CRU數(shù)據(jù)集在黑龍江省ET0計算中的應(yīng)用

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.揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院,江蘇揚州 225009;4.中國科學(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.揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院,江蘇揚州 225009;4.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,新疆烏魯木齊 830011)

針對我國參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)計算中存在的氣象數(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公式建立了適于計算區(qū)域ET0的柵格模型,并應(yīng)用黑龍江省14個氣象站的實測氣象數(shù)據(jù)對該模型計算成果進行了驗證。結(jié)果表明:采用CRU CL 2.0數(shù)據(jù)計算區(qū)域ET0是可行的,其計算結(jié)果與應(yīng)用實測氣象數(shù)據(jù)計算所得的ET0符合較好,不僅可以細化我國ET0和作物需水量研究成果,也為氣象資料缺乏情況下的ET0計算供了一種新的計算模式。

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

國內(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)公式計算[4-15]。20世紀(jì)80年代,我國曾動員200多個試驗站和近千名人員歷時8年完成了中國主要農(nóng)作物需水量等值線圖協(xié)作研究工作,但由于受站點數(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個站點控制和反映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)鍵在于能否計算出高分辨率的ET0。研究和應(yīng)用ET0往往需要多年多點的大量氣象數(shù)據(jù)[10-15],獲取數(shù)據(jù)一般需履行出具證明、會員注冊及審核、簽署協(xié)議等一系列程序,對于科研和實踐而言不太方便。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柵格計算模型,以期為計算較高分辨率的ET0提供一種簡易方法。

1 數(shù)據(jù)來源

CRU CL 2.0數(shù)據(jù)集基于國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,在時間上跨越1961—1990年,可從http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/hrg/tmc/免費獲取。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、相對濕度、實際日照時數(shù)占最大可能日照時數(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1960個),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際交換的14個氣象站作為驗證點,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、相對濕度、風(fēng)速和日照時數(shù),這些數(shù)據(jù)及站點信息來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)。

2 ET0計算方法

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

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——計算區(qū)域上邊界的緯度;0.166667——10 min對應(yīng)的角度,(°); 0.5——柵格中心標(biāo)記。

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

此外,在柵格空間尺度,參考文獻[3]對各種變量計算方法的規(guī)定,實際水汽壓應(yīng)用相對濕度、最高氣溫和最低氣溫數(shù)據(jù)計算,日序數(shù)、土壤熱通量采用月份公式計算,計算氣壓、晴空太陽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 計算結(jié)果分析

限于篇幅,僅給出柵格計算模型在7月份的計算成果,見圖2。根據(jù)氣象站地理坐標(biāo),從區(qū)域ET0計算成果中提取的各氣象站月份ET0見表1,應(yīng)用實測氣象數(shù)據(jù)計算得到的各氣象站各月份ET0見表2,采用相對誤差評價應(yīng)用柵格計算模型和CRU CL 2.0數(shù)據(jù)得到的ET0計算精度見表3。

相對誤差計算公式如下:

式中:δRE——相對誤差,%;ET0,CRU——采用柵格計算模型和 CRU CL 2.0數(shù)據(jù)得到的各月ET0,mm·d-1;ET0,OMD——采用P-M公式和實測氣象數(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)用柵格計算模型和CRU CL 2.0數(shù)據(jù)計算的ET0與采用FAO P-M公式和實測氣象數(shù)據(jù)得到的ET0值總體較接近,相對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,表3數(shù)據(jù)中分別有58.3%、85.7%、94.6%的相對誤差在10%、20%、30%以內(nèi),這表明采用柵格計算模型和CRU CL 2.0氣象數(shù)據(jù)計算區(qū)域ET0是可行的,能夠滿足實踐要求。

4 結(jié) 論

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

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

c.我國實際布設(shè)的氣象臺站規(guī)模遠大于參加地面氣候資料國際交換站的數(shù)目,若能構(gòu)建與CRU CL 2.0類似的氣象數(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)即可實現(xiàn)更高分辨率的ET0計算。

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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