戚 穎王 斌黃金柏李新虎施楓芝

(1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150040;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030; 3.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225009;4.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,新疆烏魯木齊 830011)

CRU數(shù)據(jù)集在黑龍江省ET0計(jì)算中的應(yīng)用

戚 穎1,2,王 斌2,黃金柏3,李新虎4,施楓芝4

(1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150040;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030; 3.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225009;4.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,新疆烏魯木齊 830011)

針對(duì)我國(guó)參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)計(jì)算中存在的氣象數(shù)據(jù)不易獲取、現(xiàn)有作物需水量數(shù)據(jù)空間分辨率較低等問(wèn)題,以黑龍江省為例,基于10 min分辨率的CRU CL 2.0數(shù)據(jù)集,采用FAO Penman-Monteith公式建立了適于計(jì)算區(qū)域ET0的柵格模型,并應(yīng)用黑龍江省14個(gè)氣象站的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)對(duì)該模型計(jì)算成果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:采用CRU CL 2.0數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域ET0是可行的,其計(jì)算結(jié)果與應(yīng)用實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算所得的ET0符合較好,不僅可以細(xì)化我國(guó)ET0和作物需水量研究成果,也為氣象資料缺乏情況下的ET0計(jì)算供了一種新的計(jì)算模式。

參考作物蒸發(fā)蒸騰量;CRU數(shù)據(jù)集;柵格計(jì)算模型;黑龍江省

國(guó)內(nèi)外廣泛采用作物系數(shù)修正參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)的方法間接推求作物需水量[1-4],ET0多采用FAO Penman-Monteith(FAO P-M)公式計(jì)算[4-15]。20世紀(jì)80年代,我國(guó)曾動(dòng)員200多個(gè)試驗(yàn)站和近千名人員歷時(shí)8年完成了中國(guó)主要農(nóng)作物需水量等值線(xiàn)圖協(xié)作研究工作,但由于受站點(diǎn)數(shù)量限制,所得作物需水量的空間分辨率不高,如在黑龍江省僅有17個(gè)站點(diǎn)控制和反映ET0及作物需水量的空間變異情況。研究表明,作物系數(shù)在空間上的變化不大,而ET0在空間上的變化較大,對(duì)作物需水量的影響也比作物系數(shù)大得多[1]。因此,提高作物需水量空間分辨率的關(guān)鍵在于能否計(jì)算出高分辨率的ET0。研究和應(yīng)用ET0往往需要多年多點(diǎn)的大量氣象數(shù)據(jù)[10-15],獲取數(shù)據(jù)一般需履行出具證明、會(huì)員注冊(cè)及審核、簽署協(xié)議等一系列程序,對(duì)于科研和實(shí)踐而言不太方便。筆者采用CRU CL 2.0數(shù)據(jù)集的部分?jǐn)?shù)據(jù),基于FAO P-M公式[3]建立ET0柵格計(jì)算模型,以期為計(jì)算較高分辨率的ET0提供一種簡(jiǎn)易方法。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

CRU CL 2.0數(shù)據(jù)集基于國(guó)際交換站提供的氣象資料建立,覆蓋了全球陸地,空間分辨率為10 min,在時(shí)間上跨越1961—1990年,可從http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/hrg/tmc/免費(fèi)獲取。以黑龍江省為例,選用的CRU CL 2.0數(shù)據(jù)(包括高程、平均氣溫、氣溫日較差平均值、相對(duì)濕度、實(shí)際日照時(shí)數(shù)占最大可能日照時(shí)數(shù)的百分?jǐn)?shù)、10 m風(fēng)速),圖1即是從該數(shù)據(jù)集中提取的黑龍江省DEM及7月份平均氣溫柵格數(shù)據(jù)(共計(jì)1960個(gè)),其他月份的各種氣象數(shù)據(jù)格式與圖1(b)完全相同。

另外,在黑龍江省選取參加地面氣候資料國(guó)際交換的14個(gè)氣象站作為驗(yàn)證點(diǎn),采用的數(shù)據(jù)為1961—1990年的逐日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù),這些數(shù)據(jù)及站點(diǎn)信息來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)。

2 ET0計(jì)算方法

采用FAO P-M公式[3]計(jì)算14個(gè)氣象站逐日ET0,并將逐日ET0統(tǒng)計(jì)為30a的ET0月份平均值。與氣象站的單點(diǎn)ET0計(jì)算不同,應(yīng)用CRU CL 2.0的6種數(shù)據(jù),采用FAO P-M公式建立ET0柵格計(jì)算模型時(shí)部分變量計(jì)算如下:

式中:i、j——柵格在區(qū)域中的行標(biāo)記和列標(biāo)記;Tmaxi,j——柵格的最高氣溫,℃;Tmini,j——柵格的最低氣溫,℃;Ti,j——柵格平均氣溫,℃;Δti,j——柵格的氣溫日較差平均值,℃。

由于每行柵格中心線(xiàn)所處的緯度相同,將此緯度作為該行所有柵格的緯度:

