羅童元，羅玉峰，呂辛未，崔遠(yuǎn)來，楊士紅

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；3.武漢達(dá)潤達(dá)科技發(fā)展有限公司，武漢 430072)

實(shí)時(shí)的灌溉調(diào)度不僅可以改善灌溉用水的管理，而且能使灌溉系統(tǒng)獲得更高的性能[1]。參考作物騰發(fā)量(ET0)是灌溉用水管理的重要依據(jù)，對其進(jìn)行預(yù)報(bào)是灌溉預(yù)報(bào)和灌溉決策的基礎(chǔ)[2,3]。ET0預(yù)報(bào)最早多基于歷史時(shí)間序列分析，如Tracy等和Marino等各自提出一種時(shí)間序列分析模型[4,5]；Mao和茆智等分析多個(gè)站點(diǎn)逐日ET0序列在年內(nèi)的變化過程，并考慮未來天氣類型，得到一種ET0預(yù)報(bào)逐日均值修正模型[6,7]。隨著天氣預(yù)報(bào)的精度逐步提高，近年來根據(jù)天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行ET0預(yù)報(bào)的研究越來越多。美國有學(xué)者利用國家氣象網(wǎng)站提供的天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行ET0預(yù)報(bào)[8,9]，趙琪等(2014年)采用Penman-Monteith公式和中國天氣網(wǎng)的天氣預(yù)報(bào)信息進(jìn)行短期逐日ET0預(yù)報(bào)[10]。由于天氣預(yù)報(bào)中溫度預(yù)報(bào)相對準(zhǔn)確，故更多的研究基于氣溫預(yù)報(bào)進(jìn)行ET0預(yù)報(bào)[11,12]。目前關(guān)于ET0預(yù)報(bào)的軟件和系統(tǒng)較少，主要有基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的FORETO和美國國家氣象服務(wù)中心天氣預(yù)報(bào)辦公局實(shí)時(shí)發(fā)布的實(shí)驗(yàn)性的ET0預(yù)報(bào)[1,13]等，但前者實(shí)用性有待檢驗(yàn)，而且也未見其網(wǎng)絡(luò)版的發(fā)布，而后者只提供個(gè)別地區(qū)(Albuquerque, NM)的預(yù)報(bào)。為提高ET0預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的可獲取性和及時(shí)性，較好地為實(shí)時(shí)灌溉決策提供數(shù)據(jù)支持，開發(fā)較為完善的短期逐日實(shí)時(shí)ET0預(yù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)非常必要。江蘇省參考騰發(fā)量ET0預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用率定的HS公式和基于公共天氣預(yù)報(bào)(中國天氣網(wǎng))來預(yù)報(bào)未來15 d的ET0值，可用于江蘇省灌區(qū)管理單位進(jìn)行實(shí)時(shí)灌溉決策，為提高灌區(qū)的灌溉用水管理提供數(shù)據(jù)支持。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

江蘇省位于中國大陸東部沿海地區(qū)中部，介于東經(jīng)116°18′～121°57′，北緯30°45′～35°20′之間。屬于溫帶向亞熱帶的過渡性氣候，以淮河、蘇北灌溉總渠一線為界，以北屬暖溫帶濕潤、半濕潤季風(fēng)氣候，以南屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。地形以平原為主，平原面積達(dá)7萬多平方公里，占江蘇面積的70%以上，比例居中國各省首位，且氣候溫和，雨量適中，四季氣候分明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件相對優(yōu)越。轄區(qū)內(nèi)有多個(gè)大型灌區(qū)，在華東諸省中較有代表性，因此開發(fā)江蘇省ET0預(yù)報(bào)系統(tǒng)有助于幫助提高江蘇省灌溉區(qū)的灌溉管理水平，加速江蘇省農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化、信息化建設(shè)。

