逐日降水量的模擬及其在作物氣候風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用

1、逐日降水量的模擬及其在作物氣候風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用0T2I|眭no-uu.ulu舢nn華北農(nóng)?2006.21(增刊):206.2I2逐日降水量的模擬及其在作物氣候風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用廖要明1,2,潘學(xué)標(biāo),張強(qiáng)2,陳德亮,2,4(1.中國氣象局國家氣候中心,北京100081;2.中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室,北京100081;3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京100094;4.哥德堡大學(xué)地球科學(xué)中心,瑞典)摘要:利用天氣發(fā)生器(NCC/RCG-WG)模擬了安陽2OO年的逐日降水序列,并通過對(duì)模擬結(jié)果與196120210年實(shí)測(cè)資料的比照分析說明,模擬結(jié)果的均值及概率分布與實(shí)際值接近,可用于進(jìn)一步對(duì)降水資

2、源與風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析.對(duì)棉花與降水關(guān)系的分析說明,華北地區(qū)棉花生長季降水滿足程度較高,平均能滿足棉花生長需要.生育初期的6月干旱出現(xiàn)的機(jī)率大,7月和8月水分滿足程度高但也有少數(shù)年份會(huì)出現(xiàn)干旱或者澇漬,9月和1O月以干旱為主.對(duì)于小麥生產(chǎn),華北地區(qū)降水規(guī)律與小麥需求不匹配,除1O月和l1月根本能夠滿足外,其余各月均不能滿足需要,且缺水嚴(yán)重,生長季降水只能滿足小麥需水量的1/3,生長關(guān)鍵期的4月和5月的降水量只能滿足需水量的20%一25%.華北地區(qū)的小麥生產(chǎn)生長季缺水,按目前的播種面積,華北地區(qū)小麥生長季年均麥田缺水300億m3以上.關(guān)鍵詞:天氣發(fā)生器;降水量;作物生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn);棉花;小麥中圍分類號(hào):S1

3、6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10007091(20o6)增刊一020607DailyPrecipitationSimulationandItsApplicationonCropProductionClimateRiskAnalysisLIAOYaoheatgrowthduringwingseasonexceptOctoberandNovember,andtheprecipitationisonlysupplyonethirdofrequiringwaterduringgrowingseasonand20%to30%inkeyperiodAprilandMay.Thewaterisusuallys

4、hortageduringgrowthseasoninNorthChina.Accordingtoareain2003.thewaterofwheatfieldisshortageofmorethan30billionm3duringgrowthseasoninNorthChina.Keywords:Weathergenerator;Precipitation;Cropproductionrisk;Cotton;Wheat氣候條件對(duì)作物生產(chǎn)有很大的影響,其中降水是重要的因子之一.時(shí)段降水量,降水強(qiáng)度通過影響農(nóng)田水分平衡以及機(jī)械作用影響到作物的生長,降水缺乏而又缺少灌溉時(shí)可導(dǎo)致作物萎蔫甚至死收稿

5、日期:2OO6一o4一10基金工程:國家自然科學(xué)基金資助工程(40575057,30170535);瑞典STINT基金會(huì)資助工程作者筒介:廖要明(1972一),男,胡南邵陽人.碩士,工程師.主要從事降尺度技術(shù)和農(nóng)業(yè)氣候影響評(píng)價(jià)等科研,業(yè)務(wù)工作.一-T-!蘭竺:蘭!.!查蘭苧竺蘭!.竺墨竺坌!竺些!:2:髭%雒增刊亡,過大的降水也會(huì)使作物受漬害.即使時(shí)段降水量相近,降水強(qiáng)度及分布不同也會(huì)對(duì)作物生產(chǎn)有不同的影響,例如棉花開花期間大雨可導(dǎo)致棉花花藥破裂不能完成授粉.因此在對(duì)未來氣候進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),需要考慮日降水量的大小.中長期天氣預(yù)報(bào)可預(yù)測(cè)降水趨勢(shì)甚至?xí)r段降水量,但常常難以進(jìn)行較準(zhǔn)確的日降水量預(yù)報(bào),天氣