式中:φi——第i行柵格的緯度,rad;φtop——計(jì)算區(qū)域上邊界的緯度;0.166667——10 min對(duì)應(yīng)的角度,(°); 0.5——柵格中心標(biāo)記。

式中:ni,j——柵格的實(shí)際日照時(shí)數(shù),h;psuni,j——實(shí)際日照時(shí)數(shù)占最大可能日照時(shí)數(shù)的比例,%;Ni——第i行柵格的最大可能日照時(shí)數(shù),h。

此外,在柵格空間尺度,參考文獻(xiàn)[3]對(duì)各種變量計(jì)算方法的規(guī)定,實(shí)際水汽壓應(yīng)用相對(duì)濕度、最高氣溫和最低氣溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算,日序數(shù)、土壤熱通量采用月份公式計(jì)算,計(jì)算氣壓、晴空太陽(yáng)輻射等所需的高程數(shù)據(jù)用DEM數(shù)據(jù)代替,2 m高處風(fēng)速由10 m高處風(fēng)速轉(zhuǎn)換得到。

3 計(jì)算結(jié)果分析

限于篇幅,僅給出柵格計(jì)算模型在7月份的計(jì)算成果,見(jiàn)圖2。根據(jù)氣象站地理坐標(biāo),從區(qū)域ET0計(jì)算成果中提取的各氣象站月份ET0見(jiàn)表1,應(yīng)用實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到的各氣象站各月份ET0見(jiàn)表2,采用相對(duì)誤差評(píng)價(jià)應(yīng)用柵格計(jì)算模型和CRU CL 2.0數(shù)據(jù)得到的ET0計(jì)算精度見(jiàn)表3。

相對(duì)誤差計(jì)算公式如下:

式中:δRE——相對(duì)誤差,%;ET0,CRU——采用柵格計(jì)算模型和 CRU CL 2.0數(shù)據(jù)得到的各月ET0,mm·d-1;ET0,OMD——采用P-M公式和實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)得到的各月ET0,mm·d-1。

由表1、表2及表3可以看出,應(yīng)用柵格計(jì)算模型和CRU CL 2.0數(shù)據(jù)計(jì)算的ET0與采用FAO P-M公式和實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)得到的ET0值總體較接近,相對(duì)誤差較大的月份集中在ET0數(shù)值較小的冬季(11月、12月、1—3月);另經(jīng)統(tǒng)計(jì),表3數(shù)據(jù)中分別有58.3%、85.7%、94.6%的相對(duì)誤差在10%、20%、30%以?xún)?nèi),這表明采用柵格計(jì)算模型和CRU CL 2.0氣象數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域ET0是可行的,能夠滿(mǎn)足實(shí)踐要求。

4 結(jié) 論

a.采用柵格計(jì)算模型和易獲取的CRU CL 2.0數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域ET0是可行的,所得ET0的空間分辨率能夠達(dá)到10 min,計(jì)算精度較高,為氣象數(shù)據(jù)缺乏情況下的ET0計(jì)算提供了一種簡(jiǎn)易適用的方法。

b.由于CRU CL 2.0數(shù)據(jù)集覆蓋全球陸地,采用ET0柵格計(jì)算模型不僅能夠計(jì)算黑龍江省全境1960個(gè)柵格的ET0,還可推廣應(yīng)用于計(jì)算全國(guó)的ET0,從而細(xì)化和豐富我國(guó)農(nóng)作物需水量研究成果。

c.我國(guó)實(shí)際布設(shè)的氣象臺(tái)站規(guī)模遠(yuǎn)大于參加地面氣候資料國(guó)際交換站的數(shù)目,若能構(gòu)建與CRU CL 2.0類(lèi)似的氣象數(shù)據(jù)集,其分辨率和插值精度必將高于CRU CL 2.0數(shù)據(jù)集,這樣本文模型不需更改結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)更高分辨率的ET0計(jì)算。

[1]中國(guó)主要農(nóng)作物需水量等值線(xiàn)圖協(xié)作組.中國(guó)主要農(nóng)作物需水量等值線(xiàn)圖研究[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 1993.

[2]DOOREBBOS J,KASSAM A H.Yield response to water[M].Rome:Food and Agriculture Organization of the United Nations, 1979.

[3]ALLEN R G,PEREIRA L S,RAES D,et al.Crop evapotranspiration-guidelines for computing crop water equirements[M].Rome:FAO Irrigation and Drainage,1998.

[4]SL 13—2004 灌溉試驗(yàn)規(guī)范[S].

