气候变化条件下朝阳市主要作物需水量预测

娄利华

气候变化条件下朝阳市主要作物需水量预测

娄利华

（辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000）

基于CMIP5数据采用降尺度法得到了朝阳市6个气象站未来50年的气象要素预测值，采用FAOPenman-Monteith公式计算了各站的参考作物腾发量，并利用作物需水量公式与典型作物系数值对气候变化条件下朝阳市的主要作物需水量进行了预测，为该地区的农业产业布局与水资源配置提供科学依据。

气候变化；作物需水量；参考作物腾发量；降尺度

1 目的与背景

光、温、水等气候因素对作物生长起着决定性的作用，因此全球气候变化对农业生产影响很大［1］。研究全球气候变化对农业生产与农业用水的影响规律，有助于保证种植业的高产稳产与水资源的可持续利用［2］。气候变化条件下作物生长的改变必然引起作物耗水的改变，在此背景下若只采用传统的静态水资源配置与作物灌溉制度方案则可能造成作物减产与水资源浪费，因此，预测气候变化条件下的作物需水量，有助于从粮食安全与水资源可持续利用角度制定及时、正确、有力的行动方案，提高用水节水的合理性［3］并更有效地应对气候变化［4］。

目前，作物需水量的常规研究方法是基于历史或当前数据估算过去与当前的作物需水量、分析其演变与统计规律、再根据此种规律判断未来的变化趋势［5-6］。但是，在气候变化条件下，作物需水规律可能发生改变，基于过去的规律来判断未来的变化趋势易引起较大的误差［7］。本文从作物需水量的气候影响因子与影响机理角度出发，采用CMIP5大气环流模式的全球气候变化预测数据、结合Quantile-Quantile降尺度方法得到研究区域各站未来50年的气象因子数据，再以FAOPenman-Monteith公式为基础、根据预测的气象因子数据计算气候变化条件下研究区域的主要作物需水量，为研究区域的农业产业布局与水资源配置提供科学依据。

2 预测方法

2.1 研究区域

研究区域为辽宁省朝阳市，该地区地处辽宁西部， 地理坐标位于东经 118°50′～121°17′， 北纬40°36′～42°22′之间。 地处冀、 蒙、 辽三省（区）交界处，东与辽宁省阜新市、锦州市为邻，南与葫芦岛市接壤，西与河北省平泉、宽城、青龙三县毗邻，北与内蒙古自治区的赤峰、通辽两市相接。辖朝阳、北票、凌源、建平、喀左五县及朝阳市区，东西跨度约165km，南北跨度约216km，边界周长约980km。位于北温带大陆性半干旱季风气候区，四季分明，雨热同季，日照充足，昼夜温差较大，积温高，辐射强，降水偏少。洪涝、干旱、冰雹、霜冻等灾害，常有不同程度发生。年平均气温5.5℃～8.9℃，年日照时数在2747～2947h之间，多年平均降水量482.8mm，夏季降水量约占年降水量的80%左右，易造成不同时段的干旱，无霜期除建平县北部外为148～159d。春秋两季多风易旱，风力一般2～3级，冬季盛行西北风，风力较强。

朝阳市主要有凌源、北票、喀左、建平、朝阳、羊山6个气象站，因此以该6个站点为分析单元。在朝阳地区，作物播种面积稳定在0.67万亩以上的主要作物有小麦、玉米、谷子、高粱、大豆、土豆、棉花、葵花籽、甜菜等。目前，关于该地区气候变化条件下主要作物需水量的预测基本没有被报道过。

2.2 作物需水量估算方法

作物需水量可由参考作物腾发量与作物系数得到，具体的公式为：

式中，ETc—某种作物的需水量；Kc—某种作物的作物系数；ET0—某种作物的参考作物腾发量；作物系数—不同发育期中需水量与可能蒸散量之比值，可通过实测需水量与计算的潜在蒸发量之比来估算。由于研究区域目前没有完整的监测数据，因此采用 FAO56提供的典型作物系数值［8］，详见表1。

表1 朝阳市主要作物与其作物系数

参考作物腾发量的估算可采用不同的公式［9］，本文采用应用最为广泛的FAOPenman-Monteith公式：

式中，ET0—参考作物腾发量，mm/d；Rn—冠层表面净辐射量，MJ/m2d；C—土壤热通量，MJ/m2d；Δ—饱和水汽压 -温度关系曲线斜率；γ—湿度计常数（干湿球常数），kPa/°C；T—2m高度处日平均气温（℃）；u2—在地面以上 2m高处的风速，m/s；es—空气饱和水汽压，kPa；ea—空气实际水汽压，kPa。