6、發(fā)生器成為獲得過去和未來逐日降水量的重要方式【1_2J.對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說,由于處于露天條件下,作物不僅生活在可適應(yīng)的環(huán)境中,也常會(huì)存在受不利氣候影響的風(fēng)險(xiǎn),這種風(fēng)險(xiǎn)率需要利用長序列的資料進(jìn)行分析才能得到.實(shí)測(cè)氣候資料常常有缺測(cè)和資料長度太短等問題,影響了研究的效果,而天氣發(fā)生器正是解決這一問題的有效工具,它能提供任意時(shí)間長度的在統(tǒng)計(jì)意義上與實(shí)測(cè)資料較為一致的逐日資料.由國家氣候中心與瑞典哥德堡大學(xué)聯(lián)合研究開發(fā)的天氣發(fā)生器(NCC/RCG.wc)可以對(duì)中國600多個(gè)站點(diǎn)的逐日降水量,最高氣溫,最低氣溫和日照時(shí)數(shù)等進(jìn)行任意時(shí)間長度的隨機(jī)模擬J,本文利用該模型模擬了華北地區(qū)主要?dú)庀笳?00年的逐日降

7、水量,以進(jìn)行降水對(duì)棉花,小麥等農(nóng)作物生產(chǎn)的氣候風(fēng)險(xiǎn)分析研究.1材料和方法利用天氣發(fā)生器(NCC/RCG-WG)模擬生成200年的華北主要?dú)庀笳镜闹鹑战邓Y料.利用其中的安陽站200年逐日降水量模擬值為例,與安陽氣象站19612000年實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行比擬分析.利用模擬的安陽站200年逐日降水量,采用氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行棉花和小麥生產(chǎn)的降水量氣候適宜性與風(fēng)險(xiǎn)分析.2結(jié)果與分析2.1模擬值與歷史值比擬2.1.1平均總降水量比擬對(duì)模擬的200年逐日降水量進(jìn)行平均,與19612000年4o年的平均降水量進(jìn)行比擬,二者差異不大,其中年降水量模擬值高3.4%,除6月份模擬值高出7.6tm,誤差大于10%b,其

8、他各月誤差都小于10%(表1),有較好的可比性.但模擬的月和年降水量均方差和變異系數(shù)小于實(shí)際值,說明模擬出的降水量處于歷史的范圍內(nèi),且變幅較小.表1安陽站200年模擬值與1961至200O年鐘年實(shí)際值多年平均與方差及變異系數(shù)比擬Tab.1Precipitationmeansquareerrorandvariancecompm-esofsimulationandactualvalueatAnyanlg從年降水量保證翠曲線圖(圖1)比擬可知,二者的年降水量保證率曲線相近,特別是500700tm之間更為接近.模擬的年降水量范圍為3281017.5lm,196120o0年的年降水量為271.91182

9、tm,模擬值在高值端比實(shí)值低,在低值端比實(shí)值稍高,也反映出模擬值根本上處于實(shí)值范圍內(nèi),變幅和方差比實(shí)值小.2.1.2逐日降水量比擬模擬的安陽降水量與實(shí)際降水量日平均值有相同的分布模式,年變化為單峰形,一般日降水量較大的日期在日序180240之間,即在7月和8月內(nèi)(圖2).模擬值變幅比實(shí)值大一些.在各日降水的最大值中模擬值與實(shí)測(cè)值也較相近,盡管由于天氣發(fā)生器的特點(diǎn)使得出現(xiàn)的日期沒有完全吻合,但根本趨勢(shì)是可信的(圖3).最大lI208蛆ICUUU_-l華北農(nóng)IIEU-IUlID-一2l卷日降水量200咖以上各出現(xiàn)2次,模擬值出現(xiàn)略偏晚.實(shí)際和模擬的日最大降水量140rills以上分別出現(xiàn)7次和8次

