CRU数据集在黑龙江省ET0计算中的应用

戚 颖王 斌黄金柏李新虎施枫芝

(1.东北林业大学林学院,黑龙江哈尔滨 150040;2.东北农业大学水利与建筑学院,黑龙江哈尔滨 150030; 3.扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州 225009;4.中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆乌鲁木齐 830011)

CRU数据集在黑龙江省ET0计算中的应用

戚 颖1,2,王 斌2,黄金柏3,李新虎4,施枫芝4

(1.东北林业大学林学院,黑龙江哈尔滨 150040;2.东北农业大学水利与建筑学院,黑龙江哈尔滨 150030; 3.扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州 225009;4.中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆乌鲁木齐 830011)

针对我国参考作物蒸发蒸腾量(ET0)计算中存在的气象数据不易获取、现有作物需水量数据空间分辨率较低等问题,以黑龙江省为例,基于10 min分辨率的CRU CL 2.0数据集,采用FAO Penman-Monteith公式建立了适于计算区域ET0的栅格模型,并应用黑龙江省14个气象站的实测气象数据对该模型计算成果进行了验证。结果表明:采用CRU CL 2.0数据计算区域ET0是可行的,其计算结果与应用实测气象数据计算所得的ET0符合较好,不仅可以细化我国ET0和作物需水量研究成果,也为气象资料缺乏情况下的ET0计算供了一种新的计算模式。

参考作物蒸发蒸腾量;CRU数据集;栅格计算模型;黑龙江省

国内外广泛采用作物系数修正参考作物蒸发蒸腾量(ET0)的方法间接推求作物需水量[1-4],ET0多采用FAO Penman-Monteith(FAO P-M)公式计算[4-15]。20世纪80年代,我国曾动员200多个试验站和近千名人员历时8年完成了中国主要农作物需水量等值线图协作研究工作,但由于受站点数量限制,所得作物需水量的空间分辨率不高,如在黑龙江省仅有17个站点控制和反映ET0及作物需水量的空间变异情况。研究表明,作物系数在空间上的变化不大,而ET0在空间上的变化较大,对作物需水量的影响也比作物系数大得多[1]。因此,提高作物需水量空间分辨率的关键在于能否计算出高分辨率的ET0。研究和应用ET0往往需要多年多点的大量气象数据[10-15],获取数据一般需履行出具证明、会员注册及审核、签署协议等一系列程序,对于科研和实践而言不太方便。笔者采用CRU CL 2.0数据集的部分数据,基于FAO P-M公式[3]建立ET0栅格计算模型,以期为计算较高分辨率的ET0提供一种简易方法。

1 数据来源

CRU CL 2.0数据集基于国际交换站提供的气象资料建立,覆盖了全球陆地,空间分辨率为10 min,在时间上跨越1961—1990年,可从http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/hrg/tmc/免费获取。以黑龙江省为例,选用的CRU CL 2.0数据(包括高程、平均气温、气温日较差平均值、相对湿度、实际日照时数占最大可能日照时数的百分数、10 m风速),图1即是从该数据集中提取的黑龙江省DEM及7月份平均气温栅格数据(共计1960个),其他月份的各种气象数据格式与图1(b)完全相同。

另外,在黑龙江省选取参加地面气候资料国际交换的14个气象站作为验证点,采用的数据为1961—1990年的逐日最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、风速和日照时数,这些数据及站点信息来自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)。

2 ET0计算方法

采用FAO P-M公式[3]计算14个气象站逐日ET0,并将逐日ET0统计为30a的ET0月份平均值。与气象站的单点ET0计算不同,应用CRU CL 2.0的6种数据,采用FAO P-M公式建立ET0栅格计算模型时部分变量计算如下:

式中:i、j——栅格在区域中的行标记和列标记;Tmaxi,j——栅格的最高气温,℃;Tmini,j——栅格的最低气温,℃;Ti,j——栅格平均气温,℃;Δti,j——栅格的气温日较差平均值,℃。

由于每行栅格中心线所处的纬度相同,将此纬度作为该行所有栅格的纬度:

式中:φi——第i行栅格的纬度,rad;φtop——计算区域上边界的纬度;0.166667——10 min对应的角度,(°); 0.5——栅格中心标记。

式中:ni,j——栅格的实际日照时数,h;psuni,j——实际日照时数占最大可能日照时数的比例,%;Ni——第i行栅格的最大可能日照时数,h。

此外,在栅格空间尺度,参考文献[3]对各种变量计算方法的规定,实际水汽压应用相对湿度、最高气温和最低气温数据计算,日序数、土壤热通量采用月份公式计算,计算气压、晴空太阳辐射等所需的高程数据用DEM数据代替,2 m高处风速由10 m高处风速转换得到。

3 计算结果分析

限于篇幅,仅给出栅格计算模型在7月份的计算成果,见图2。根据气象站地理坐标,从区域ET0计算成果中提取的各气象站月份ET0见表1,应用实测气象数据计算得到的各气象站各月份ET0见表2,采用相对误差评价应用栅格计算模型和CRU CL 2.0数据得到的ET0计算精度见表3。

相对误差计算公式如下:

式中:δRE——相对误差,%;ET0,CRU——采用栅格计算模型和 CRU CL 2.0数据得到的各月ET0,mm·d-1;ET0,OMD——采用P-M公式和实测气象数据得到的各月ET0,mm·d-1。

由表1、表2及表3可以看出,应用栅格计算模型和CRU CL 2.0数据计算的ET0与采用FAO P-M公式和实测气象数据得到的ET0值总体较接近,相对误差较大的月份集中在ET0数值较小的冬季(11月、12月、1—3月);另经统计,表3数据中分别有58.3%、85.7%、94.6%的相对误差在10%、20%、30%以内,这表明采用栅格计算模型和CRU CL 2.0气象数据计算区域ET0是可行的,能够满足实践要求。

4 结 论

a.采用栅格计算模型和易获取的CRU CL 2.0数据计算区域ET0是可行的,所得ET0的空间分辨率能够达到10 min,计算精度较高,为气象数据缺乏情况下的ET0计算提供了一种简易适用的方法。

b.由于CRU CL 2.0数据集覆盖全球陆地,采用ET0栅格计算模型不仅能够计算黑龙江省全境1960个栅格的ET0,还可推广应用于计算全国的ET0,从而细化和丰富我国农作物需水量研究成果。

c.我国实际布设的气象台站规模远大于参加地面气候资料国际交换站的数目,若能构建与CRU CL 2.0类似的气象数据集,其分辨率和插值精度必将高于CRU CL 2.0数据集,这样本文模型不需更改结构即可实现更高分辨率的ET0计算。

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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

国家自然科学基金(51009026,41271046);黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531024)

戚颖(1979—),女,山东威海人,讲师,博士研究生,主要从事水土保持及生态安全研究。E-mail:angelying79@163.com

王斌,副教授。E-mail:wangbin0454@163.com