類(lèi)似，考慮的因素較多，能夠全面反映各氣象要素對(duì)參考作物騰發(fā)量的影響；其次，在模型誤差分析中，簡(jiǎn)化的彭曼模型只使用了3個(gè)模型進(jìn)行分析，具有一定的局限性。

GPI值可以反映模型的準(zhǔn)確性，但其參數(shù)的數(shù)量和獲取難度也會(huì)影響模型的應(yīng)用。雖然SPM模型中的GPI均值最高，但它比其他模型需要更多的參數(shù)。與SPM模型相比，基于MTB和TB的模型參數(shù)更少也更容易得到。5個(gè)氣候區(qū)GPI最佳的不同類(lèi)型模型如圖3所示。在基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換的模型中，在特干旱地區(qū)、干旱地區(qū)、半干旱地區(qū)、干旱-半濕潤(rùn)地區(qū)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)地區(qū)的最佳模型為30、25、25、23和21。對(duì)于TB模型，特干旱、干旱、半干旱、干旱-半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)地區(qū)的最佳模型分別為16、13、13、10和15。因此，考慮到參數(shù)的易獲得性，對(duì)于估算內(nèi)蒙古自治區(qū)干旱地區(qū)的ET0，模型25和13可行性更高。此外，基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換模型的計(jì)算采用風(fēng)速、飽和和實(shí)際水汽壓、溫度，而基于溫度模型的計(jì)算僅采用容易獲得的空氣溫度值。在干旱地區(qū)，以溫度為基礎(chǔ)的模式是最合適的。然而在干旱-半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)地區(qū)，最高的GPI出現(xiàn)在簡(jiǎn)化彭曼模型和基于輻射的模型中，這是因?yàn)閮?nèi)蒙古東部的溫差較小。與PENG等[37]的研究相似，在干旱地區(qū)，HS模型計(jì)算的ET0值與FAO-56 PM評(píng)價(jià)的ET0值相近，而PT模型更適合濕潤(rùn)地區(qū)。

4 結(jié) 論

本文對(duì)5個(gè)氣候區(qū)可用的ET0模型進(jìn)行了詳細(xì)的適用性分析和比較?；趦?nèi)蒙古50個(gè)站點(diǎn)的長(zhǎng)期氣象資料對(duì)33個(gè)ET0模型進(jìn)行評(píng)估，10個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)被用來(lái)評(píng)估模型的性能。此外，引入全局性能指標(biāo)(GPI)，對(duì)所有分析模型都進(jìn)行評(píng)估，以幫助選擇最合適的模型。根據(jù)GPI值，特干旱地區(qū)、干旱地區(qū)、半干旱地區(qū)、干旱-半濕潤(rùn)地區(qū)和濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)地區(qū)排名前3位的模型分別為模型30、33、31，模型25、18、13，模型13、18、25，模型18、20、1和模型1、18、2。對(duì)于干旱區(qū)，MTB、SPM和TB模型更適合，而RB和SPM模型在濕潤(rùn)地區(qū)更準(zhǔn)確?？紤]到模型的便捷性，TB模型在相對(duì)干旱地區(qū)最為適用，而RB模型在相對(duì)濕潤(rùn)地區(qū)更為準(zhǔn)確。適宜的ET0估算方法對(duì)評(píng)價(jià)作物實(shí)際蒸散發(fā)量和計(jì)算整個(gè)區(qū)域的水分平衡具有重要意義。在接下來(lái)的ET0評(píng)價(jià)方法研究中，需要考慮模型精度和不同類(lèi)型模型的參數(shù)數(shù)量對(duì)模型適用性的影響。