10、,1oor姍以上分別出現(xiàn)14次和19i,?次,大局部集中在7,8月內(nèi).咖O.咖O.20o0.4000.60oO.80o10.00012.000降水量保證率AasuranccratioofprecipJiration田1安陽站模擬與實(shí)測(cè)年降水保證率曲線比擬Fig.1ComparisonofsimulationandactualprecipitationprobabilityatAnyang-魯垂日序DayIlUlOr田2模擬與實(shí)測(cè)的安陽站日平均降水量比擬.2ComparisonofsimulationandactualdaffymeallpredpitatlonatAnyang050100150

11、20o2503003504OO日序Daynumber圍3模擬與實(shí)測(cè)的安陽站日最大降水量比擬Fig.3Comparisonofsimulationandactualdailym囊】dm岫precipitationatAnyang2.1.3不同降水強(qiáng)度出現(xiàn)日數(shù)與頻率比擬日降水量反映水分的有效程度和適宜程度.模擬的安陽全年有雨日數(shù)與實(shí)際值相差不到2d,5mln以上的降水量日數(shù)也與實(shí)際相近,差異在5d以下,而中雨以上的天數(shù)只相差1.2d,大雨出現(xiàn)的天數(shù)誤差在1d以內(nèi),年平均56d(表2).說明該天氣發(fā)生器可以較好地反映一年中不同降水強(qiáng)度出現(xiàn)的實(shí)際情況.模擬的一年中各日的降水機(jī)率與實(shí)測(cè)相比,有相同的變化

12、趨勢(shì),其中大于10Into的中雨以上降水日數(shù)和大于25rain的大雨以上降水日數(shù)二者較為接近,模擬的50mln以上的暴雨日數(shù)出現(xiàn)的機(jī)率與實(shí)測(cè)值稍偏小,而模擬的有降水日出現(xiàn)的機(jī)率與實(shí)測(cè)值根本致(圖4).表2安陽站實(shí)測(cè)(4o年)和模擬(200年)的不同等級(jí)降水量出現(xiàn)日數(shù)比擬Tab.2ComparisonofsimulationandactualdaysofdifferentprecipitationgradesatAnyang2.2模擬降水對(duì)棉花生產(chǎn)的影響2.2.1降水量滿足程度分析在華北地區(qū),棉花生長季耗水量約500650r姍,其中5月2370r姍,6月7O一90r姍,7月和8月各120140r

13、ills,9月和1O月各為9or姍.據(jù)產(chǎn)量豐歉年型分析,安陽有利于棉花生產(chǎn)的降水量為6月大于50rills,8月在100150rain之間,l0月大于4or姍L5J.對(duì)于模擬的5月降水,降水量大于23rain的概率為74%,其中大于70rills的水分偏多概率為11.5%,說明安陽5月份水分缺乏約4年一遇.對(duì)于6月,降水量在70rills以上的保證率只有32.5%,而90rills以上為18.5%,有約56%的年份降水量在50rain以上.說明6月3年中有2年自然降水根本上不能滿足棉花生產(chǎn)需要,一半左右的年份會(huì)影響到卯卯O322l1暑_町ldl.q暑d口目一璺目口*世喇皿_魯皇dl盆墨,昌【y

14、¶刪*矬廿一0T!蘭竺!蘭!蘭蘭竺蘭蘭苧生竺苧竺竺塹!竺皇苧!韶黜籃增刊產(chǎn)量,5年中有一年降水偏多.7月降水量78.5%的年份在120m/n以上,63%的年份在140rain以上,說明7月水分大局部年份能滿足需求,甚至過多,降水量在100150into之間的降水適量年份只有26%,而降水量多于150rain的頻率到達(dá)59%,30%以上的年份降水量多于200into,有夏澇的風(fēng)險(xiǎn).但7月也有40%的年份降水量缺乏100mm,出現(xiàn)干旱.8月降水量51%的年份在120rain以上,43%的年份在140mm以上,說明8月降水有一半的年份基本能滿足需求,而降水量在100150lI1IIl之間的