1.2　HS模型及率定

Allen等(1998年)提出了一種標(biāo)準(zhǔn)的用氣象資料計(jì)算ET0的方法(FAO-56 Penman-Monteith 方法)，該方法被聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦為計(jì)算參照騰發(fā)速率ET0的標(biāo)準(zhǔn)化方法[14]。雖然該方法對不同地區(qū)不同氣候條件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但是它需要很多的氣象因子(平均風(fēng)速和相對濕度等)，對一些氣象資料缺乏的地區(qū)不能適用。然而，對這些氣象資料缺乏的地區(qū)采用Hargeaves-Samani公式卻很適用，因?yàn)檫@個(gè)公式只需要每天的最大、最小氣溫來計(jì)算ET0，而最大、最小氣溫基本上在每個(gè)氣象站都有記錄，而且，各個(gè)站點(diǎn)未來15 d的最大、最小氣溫也可以從公共天氣預(yù)報(bào)網(wǎng)站獲取，故本系統(tǒng)采用率定的Hargeaves-Samani公式來計(jì)算預(yù)報(bào)ET0值。

Hargreaves-Samani公式以溫度和太陽輻射為基礎(chǔ)建立，為最常用的以氣溫?cái)?shù)據(jù)為輸入?yún)?shù)的ET0計(jì)算公式，在氣象資料匱乏地區(qū)具有普遍適用性，其基本公式為[15]：

(1)

式中：ET0,HS為HS法計(jì)算的參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Ra為天頂輻射，MJ/(m2·d)；Tmax、Tmin分別為日最高、日最低氣溫，℃；λ為蒸發(fā)潛熱，取為2.45 MJ/kg；C、E、T為公式的3個(gè)參數(shù)，其建議值分別為0.002 3、0.5、17.8。式(1)在形式上對于不同類型氣候區(qū)域均具有一定的合理性，但許多研究指出參數(shù)C、E、T均具有地區(qū)變異性[16]，因此可對HS公式的3個(gè)參數(shù)作地區(qū)率定，以提高公式的精度，參數(shù)T為建議值17.8的情況下，僅對參數(shù)C、E進(jìn)行地區(qū)率定。

從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載江蘇省23個(gè)氣象站點(diǎn)的歷史氣象資料，利用歷史實(shí)測氣象數(shù)據(jù)，得出FAO56-PM公式的ET0計(jì)算值(ET0，PM)和HS公式的ET0計(jì)算值(ET0，Hs)，以兩者在率定期內(nèi)的方差和最小為目的進(jìn)行公式的率定，得到HS公式各站點(diǎn)的參數(shù)值。

1.3　ET0預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開發(fā)

系統(tǒng)采用目前流行的Web框架，即LAMP(Linux- Apache-MySQL-PHP)網(wǎng)站架構(gòu)。以Apache為系統(tǒng)網(wǎng)頁服務(wù)器，以Linux為操作系統(tǒng)運(yùn)行系統(tǒng)代碼，以MySQL創(chuàng)建并管理數(shù)據(jù)庫，用PHP語言編寫系統(tǒng)核心代碼。LAMP具有通用、跨平臺、高性能、低價(jià)格、輕量、快速開發(fā)等特點(diǎn)。

1.3.1數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、儲存和管理數(shù)據(jù)的倉庫，一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)成功運(yùn)行的保障。而建立一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)好每一張表成為了關(guān)鍵。本系統(tǒng)主要有3個(gè)數(shù)據(jù)表，表a用于儲存用正則表達(dá)式從中國天氣網(wǎng)抓取的天氣預(yù)報(bào)信息(天氣情況、最高溫、最低溫)；表b用于儲存江蘇省23個(gè)氣象站點(diǎn)HS公式所需的參數(shù)信息(緯度、C、E);表c用于儲存ET0預(yù)報(bào)值供用戶下載。

1.3.2PHP代碼編寫

ET0預(yù)報(bào)系統(tǒng)代碼編寫采用ThinkPHP框架開發(fā)而成，以提高開發(fā)效率。系統(tǒng)代碼編寫包括前端和后臺兩個(gè)部分。前端用于顯示給用戶，用戶通過瀏覽器可以看到直觀的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；后臺代碼主要包括中國天氣網(wǎng)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)抓取代碼和HS計(jì)算公式代碼。后臺主要功能是連接、查詢數(shù)據(jù)庫，然后計(jì)算出ET0預(yù)報(bào)值并傳遞到前臺顯示給用戶。

