Estimation of Evaporation from Class A Pan in Semi-Arid Climatic Conditions by Penman and Kohler-Nordenson-Fox (KNF) Models

Abstract

The climatic parameters needed to estimate evaporation are not easily obtained in many regions for various reasons. By obtaining reliable data, estimation of evaporation for irrigation planning and protection of water resources can be made with less data and easily. In this study, the evaporation from the Class A evaporation vessels, which are used for the estimation of evaporation and developed for this purpose, are estimated by comparing the values measured in meteorological stations and the evaporation through Penman (PM) and Kohler-Nordenson-Fox (KNF) equations, and their performance in semi-arid climatic conditions is evaluated comparatively. For this purpose, climate data received from the Meteorological Station in Siirt province, located in the Southeastern Anatolia Region of Turkey, was used as input in the analysis of the models. Outputs optained from models were statistically evaluated and the root mean squared error (RMSE), mean absolute error (MAE), percentage of error (PE), mean ratio (MR) and determination coefficient (R²) parameters were taken as statistical evaluation criteria. At the end of the study, the best R² value in the daily comparison was obtained from the E_PM-E_pan comparison in 2015 and 2016 with 0.8783 and 0.8062, and the RMSE values in this year were calculated as 1.35 and 1.32. In the monthly comparison, the same equation showed the best performance. According to these results, Penman equation used in this study is recommended because it gives lower RMSE values in semi-arid climate conditions in order to estimate evaporation from class A evaporation vessel at daily and monthly levels.

Keywords

• Evaporation vessel,model,semiarid,Siirt,reference plant water consumption

Yarı Kurak İklim Koşullarında A Sınıfı Kap’tan olan Buharlaşmanın Penman ve Kohler-Nordenson-Fox (KNF) Modelleri ile Tahmini

Abstract

Buharlaşmanın tahmin edilmesinde gereksinim duyulan iklim parametreleri pekçok bölgede çeşitli nedenlerle kolaylıkla elde edilememektedir. Güvenilir verilerin elde edilmesiyle, sulama planlaması ve su kaynaklarının korunması için buharlaşma tahmini daha az veri ile ve kolaylıkla yapılabilmektedir. Bu çalışmada, A sınıfı buharlaşma kaplarından olan buharlaşmanın tahmininde kullanılan ve bu amaçla geliştirilen Penman (PM) ve Kohler-Nordenson-Fox (KNF) eşitlikleri yoluyla buharlaşmanın tahmin edilerek, meteoroloji istasyonlarında ölçülen değerlerle, yarı kurak iklim koşullarında performansları karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Bu amaçla; Türkiye’nin Güneydoğu Anadolu Bölgesi’nde yer alan Siirt ili Meteoroloji İstasyonu’ndan alınan iklim verileri, modellerin çözümlenmesinde girdi olarak kullanılmıştır. Elde olunan çıktılar istatistiksel olarak değerlendirilmiş ve karekök ortalama hatası (RMSE), ortalama mutlak hata (MAE), hata yüzdesi (PE), ortalama oran (MR) ve determinasyon katsayısı (R²) parametreleri istatistiksel değerlendirme ölçütü olarak alınmıştır. Çalışma sonunda, günlük düzeyde yapılan karşılaştırmada en iyi R² değeri 0.8783 ve 0.8062 ile 2015 ve 2016 yılında E_PM-E_pan karşılaştırmasından elde edilirken, bu yıldaki RMSE değerleri 1.35 ve 1.32 olarak hesaplanmıştır. Aylık düzeydeki karşılaştırmada ise, aynı eşitlik en iyi performansı göstermiştir. Bu sonuçları göre, günlük ve aylık düzeyde A sınıfı buharlaşma kabından olan buharlaşmayı tahmin etmek için, yarı kurak iklim koşullarında daha düşük RMSE değerleri vermesi nedeniyle çalışmada kullanılan Penman eşitliği önerilmektedir.