15、降水適量年份只有28%,降水量多于150into的頻率到達(dá)37%,其中15%以上的年份降水量多于200rain.但也有35%的年份降水量缺乏100rain,水分缺乏以維持當(dāng)月的棉田水分平衡.9月和10月的月降水量到達(dá)90into的年數(shù)分別只有l(wèi)7.5%和4%,10月降水到達(dá)40mitt的頻率也只有36%,說明此時(shí)的降水大多數(shù)年份不能維持棉田的正常水分供應(yīng),需要利用雨季的剩余水分或灌溉,否那么土壤中所貯存的水分月末要比月初明顯減少.萋宣數(shù)數(shù)靜罨lIll圍4一年中各日模擬和實(shí)測(cè)的不同等級(jí)降水日出現(xiàn)的機(jī)率tag.4Comparisonofsimulationandii:uslrainydayprob

16、abilityofdifferentprecipitationgradeatAnyangd0善蠱累積率Cumulatiuefrequency圖5模擬不同月份降水量的保證率曲線啦.5Probability帆ofshnulatedmonthlyprecipitationatAnyangO5O5O50322lOOOOQnnnn掃漕喝,q上-T-!曼j埔.aE.210華北農(nóng)_-哪U-|IRIC.-.:.:.2l卷在410月的生長季中,模擬的平均降水量為533ITIITI.比40年平均值516mn2多3.3%;降水量變率23%,比實(shí)際觀測(cè)值35%低.從模擬的平均降水狀況看,生長季降水量平均能滿足棉花生產(chǎn)

17、的需要,不需要灌溉.在500mn2以上的保證率為58%,其中在500650mn2之間的頻率為44%,說明生長季降水有約一半的年份是適宜的.400mn2以上的保證率為86%.700mn2以上約占10%,說明有少數(shù)年份水分過多,而只有少數(shù)水分嚴(yán)重缺乏的年份需要灌溉,這種年型只占1/6(圖6).Cumulaffveequency累積?率圖6棉花生長季.410月的降水量保證率曲線Fig.6ProbabUitycurveofsimulatedprecipitationfromApriltoOctoberatAnyang2.2.2棉花生產(chǎn)中的降水風(fēng)險(xiǎn)分析棉花是較耐旱的作物,在生產(chǎn)過程中,盡管時(shí)段降水量與需

18、水量不完全匹配,棉花也能正常生長,主要是由于土壤水庫的存在起到緩沖作用.但如果由于降水持續(xù)偏少致使土壤水分虧缺或降水過多使土壤飽和,會(huì)對(duì)棉花生長造成傷害.此外,開花期遇到大雨特別暴雨過程還會(huì)導(dǎo)致蕾鈴脫落.對(duì)于以安陽為代表的華北地區(qū),5月和6月,特別是6月,棉花遇到干旱的機(jī)率較大,而7月和8月多雨的機(jī)率較大,9月與lO月也以干旱為主.棉花開花時(shí)期的78月,平均出現(xiàn)大雨以上的降水3.8次,暴雨以上的降水1.2次,且變率大(表3).其間出現(xiàn)1次以上大雨機(jī)率到達(dá)98%,4次以上大雨占1/2以上(54%),5次大雨占1/3以上(35%);近2/3的年份有一次暴雨(66%),1/3的年份有2次暴雨(3l%

19、);有10%的年份有一次大暴雨,l%的年份有2次(圖7).大雨以上的次數(shù)多會(huì)導(dǎo)致落花落蕾而減產(chǎn),安陽由于大強(qiáng)度降水多造成減產(chǎn)的機(jī)率較大.此外因雨季土壤水分已較多,再出現(xiàn)暴雨特別是大暴雨時(shí)易因排水不暢棉田土壤水分到達(dá)飽和造成漬害,導(dǎo)致棉株萎蔫死亡.表3模擬的安陽7月和8月不同等級(jí)降水日數(shù)分析Tab.3AnalysesofsimulateddaysofdailyprecipitationgradefromjulytoAugustatAnyang帕l0Oa0啊1¨Y.【|.I-言v咖*進(jìn)吾甘增刊廖要明等連日降水量的模擬置其在作物氣徭風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用區(qū)有瑞雪兆豐年之說,冬季雨雪多的年份有益于