[5]丁加麗,彭世彰,徐俊增,等.控制灌溉條件下水稻蒸發(fā)蒸騰量及作物系數(shù)試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2006,34(3):239-242.(DING Jiali,PENG Shizhang,XU Junzeng,et al.Experimental study on evapotranspiration and crop coefficient of rice under controlled irrigation[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2006,34(3):239-242.(in Chinese))

[6]張瑞美,彭世彰,徐俊增,等.不同ea計(jì)算方法對(duì)Penman-Monteith公式的影響[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006, 34(6):660-663.(ZHANG Ruimei,PENG Shizhang,XU Junzeng,et al.Influence ofeaon calculation of reference crop evapotranspiration with Penman-Monteith formula[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2006,34(6):660-663.(in Chinese))

[7]丁加麗,彭世彰,徐俊增,等.基于溫度資料的參考作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算方法[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007, 35(6):633-637.(DING Jiali,PENG Shizhang,XU Junzeng,et al.Calculation method for reference crop evaportranspirationbased on temperature data[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2007,35(6):633-637.(in Chinese))

[8]張莉,彭世彰,羅玉峰,等.輻射參數(shù)計(jì)算方法對(duì)參考作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算值的影響[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2008,36(3):306-310.(ZHANG Li,PENG Shizhang,LUO Yufeng,et al.Influence of calculation methods for radiation parameters on the calculated reference crop evapotranspiration[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2008,36(3): 306-310.(in Chinese))

[9]龐桂斌,彭世彰,丁加麗,等.南方氣候區(qū)草坪草需水規(guī)律試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,37(2): 143-146.(PANG Guibin,PENG Shizhang,DING Jiali,et al.Evapotranspiration from turfgrass under south China climate conditions[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2009,37(2):143-146.(in Chinese))

[10]倪廣恒,李新紅,叢振濤,等.中國(guó)參考作物騰發(fā)量時(shí)空變化特性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(5):1-4.(NI Guangheng,LI Xinhong,CONG Zhentao,et al.Temporal and spatial characteristics of reference evapotranspiration in China [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2006,22(5):1-4.(in Chinese))

[11]曾麗紅,宋開(kāi)山,張柏,等.近60年來(lái)東北地區(qū)參考作物蒸散量時(shí)空變化[J].水科學(xué)進(jìn)展,2010,21(3):194-200.(ZENG Lihong,SONG Kaishan,ZHANG Bai,et al.Spatiotemporal variability of reference evapotranspiration over the northeast region of China in the last 60 years[J].Advances in Water Science,2010,21(3):194-200.(in Chinese))

[12]蔡輝藝,余鐘波,楊傳國(guó),等.淮河流域參考蒸散發(fā)量變化分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,40(1):76-82.(CAI Huiyi,YU Zhongbo,YANG Chuanguo,et al.Analysis of variation of reference evapotranspiration in Huaihe Basin[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2012,40(1):76-82.(in Chinese))

[13]段春鋒,繆啟龍,曹雯,等.西北地區(qū)小型蒸發(fā)皿資料估算參考作物蒸散[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(4):94-99.(DUAN Chunfeng,MIAO Qilong,CAO Wen,et al.Estimation of reference crop evapotranspiration by Chinese pan evaporation in Northwest China[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2012,28(4):94-99.(in Chinese))

[14]樊軍,王全九,郝明德.利用小蒸發(fā)皿觀測(cè)資料確定參考作物蒸散量方法研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(7):14-17.(FAN Jun,WANG Quanjiu,HAO Mingde.Estimation of reference crop evapotranspiration by Chinese pan[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2006,22(7):14-17.(in Chinese))

[15]李志.參考作物蒸散簡(jiǎn)易估算方法在黃土高原的適用性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(6):106-111.(LI Zhi.Applicability of simple estimating method for reference crop evapotranspiration in Loess Plateau[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2012,28(6):106-111.(in Chinese ))

Application of CRU dataset to calculation of ET0of Heilongjiang Province

QI Ying1,2,WANG Bin2,HUANG Jinbai3,LI Xinhu4,SHI Fengzhi4
(1.College of Forestry,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China; 2.College of Water Conservancy and Building Engineering,Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China; 3.College of Hydraulic,Energy and Power Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China; 4.Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi830011,China)

In the calculation of reference crop evapotranspiration(ET0)in China,meteorological data are difficult to access,and there is a low spatial resolution of the data on crop water requirements.To solve these problems,a grid computing model forET0was developed using the FAO Penman-Monteith equation in a case study in Heilongjiang Province.A dataset of CRU(climatic research unit)CL 2.0 with a resolution of 10 minutes was used to construct the model.This model was validated with observed meteorological data from 14 meteorological stations in Heilongjiang Province.The results show that the performance of the model is acceptable.TheET0calculated with the model agreed with that calculated using observed meteorological data.Results from the present research not only help refine the research results ofET0and crop water requirements in China,but also provide an innovative model for calculatingET0in regions lacking meteorological data.

reference crop evapotranspiration;CRU dataset;grid computing model;Heilongjiang Province

S161.4

:A

:1000-1980(2014)04-0367-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.04.016

2013-03 25

國(guó)家自然科學(xué)基金(51009026,41271046);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12531024)

戚穎(1979—),女,山東威海人,講師,博士研究生,主要從事水土保持及生態(tài)安全研究。E-mail:angelying79@163.com

王斌,副教授。E-mail:wangbin0454@163.com