1.3.3系統(tǒng)工作原理

江蘇省參考作物騰發(fā)量ET0預(yù)報(bào)系統(tǒng)的工作原理如下：

(1)江蘇省參考作物騰發(fā)量ET0預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括兩個(gè)子系統(tǒng)：采集儲存子系統(tǒng)、ET0預(yù)報(bào)子系統(tǒng)。采集儲存子系統(tǒng)通過編寫的PHP代碼(正則表達(dá)式)抓取中國天氣網(wǎng)(http:∥www.weather.com.cn)每個(gè)地區(qū)未來15 d的天氣預(yù)報(bào)信息，包括最高溫、最低溫、天氣情況等存入數(shù)據(jù)庫。同時(shí)我們將各個(gè)站點(diǎn)HS模型參數(shù)值創(chuàng)建數(shù)據(jù)表存入數(shù)據(jù)庫。

(2)ET0預(yù)報(bào)子系統(tǒng)通過PHP代碼調(diào)用自身的專門用來處理MySQL數(shù)據(jù)連接的函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)與MySQL數(shù)據(jù)庫通信，獲得所需要的地區(qū)參數(shù)和天氣預(yù)報(bào)信息(最高溫、最低溫、天氣類型)，通過PHP代碼所編寫的HS公式計(jì)算得到預(yù)報(bào)ET0。

(3)當(dāng)用戶的Web瀏覽器發(fā)出HTTP請求，請求特定的Web頁面，例如：南京未來15 d預(yù)報(bào)ET0。Web服務(wù)器收到請求，獲取該文件，并將它傳到PHP引擎，要求處理。然后，PHP引擎開始解析腳本。腳本中有一條連接數(shù)據(jù)庫的命令，還有執(zhí)行查詢(執(zhí)行搜索未來天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù))的命令，打開通向MySQL數(shù)據(jù)庫的鏈接，發(fā)送適當(dāng)?shù)牟樵儯⒔Y(jié)果返回到PHP引擎并進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算(ET0預(yù)報(bào)子系統(tǒng))。通常，這包括查詢結(jié)果格式化成HTML格式，然后再將輸出的HTML返回到Web服務(wù)器，Web服務(wù)器將HTML發(fā)送到瀏覽器，這樣用戶就可以看到南京市的ET0預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。工作原理如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 System working principle diagram

2　結(jié)果與討論

2.1　HS模型率定

經(jīng)過率定，得到HS公式各站點(diǎn)的參數(shù)值如表1。從表1可以看出，C值的取值范圍為0.000 9～0.002 6，E值的取值范圍為0.27～0.58。其中大部分站點(diǎn)的C值都是接近或者低于給出的建議值0.0023，這與胡慶芳等(2011年)[7]給出的C參數(shù)值分布規(guī)律大致一樣。但有18個(gè)站點(diǎn)的E值均低于建議E值0.5，與給出的規(guī)律不一致，可能是因?yàn)槁识ǚ椒ǖ牟煌?，本文是固定T的取值下率定的C、E值，而胡慶芳等(2011年)[16]直接率定C、E、T參數(shù)。

表1　Hargreaves-Samani模型參數(shù)率定結(jié)果Tab.1 The changed parameters of calculated Hargreaves-Samani model

2.2　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表

MySQL是一個(gè)快速、多線程、多用戶的SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[17]，考慮到系統(tǒng)的規(guī)模和構(gòu)建網(wǎng)站的成本，采用功能完善，靈活高效的MySQL對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)[18]。同時(shí)，為保障數(shù)據(jù)庫的規(guī)范性和可維護(hù)性，必須保證數(shù)據(jù)庫每張表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。表2為數(shù)據(jù)庫每張表的表頭設(shè)計(jì)。可以看出：每張表的表頭設(shè)計(jì)都相對簡潔，同時(shí)又涵蓋了基本所需的數(shù)據(jù)，沒有冗余，大大提高了數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行效率。

2.3　ET0預(yù)報(bào)系統(tǒng)界面與功能簡介

江蘇省參考作物騰發(fā)量ET0預(yù)報(bào)系統(tǒng)基于Web開發(fā)，用戶通過瀏覽器訪問進(jìn)入江蘇省參考作物騰發(fā)量ET0預(yù)報(bào)系統(tǒng)首頁面(http:∥etforecast.applinzi.com/index.php/Js/index)，該頁面以地圖的形式將江蘇省23個(gè)氣象站點(diǎn)展示給用戶，如圖2所示。