Keywords

• Buharlaşma kabı,model,yarı kurak,Siirt,kıyas bitki su tüketimi

References

1. Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D., Smith, M., 1998. Crop Evapotranspiration (guidelines for computing crop water requirements). FAO-56 Irrigation and Drainage Paper, No: 56, Rome.
2. Anonim, 2018. DMİGM Web sayfası. (https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?k=A&m=SIIRT), (Erişim tarihi: 06.12.2018).
3. Aschonitis, V.G., Antonopoulos, V.Z., Papamichail, D.M., 2012. Evaluation of pan coefficient equations in a semi-arid Mediterranean environment using the ASCE standardized Penman-Monteith method. Agricultural Scince, 3(1): 58-65.
4. Blaney, H.F., Criddle, W.D., 1950. Determining Water Requirements in Irrigated Areas from Climatological Irrigation Data. Technical Paper No: 96, US Department of Agriculture, Soil Conservation Service, Washington, D.C.
5. Cristiansen, J.E., 1968. Pan evaporation and evapotranspiration from climatic data. Journal of the Irrigation and Drainage Division, 94(2): 243-266.
6. Diouf, O.C., Weihermüller, L., Ba, K., Faye, S.C., Faye, S., Vereecken, H., 2016. Estimation of Turc reference evapotranspiration with limited data against the penman-monteith formula in Senegal. Journal of Agriculture and Environment for International Development, 110(1): 117-137.
7. Djaman, K., Balde, A.B., Sow, A., Muller, B., Irmak, S., N’Diaye, M.K., Manneh, B., Moukoumbi, Y.D., Futakuchic, K., Kazuki Saito, S., 2015. Evaluation of sixteen reference evapotranspiration methods under sahelian conditions in the Senegal River Valley. Journal of Hydrology: Regional Studies, 3: 139-159.
8. Djaman, K., Koudahe, K., Oluwakunmi, A., Irmak, S., 2017. Evaluation of eleven reference evapotranspiration models in semiarid conditions. Journal of Water Resource and Protection, 9: 1469-1490.