2.3 气象因子变化预测

气象因子变化的预测主要基于CMIP5（http：//cmip-pcmdi.llnl.gov/cmip5/）大气环流模式的全球气候变化预测数据，该数据集合了20多种主流的气候模拟模型结果，可信度相对较高，在农业、水利、环境［10］等领域中得到了广泛的应用。由于CMIP5数据的单元尺度大于县域尺度，因此需进行降尺度处理。降尺度采用 Quantile-Quantile法，其表达式为：

式中，XCORR—修正的气象因子；FCCM和FOBS—大气环流模拟与实测值的累积分布函数；XCCM—大气环流模式的模拟值。

本文以1996～2015年为修正期，以朝阳市各站在修正期内的降水量为修正变量，各站实测值与最终模拟值的比较结果如图1所示。由图1可知，CMIP5数据结合Quantile-Quantile法得到的模拟值与实测值的相差值均低于10%，满足精度要求。

图1 朝阳市降水量实测值与模拟值

3 预测结果与分析

3.1 参考作物腾发量现状值

以1996～2015年为现状年，基于公式（2）、根据朝阳市各站的逐月气象资料，计算得到各站的参考作物腾发量现状值，结果如图2所示。在时间分布方面，朝阳市各站在1～12月的平均参考作物腾发量总结于表2中，由其可知，各月份中5月的参考作物腾发量最高，1月与12月最低。

表2 朝阳市各月平均参考作物腾发量 单位：mm

在空间分布方面，朝阳市各站的多年平均参考作物腾发量总结于表3中，由其可知，朝阳市各站中，朝阳县的多年平均参考作物腾发量最高，建平县最低。在现状年阶段，各站平均的年参考作物腾发量为1039mm。

表3 朝阳市各站的多年平均参考作物腾发量 单位：mm

3.2 参考作物腾发量未来值

以2046～2056年为目标年，基于公式（2）、根据朝阳市各站50年后的逐月气象资料预测值，计算得到各站的参考作物腾发量未来，结果如图3所示。

图3 朝阳市未来参考作物腾发量预测值

在时间分布方面，朝阳市各站在1～12月的平均参考作物腾发量与相对现状值的增幅分别总结于表4中。由表4数据可知，受气候变化影响，相对于现状值，朝阳市50年后各月份的参考作物腾发量均呈上升趋势，其中11月份上升幅度最大，3月份上升幅度最小。

在空间分布方面，朝阳市各站在50年后的多年（2056～2065）平均参考作物腾发量与相对现状年增幅总结于表5中，由其可知，相对于现状值，朝阳市50年后各站的参考作物腾发量均呈上升趋势，其中建平升幅最大、凌源县升幅最小。在50年后，各站平均的年参考作物腾发量为1155mm，相对于现状年，升幅约为11.15%。

表5 朝阳市未来各站多年平均参考作物腾发量与相对增幅

3.3 主要作物需水量

基于公式（1）、表（1）与预测的参考作物腾发量可计算气候变化条件下朝阳市的主要作物需水量。由于当地的主要作物生育期为5～8月，因此选择该时期为研究时间范围，目标年（50年后，即2046～2055年）作物主要生育期的计算结果如图4所示。

图4 气候变化条件下朝阳市主要作物需水量

在气候变化条件下，未来朝阳市主要作物的时空平均作物需水量分别总结与表6中，由其可知，棉花的作物需水量将相对最高，而甜菜最低。

表6 气候变化条件下朝阳市主要作物需水量时空平均值 单位：mm

在时间分布方面，朝阳市5～8月各站平均的作物需水量分别为 201mm、186mm、161mm、140mm，即5月作物需水量最大，之后逐渐减少。在空间分布方面，朝阳市凌源、北票、喀左、建平、朝阳、羊山各站未来的主要作物生育期需水量分 别 为 172mm、 178mm、 169mm、 166mm、176mm、171mm，其中北票市最高，建平县最低。

表4 朝阳市未来各月平均参考作物腾发量与相对增幅

4 结语

以朝阳市为例，采用CMIP5大气环流模式数据、Quantile-Quantile降尺度方法和 FAOPenman-Monteith公式预测了气候变化条件下的主要作物需水量。结果表明，在气候变化条件下，朝阳市各站的主要作物需水量在中长期均呈上升趋势；11月份上升幅度最大、可达16.67%，3月份上升幅度最小、为8.11%；在空间方面，建平县升幅最大、为12.55%、凌源县升幅最小、为8.94%。在分析的9种作物中，未来棉花的作物需水量最高、达186mm，甜菜最低、为155mm。本文成果可为研究区的农业发展与水资源规划提供参考，但由于人类活动与作物系数具有一定的不确定性，在具体应用中应根据实际情况进行实时的跟踪与校正。

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1008-1305（2017）05-0045-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.016

2017-08-16

娄利华（1982年—），女，工程师。