表2　數(shù)據(jù)庫各表的表頭設(shè)計(jì)Tab.2 The design of the tables in database

圖2　ET0預(yù)報(bào)發(fā)布系統(tǒng)站點(diǎn)首頁面Fig.2 The first page of ET0 forecast system

單擊系統(tǒng)站點(diǎn)首頁面任意一個(gè)站點(diǎn)，以南京為例(其他站點(diǎn)ET0查詢類似)，單擊“南京”會出現(xiàn)南京站點(diǎn)ET0預(yù)報(bào)頁面，可以查詢到該站點(diǎn)的未來15 d的ET0值。且該頁面分為2個(gè)部分，即圖形部分和表格部分。

以南京站為例，圖形部分為折柱混搭圖，橫軸為預(yù)報(bào)日期，左縱軸為ET0預(yù)報(bào)值，右縱軸為溫度，柱狀圖表示未來15 d南京站點(diǎn)預(yù)報(bào)ET0值，兩條折線圖分別表示南京未來15 d預(yù)報(bào)的最高溫最低溫。圖形右上角有各種功能按鈕，點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕會使圖形發(fā)生相應(yīng)的變化，如折線圖切換按鈕可以使各要素切換成折線圖，柱狀圖切換按鈕可以使各要素切換成柱狀圖。如圖3所示。

表格部分(如圖4所示)展示的是該氣象站點(diǎn)未來15 d的天氣類型、最高、最低氣溫和預(yù)報(bào)ET0值，灌溉區(qū)用水管理者可以根據(jù)提供的ET0預(yù)報(bào)值和天氣類型來輔助進(jìn)行實(shí)時(shí)灌溉決策，以提高灌溉管理水平，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。

本系統(tǒng)采用率定的HS模型進(jìn)行ET0預(yù)報(bào)，而Luo[11]等研究表明率定的HS模型預(yù)報(bào)精度相對較高，故本系統(tǒng)可以應(yīng)用于灌區(qū)、稻田等用水管理實(shí)踐中。本系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都上傳于云端，既可以加密又可以共享給所有網(wǎng)絡(luò)用戶。既適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者參考也適合輔助大型灌區(qū)用水管理者灌溉決策。實(shí)際上，本系統(tǒng)的ET0預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)只精確到市縣一級，且依舊存在不小的誤差，對于單塊農(nóng)田節(jié)水具有較小的參考價(jià)值。同時(shí)本系統(tǒng)僅采用了HS模型來進(jìn)行ET0預(yù)報(bào)，但基于氣溫的ET0計(jì)算模型還有Thornthwaite模型、簡化的Penman-Monteith模型、McCloud模型、Blaney-Criddle模型等，故后期仍需對模型對比分析來完善系統(tǒng)軟件。

圖3　南京站點(diǎn)ET0預(yù)報(bào)頁面圖形部分Fig.3 The graphic part of ET0 forecast page in Nanjing station

圖4　南京站點(diǎn)ET0預(yù)報(bào)頁面表格部分Fig.4 The form part of ET0 forecast page in Nanjing station

3　結(jié)　語

實(shí)時(shí)的ET0預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)不僅可以使灌區(qū)用水管理者和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者更加優(yōu)化地調(diào)度灌溉用水，而且可以更加節(jié)約灌溉用水。隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的系統(tǒng)軟件和APP在生活中發(fā)揮了舉足輕重的作用。主要介紹了一個(gè)基于LAMP(Linux+Apache+MySQL+PHP)架構(gòu)開發(fā)出江蘇省ET0預(yù)報(bào)軟件系統(tǒng)，并闡述了該系統(tǒng)的工作原理及開發(fā)步驟。系統(tǒng)基于Web技術(shù)開發(fā)，有網(wǎng)絡(luò)的地方就能實(shí)現(xiàn)訪問及相應(yīng)的系統(tǒng)的操作，不局限于時(shí)間和地點(diǎn)，對設(shè)備幾乎零要求。同時(shí)系統(tǒng)功能突出，界面簡單，易操作，可以得到未來15 dET0預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，且采用百度提供的Echarts表格使數(shù)據(jù)變得更加形象直觀。本系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都上傳于云端，既可以加密又可以共享給所有網(wǎng)絡(luò)用戶。既適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者參考也適合輔助大型灌區(qū)用水管理者灌溉決策。

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