婁利華

氣候變化條件下朝陽(yáng)市主要作物需水量預(yù)測(cè)

婁利華

（遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

基于CMIP5數(shù)據(jù)采用降尺度法得到了朝陽(yáng)市6個(gè)氣象站未來(lái)50年的氣象要素預(yù)測(cè)值，采用FAOPenman-Monteith公式計(jì)算了各站的參考作物騰發(fā)量，并利用作物需水量公式與典型作物系數(shù)值對(duì)氣候變化條件下朝陽(yáng)市的主要作物需水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為該地區(qū)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局與水資源配置提供科學(xué)依據(jù)。

氣候變化；作物需水量；參考作物騰發(fā)量；降尺度

1 目的與背景

光、溫、水等氣候因素對(duì)作物生長(zhǎng)起著決定性的作用，因此全球氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響很大［1］。研究全球氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)用水的影響規(guī)律，有助于保證種植業(yè)的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)與水資源的可持續(xù)利用［2］。氣候變化條件下作物生長(zhǎng)的改變必然引起作物耗水的改變，在此背景下若只采用傳統(tǒng)的靜態(tài)水資源配置與作物灌溉制度方案則可能造成作物減產(chǎn)與水資源浪費(fèi)，因此，預(yù)測(cè)氣候變化條件下的作物需水量，有助于從糧食安全與水資源可持續(xù)利用角度制定及時(shí)、正確、有力的行動(dòng)方案，提高用水節(jié)水的合理性［3］并更有效地應(yīng)對(duì)氣候變化［4］。

目前，作物需水量的常規(guī)研究方法是基于歷史或當(dāng)前數(shù)據(jù)估算過(guò)去與當(dāng)前的作物需水量、分析其演變與統(tǒng)計(jì)規(guī)律、再根據(jù)此種規(guī)律判斷未來(lái)的變化趨勢(shì)［5-6］。但是，在氣候變化條件下，作物需水規(guī)律可能發(fā)生改變，基于過(guò)去的規(guī)律來(lái)判斷未來(lái)的變化趨勢(shì)易引起較大的誤差［7］。本文從作物需水量的氣候影響因子與影響機(jī)理角度出發(fā)，采用CMIP5大氣環(huán)流模式的全球氣候變化預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、結(jié)合Quantile-Quantile降尺度方法得到研究區(qū)域各站未來(lái)50年的氣象因子數(shù)據(jù)，再以FAOPenman-Monteith公式為基礎(chǔ)、根據(jù)預(yù)測(cè)的氣象因子數(shù)據(jù)計(jì)算氣候變化條件下研究區(qū)域的主要作物需水量，為研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局與水資源配置提供科學(xué)依據(jù)。

2 預(yù)測(cè)方法

2.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)檫|寧省朝陽(yáng)市，該地區(qū)地處遼寧西部， 地理坐標(biāo)位于東經(jīng) 118°50′～121°17′， 北緯40°36′～42°22′之間。 地處冀、 蒙、 遼三?。▍^(qū)）交界處，東與遼寧省阜新市、錦州市為鄰，南與葫蘆島市接壤，西與河北省平泉、寬城、青龍三縣毗鄰，北與內(nèi)蒙古自治區(qū)的赤峰、通遼兩市相接。轄朝陽(yáng)、北票、凌源、建平、喀左五縣及朝陽(yáng)市區(qū)，東西跨度約165km，南北跨度約216km，邊界周長(zhǎng)約980km。位于北溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，日照充足，晝夜溫差較大，積溫高，輻射強(qiáng)，降水偏少。洪澇、干旱、冰雹、霜凍等災(zāi)害，常有不同程度發(fā)生。年平均氣溫5.5℃～8.9℃，年日照時(shí)數(shù)在2747～2947h之間，多年平均降水量482.8mm，夏季降水量約占年降水量的80%左右，易造成不同時(shí)段的干旱，無(wú)霜期除建平縣北部外為148～159d。春秋兩季多風(fēng)易旱，風(fēng)力一般2～3級(jí)，冬季盛行西北風(fēng)，風(fēng)力較強(qiáng)。

朝陽(yáng)市主要有凌源、北票、喀左、建平、朝陽(yáng)、羊山6個(gè)氣象站，因此以該6個(gè)站點(diǎn)為分析單元。在朝陽(yáng)地區(qū)，作物播種面積穩(wěn)定在0.67萬(wàn)畝以上的主要作物有小麥、玉米、谷子、高粱、大豆、土豆、棉花、葵花籽、甜菜等。目前，關(guān)于該地區(qū)氣候變化條件下主要作物需水量的預(yù)測(cè)基本沒(méi)有被報(bào)道過(guò)。