20、提高小麥所需水分的當(dāng)季滿足程度.2月降水量在到達(dá)35mm才能滿足小麥生長需要,實(shí)際觀測(cè)中有5%的年份能夠到達(dá),而模擬的2月總降水量只有一年能到達(dá),也說明2月的自然降水難于滿足.3月小麥需水量約6omm,也只有1年能滿足,滿足其50%(30mm)的年份也只有18%.4月小麥生長需要140mm水分,模擬的降水量沒有一年超過這個(gè),i,-,d0善圣喜皇量,只有1%的年份到達(dá)所需水量的一半,平均月降水量為28ITLrn,只滿足20%.5月模擬的降水景也沒有出現(xiàn)到達(dá)小麥生長所需的16omm降水量,到達(dá)其一半的機(jī)率只有3%,平均值月降水39.6ITLr,只能滿足月需水量的25%.說明華北地區(qū)小麥生長季降水明

21、顯缺乏,需要在生長季中灌溉或播種前集聚較多的水分供生產(chǎn)需要(圖8).累積頻率一CumulativefrcquenlyCumulativefrequenly圍8小麥生長季不同月份降水保證率圖Fig.8ProbabmtycurveofsimulatedmonthlyprecipitationdmlngwheatgrowthseasonatAnyang.累積頻率Cumulativelueney圍9小麥生長季降水保證率圖Fig.9ProbabilityGFveofsimulatedtotalprecipitationdIlrigwheatgrowthseason(fromOctobertoMay)at

22、Anyang模擬的安陽105月的總降水量為159mm,降水量變率為29%,均值與1961年至2000年的實(shí)測(cè)平均值154ran1值相近,比實(shí)際變率36%略低.生長季降水量平均只能滿足小麥生產(chǎn)需水量的1/3.從圖9可見,華北地區(qū)小麥生長季自然降水沒有年能滿足小麥高產(chǎn)栽培的需要.即使可以使用播種前土壤水分200mm,按105月需水量460mm計(jì),也只有3%左右的年份能夠滿足.由于收麥后還要種植玉米等作物,不能全部利用盡土壤水分.如果利用播種前100mm水分,灌溉200mm,有約55%的年份水分供給能到達(dá)小麥生長需水量.如果要80%的年份滿足小麥水分供給,除生長季降水全部保存在麥田中外,還需要通過播

23、種前土壤水和灌溉補(bǔ)水340mm.最干旱的年份完全滿足那么需要灌溉400mm.安陽5月遇大雨的機(jī)率為l8%,約五年一遇.一方面大雨可帶來充足的降水,有利于緩解供水不足,但如果在成熟期降水也會(huì)影響收獲,造成損失.3討論用天氣發(fā)生器對(duì)逐日降水量進(jìn)行模擬,增加了樣本序列,有利于提高結(jié)果在統(tǒng)計(jì)意義上的可靠性,加強(qiáng)對(duì)降水資源及其影響進(jìn)行的綜合分析.華北地區(qū)降水量主要集中在夏季,所以夏季生長的秋收作物水分適宜程度較高,春作物自然降水適宜程度低.根據(jù)降水規(guī)律,對(duì)于棉花,播種后的2個(gè)多月內(nèi)自然降水常常是難以滿足需要的,有條件應(yīng)在播種前充分灌溉,使土壤體積含水量到達(dá)20%以上,以維持雨季前的水分需求.但從節(jié)水角度看,可通過淺灌溉或滴灌,帶水播種,促進(jìn)棉花出苗.因苗期需水量不大,表層水分和降水根本上能滿足需要.但6月缺水較多,可通過滴灌或淺灌接墑,防止蕾期干旱造成蕾脫落,騰出土壤庫容,迎接雨季降水.78月自然降水常常有余,只是因降水時(shí)間集中可能導(dǎo)致水量徑流損失,同時(shí)也可能出現(xiàn)長期無雨降水集中導(dǎo)致的旱澇交替的情況.對(duì)于冬小麥,水分常常是缺乏的,不補(bǔ)水難以獲得高產(chǎn).2003年度京津冀魯豫五省市共有冬小麥1021.5萬hm2,玉米748.2萬hm2【,為到達(dá)土壤水分平衡和高產(chǎn),小麥生長季平均需要增加用水300tT-一§mm0