9. Ertek, A., 2011. Importance of pan evaporation for irrigation scheduling and proper use of crop-pan coefficient (Kcp), crop coefficient (Kc) and pan coefficient (Kp). African Journal of Agricultural Research, 6(32): 6706-6718.
10. Fisher, D.K., Pringle III, H.C., 2013. Evaluation of alternative methods for estimating reference evapotranspiration. Agricultural Science, 4(8A): 51-60.
11. Guitjens, J.C., 1982. Models of alfalfa yield and evapotranspiration. Journal of Irrigation and Drainage Division, Proceeding of the American Society of Civil Engineers, 108(IR3): 212-222.
12. Harbeck, G.E., 1962. A practical field technique for measuring reservoir evaporation utilizing mass-transfer theory. United States Geological Professional Paper, 272-E: 101105.
13. Hargreaves, G.H., Samani, Z.A., 1985. Reference crop evapotranspiration from ambient air temperature. American Society of Agricultural Engineers, Hyatt Regency, Chicago IL 1985 Winter Meeting, December 17-20, Paper No: 85-2517.
14. Irmak, S., Haman, D.Z., 2003. Evaluation of five methods for estimating class A pan evaporation in a humid climate. Hort Technology, 13(3): 500-508.
15. Jensen, M.E., Burman, R.D., Allen, R.G., 1990. Evapotranspiration and Irrigation Water Requirements. American Society of Civil Engineers, Newyork.
16. Kanber, R., 2006. Sulama. Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Genel Yayın No: 174, Ders Kitapları Yayın No: A-52, Adana.
17. Kaya, S., Evren, S., Daşcı, E., 2016. Yarı-kurak iklim koşullarında A sınıfı kap buharlaşmasını tahmin için çeşitli eşitliklerin karşılaştırılması. Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 30(2): 1-9.
18. Kohler, M.A., Nordenson, T.J., Fox, W.E., 1955. Evaporation from pans and lakes. Weather Bureau Research Paper 38, US Department of Commerce: Washington, DC.
19. Linacre, E.T., 1977. A simple formula for estimating evaporation rates in various, using temperature data alone. Agricultural Meteorology, 18: 409-424.
20. Makkink, G.F., 1957. Testing the Penman formula by means of lysimeters. Journal of the Institution of Water Engineers, 11: 277-288.
21. Morton, F.I., 1979. Climatological estimates of lake evaporation. Water Resources Research, 15: 64-76.
22. Özyazıcı, M.A., Dengiz, O., İmamoğlu, A., 2014. Siirt ili bazı arazi ve toprak özelliklerinin coğrafi bilgi sistem analizleriyle değerlendirilmesi. Türkiye Tarımsal Araştırmalar Dergisi, 1(2): 128-137.
23. Penman, H.L., 1948. Natural evaporation from open water, bare soil and grass. Proceedings of the Royal Society of London, 193: 120-145.
24. Priestley, C.H.B., Taylor, R.J., 1972. On the assessment of surface heat flux and evaporation using large-scale parameters. Monthly Weather Review, 100(2): 81-92.
25. Sabziparvar, A.A., Tabari, H., Aeini, A., Ghafouri, M., 2010. Evaluation of class A pan coefficient models for estimation of reference crop evapotranspiration in cold semi-arid and warm arid climates. Water Resources Management, 24 (5): 909-920.
26. Shahidian, S., Serralheiro, R., Serrano, J., Teixeira, J., Haie, N., Santos, F., 2012. Hargreaves and other reduced-set methods for calculating evapotranspiration. In: A. Irmak (Ed.), Evapotranspiration-remote sensing and modeling, InTech, Morn Hill, pp. 59-80.
27. Sezer, Ç.Ö., 2015. A sınıfı buharlaşma kabından olan günlük buharlaşmanın modellerle tahmini. Yüksek lisans tezi, Gaziosmanpaşa Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Tokat.
28. Sezer, Ç.Ö., Öztekin, T., Sezer, E.K., 2017. A-sınıfı buharlaşma kabından olan günlük buharlaşmanın Kohler-Nordenson-Fox ve Cristiansen Modelleri ile tahmini. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi, 6(Özel sayı-BSM-2017): 84-196.
29. Sezer, Ç.Ö., Öztekin, T., Sezer, E.K., 2018. A-sınıfı buharlaşma kabından olan buharlaşma miktarının Penman ve Priestley-Taylor (PT) modelleri ile tahmini. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 55(4): 379-388.
30. Tabari, H., Grismer, M.E., Trajkovic, S., 2013. Comparative analysis of 31 reference evapotranspiration methods under humid conditions. Irrigation Science, 31(2): 107-117.
31. Terzi, Ö., 2011. Modeling of daily pan evaporation of Lake Eğirdir using data-driven techniques. International Symposium on Innovations in Intelligent Systems and Applications, 15-18 June, Istanbul, Turkey, pp. 320-324.
32. Thornthwaite, C.W., 1948. An approach toward a rational classification of climate. Geographical Review, 38(1): 55-94.
33. Turc, L., 1961. Estimation of irrigation water requirements, potential evapotranspiration: A simple climatic formula evolved up to date. Annuals of Agronomy, 12: 13-49.
34. Todorovic, M., Karic, B., Pereira, L.S., 2013. Reference evapotranspiration estimate with limited weather data across a range of mediterranean climates. Journal of Hydrology, 481: 166-176.
35. Xu, C.Y., Singh, V.P., 2000. Evaluation and generalization of radiation-based methods for calculating evaporation. Hydrological Processes, 14: 339-349.
36. Xu, C.Y., Singh, V.P., 2001. Evaluation and generalization of temperature-based methods for calculating evaporation. Hydrological Processes, 15: 305-319.