2.2 作物需水量估算方法

作物需水量可由參考作物騰發(fā)量與作物系數(shù)得到，具體的公式為：

式中，ETc—某種作物的需水量；Kc—某種作物的作物系數(shù)；ET0—某種作物的參考作物騰發(fā)量；作物系數(shù)—不同發(fā)育期中需水量與可能蒸散量之比值，可通過(guò)實(shí)測(cè)需水量與計(jì)算的潛在蒸發(fā)量之比來(lái)估算。由于研究區(qū)域目前沒(méi)有完整的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此采用 FAO56提供的典型作物系數(shù)值［8］，詳見(jiàn)表1。

表1 朝陽(yáng)市主要作物與其作物系數(shù)

參考作物騰發(fā)量的估算可采用不同的公式［9］，本文采用應(yīng)用最為廣泛的FAOPenman-Monteith公式：

式中，ET0—參考作物騰發(fā)量，mm/d；Rn—冠層表面凈輻射量，MJ/m2d；C—土壤熱通量，MJ/m2d；Δ—飽和水汽壓 -溫度關(guān)系曲線(xiàn)斜率；γ—濕度計(jì)常數(shù)（干濕球常數(shù)），kPa/°C；T—2m高度處日平均氣溫（℃）；u2—在地面以上 2m高處的風(fēng)速，m/s；es—空氣飽和水汽壓，kPa；ea—空氣實(shí)際水汽壓，kPa。

2.3 氣象因子變化預(yù)測(cè)

氣象因子變化的預(yù)測(cè)主要基于CMIP5（http：//cmip-pcmdi.llnl.gov/cmip5/）大氣環(huán)流模式的全球氣候變化預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集合了20多種主流的氣候模擬模型結(jié)果，可信度相對(duì)較高，在農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)境［10］等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。由于CMIP5數(shù)據(jù)的單元尺度大于縣域尺度，因此需進(jìn)行降尺度處理。降尺度采用 Quantile-Quantile法，其表達(dá)式為：

式中，XCORR—修正的氣象因子；FCCM和FOBS—大氣環(huán)流模擬與實(shí)測(cè)值的累積分布函數(shù)；XCCM—大氣環(huán)流模式的模擬值。

本文以1996～2015年為修正期，以朝陽(yáng)市各站在修正期內(nèi)的降水量為修正變量，各站實(shí)測(cè)值與最終模擬值的比較結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，CMIP5數(shù)據(jù)結(jié)合Quantile-Quantile法得到的模擬值與實(shí)測(cè)值的相差值均低于10%，滿(mǎn)足精度要求。

圖1 朝陽(yáng)市降水量實(shí)測(cè)值與模擬值

3 預(yù)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 參考作物騰發(fā)量現(xiàn)狀值

以1996～2015年為現(xiàn)狀年，基于公式（2）、根據(jù)朝陽(yáng)市各站的逐月氣象資料，計(jì)算得到各站的參考作物騰發(fā)量現(xiàn)狀值，結(jié)果如圖2所示。在時(shí)間分布方面，朝陽(yáng)市各站在1～12月的平均參考作物騰發(fā)量總結(jié)于表2中，由其可知，各月份中5月的參考作物騰發(fā)量最高，1月與12月最低。

表2 朝陽(yáng)市各月平均參考作物騰發(fā)量 單位：mm

在空間分布方面，朝陽(yáng)市各站的多年平均參考作物騰發(fā)量總結(jié)于表3中，由其可知，朝陽(yáng)市各站中，朝陽(yáng)縣的多年平均參考作物騰發(fā)量最高，建平縣最低。在現(xiàn)狀年階段，各站平均的年參考作物騰發(fā)量為1039mm。

表3 朝陽(yáng)市各站的多年平均參考作物騰發(fā)量 單位：mm

3.2 參考作物騰發(fā)量未來(lái)值

以2046～2056年為目標(biāo)年，基于公式（2）、根據(jù)朝陽(yáng)市各站50年后的逐月氣象資料預(yù)測(cè)值，計(jì)算得到各站的參考作物騰發(fā)量未來(lái)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 朝陽(yáng)市未來(lái)參考作物騰發(fā)量預(yù)測(cè)值

在時(shí)間分布方面，朝陽(yáng)市各站在1～12月的平均參考作物騰發(fā)量與相對(duì)現(xiàn)狀值的增幅分別總結(jié)于表4中。由表4數(shù)據(jù)可知，受氣候變化影響，相對(duì)于現(xiàn)狀值，朝陽(yáng)市50年后各月份的參考作物騰發(fā)量均呈上升趨勢(shì)，其中11月份上升幅度最大，3月份上升幅度最小。

在空間分布方面，朝陽(yáng)市各站在50年后的多年（2056～2065）平均參考作物騰發(fā)量與相對(duì)現(xiàn)狀年增幅總結(jié)于表5中，由其可知，相對(duì)于現(xiàn)狀值，朝陽(yáng)市50年后各站的參考作物騰發(fā)量均呈上升趨勢(shì)，其中建平升幅最大、凌源縣升幅最小。在50年后，各站平均的年參考作物騰發(fā)量為1155mm，相對(duì)于現(xiàn)狀年，升幅約為11.15%。

表5 朝陽(yáng)市未來(lái)各站多年平均參考作物騰發(fā)量與相對(duì)增幅

3.3 主要作物需水量

基于公式（1）、表（1）與預(yù)測(cè)的參考作物騰發(fā)量可計(jì)算氣候變化條件下朝陽(yáng)市的主要作物需水量。由于當(dāng)?shù)氐闹饕魑锷跒?～8月，因此選擇該時(shí)期為研究時(shí)間范圍，目標(biāo)年（50年后，即2046～2055年）作物主要生育期的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 氣候變化條件下朝陽(yáng)市主要作物需水量

在氣候變化條件下，未來(lái)朝陽(yáng)市主要作物的時(shí)空平均作物需水量分別總結(jié)與表6中，由其可知，棉花的作物需水量將相對(duì)最高，而甜菜最低。

表6 氣候變化條件下朝陽(yáng)市主要作物需水量時(shí)空平均值 單位：mm

在時(shí)間分布方面，朝陽(yáng)市5～8月各站平均的作物需水量分別為 201mm、186mm、161mm、140mm，即5月作物需水量最大，之后逐漸減少。在空間分布方面，朝陽(yáng)市凌源、北票、喀左、建平、朝陽(yáng)、羊山各站未來(lái)的主要作物生育期需水量分 別 為 172mm、 178mm、 169mm、 166mm、176mm、171mm，其中北票市最高，建平縣最低。

表4 朝陽(yáng)市未來(lái)各月平均參考作物騰發(fā)量與相對(duì)增幅

4 結(jié)語(yǔ)

以朝陽(yáng)市為例，采用CMIP5大氣環(huán)流模式數(shù)據(jù)、Quantile-Quantile降尺度方法和 FAOPenman-Monteith公式預(yù)測(cè)了氣候變化條件下的主要作物需水量。結(jié)果表明，在氣候變化條件下，朝陽(yáng)市各站的主要作物需水量在中長(zhǎng)期均呈上升趨勢(shì)；11月份上升幅度最大、可達(dá)16.67%，3月份上升幅度最小、為8.11%；在空間方面，建平縣升幅最大、為12.55%、凌源縣升幅最小、為8.94%。在分析的9種作物中，未來(lái)棉花的作物需水量最高、達(dá)186mm，甜菜最低、為155mm。本文成果可為研究區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展與水資源規(guī)劃提供參考，但由于人類(lèi)活動(dòng)與作物系數(shù)具有一定的不確定性，在具體應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤與校正。

［1］郝樹(shù)榮，俞方易，張展羽，等.氣候變化對(duì)南京主要作物需水量的影響［J］.水利水電科技進(jìn)展，2015，35（03）：25-29.

［2］叢振濤，姚本智，倪廣恒.SRA1B情景下中國(guó)主要作物需水預(yù)測(cè)［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2011，22（01）：38-43.

［3］叢梅梅.蓋州市項(xiàng)目區(qū)用水節(jié)水合理性分析［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2014（05）：23-25.

［4］曹廣月.以引黃入冀補(bǔ)淀工程為水源的農(nóng)作物灌溉制度設(shè)計(jì)——以衡水冀州市引黃灌溉工程為例［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2017 （03）：31-35.

［5］魏光輝.氣候變化情景下新疆車(chē)爾臣河流域 ET_0變化趨勢(shì)研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2016（05）：28-29.

［6］劉曉英，李玉中，郝衛(wèi)平.華北主要作物需水量近50年變化趨勢(shì)及原因［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（10）：155-159.

［7］唐紅霞.氣候變化對(duì)丹東市水資源安全的影響分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2017（05）：15-17.

［8］ Evapotranspiration， C.（1998）.GuidelinesforComputingCrop WaterRequirements.FAOIrrigationanddrainagepaper：56.

［9］陶國(guó)通，王景雷，南紀(jì)琴，等.基于溫度的作物需水量估算方法［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，25（07）：2019-2025.

［10］閆曉惠，陳新.計(jì)算流體力學(xué)在農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.南方農(nóng)業(yè)， （2015），9（15）：186-187.

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1008-1305（2017）05-0045-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.016

2017-08-16

婁利華（1982年—），女，工程師。