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曲浩东论文初稿MicrosoftWord文档
内蒙古农业大学
毕业论文
内蒙古不同气候条件下ETo特征分析
(额尔古纳左旗)
年级:
09级
学号:
090613515
姓名:
曲浩东
专业:
农业水利工程
指导老师:
胡守忠
二零一三年六
摘要
本论文采用内蒙古自治区135个气象站30年(1960~1990年)生育期(4月~9月)月均及典型年(2007年)日均气象资料,运用Penman-Motheith(PM)法和FAO17Penman(FP)法,获得了生育期月均及日平均ET0。
对参考作物腾发量及气象要素的年纪变化特征、月季变化特征趋势进行了分析,通过系统分析与对比评价了ET0的两种计算方法,分析了组成ET0的空气动力项与辐射项的时间及区域分布特征,分析了影响参考作物腾发量变化的主要因素,影响ETo的主要气候要素依次为日照、风速、温度、相对湿度。
本题目根据极干旱、半干旱、半湿润区域可分三个方案:
额济纳旗、呼和浩特、额尔古纳左旗,本文重点讨论额尔古纳左旗。
关键词:
额尔古纳左旗参考作物腾发量(ETo)影响因素特征分析
Abstract
Thisthesisusetheaveragemonthlymeteorologicaldataingrowthperiod(ApriltoSeptember)anddailymeteorologicaldataofatypicalyear(2007)inMongoliaautonomousregions,including135stationsin30years(1960to1990),byapplyingthemethodofPenman-MotheithandthemethodofFAO17Penman(FP),weobtainedtheaveragemonthlyanddailyET0ingrowthperiod.Weanalyzedtheevapotranspirationandtheinterannualvariationfeatureofmeteorologicalelementandthemonthlychangetrendofthethereferencecrop.Bysystemanalyzingandcomparison,weevaluatedthetwocomputingmethodofET0,andweanalyzedaerodynamictermandradianttermtemporaldistributionfeatureandarealdistributionfeature,thenweanalyzedthemainfactorwhichaffecttheevapotranspirationofthereferencecrop.ThemainclimatefactorsaffectETofollowedsunshine,windspeed,temperature,relativehumidity.
Thissubject,accordingtotheregion,canbedividedintothreeprograms:
Hohhot,ErgunLeftBanner,EjinBanner.ThemainprogramisforErgunLeftBanner.
Keywords:
ErgunLeftBannertheevapotranspirationofthereferencecrop(ETo)influencingfactorfeatureanalysis
目录
1引言1
1.1研究系统及技术路线1
2材料与方法2
2.1内蒙古气象、地理特征2
2.2地理特征5
2.3气象数据库5
2.4ETo的计算方法5
2.4.1Penman-Monteith(PM)法6
2.4.2FAO17Penman(FP)法9
2.4.3PM法和FP法的对比分析9
3内蒙古不同气候条件下ET0特征分析10
3.1月均ET0特征分析11
3.2日均ETo特征分析13
3.2.1日均ET0对比分析13
3.2.2日均ETrad、ETaero对比分析17
3.2.3气象因子对ET0、ETrad、ETaer值的影响19
3.2.3.1气温(T)对ETrad值的影响19
3.2.3.2风速对ETaero值的影响23
3.2.3.3相对湿度对ETrad、ETaero值的影响26
4结论28
致谢29
参考文献30
1引言
由于全球气候变暖,水资源供需和水质恶化的矛盾更加突出,水资源已经成为当今世界各国经济发展的严重制约因素。
我国是农业大国,农业是国民经济的基础,农业用水是我国各行业中的用水大户,灌溉节水已成为全世界主要的研究课题,因此节水灌溉、提高农业用水效率是重中之重。
参考作物腾发量是计算作物需水量的重要参数,也是农田水利设计的基础资料。
科学地计算作物需水量是重要手段,以此为衡量标准的是参考作物蒸发蒸腾量(ET0),应用常规气象资料计算的彭曼-蒙蒂斯公式已成为全世界计算ET0的标准公式,它对指导节水灌溉发展节水农业有着十分重要的现实意义和深远影响。
有效的计算作物需水量,是水利工程规划设计、农业节水灌溉和水资源合理分配中非常重要的组成部分,特别是对于像内蒙古地区这样的半干旱区,参考作物蒸发腾发量的准确估算是水管理最有效最赋有实际意义的手段,目前ET0(referencecropevapotranspiration)的计算是公认的求得作物需水量最直接的有效方法。
而Penman-Monteith(PM)法和FAO17Penman(FP)法代表当今时期ET0计算的主要公式。
本文利用内蒙古自治区135个气象站30年(1960年至1990年)生育期平均月气象资料,运用Penman-Monteith(PM)法和FA024Penman(FP)法求出生育期月均和年ET0。
对ET0值进行长系列的应用基础分析研究。
同时选择内蒙古地区东部较湿润的额尔古纳左旗、西部极干旱的额济纳旗、中部半干旱的呼和浩特三个有代表性气象站平水年(2007年)生育期(4~9月)逐日气象资料,包括气温、最高最低气温、相对湿度、风速、日照时数等资料,以及站号、站名、经度、纬度、海拔高度等,对ET0及空气动力项(ETrad)和辐射项(ETaero)进行分析,将图形和数字结合在一起,对地理空间进行分析研究,对ET0分析,从而实现区域特征分析。
1.1研究系统及技术路线
2材料与方法
2.1内蒙古气象、地理特征
内蒙古自治区位于中国的北部,由东北向西南斜伸,呈狭长形。
西起东经97°12′,东至东经126°04′,相隔2400多km;南起北纬37°24′,北至北纬53°23′;全区总面积118.3×104km2。
气候以温带大陆性季风气候为主,有降水量少而不匀、风大、四季气温变化剧烈的特点。
从海面靠近它的东南部分容易在夏季海洋季风的影响,但时间短,势力弱。
更远的西部,在亚洲大陆和全年冬季风深入西海,时间长了,影响是强烈的。
气候是在亚洲大陆温带气候。
内蒙古自治区地形复杂,大兴安岭在东部,从北到南直贯下来。
中部阴山山脉从东到西,贯穿其中。
大兴安岭东侧的嫩江平原,东南的辽河平原,阴山南侧与黄河之间的河套平原。
大兴安岭西部的呼伦贝尔高原,南部的鄂尔多斯高原,西部的阿拉善高原,阴山一杯蒙古高原。
在高原和平原之间,有广大的丘陵。
在这个位置和地形条件下,内蒙古的气候复杂多样,灾难较多。
在一般情况下,形成内蒙古的气候条件:
(1)太阳辐射
(2)大气环流(3)下垫面性质。
内蒙古主要的气候特点,四季:
漫长而寒冷的冬季,多寒潮;春季干旱,多大风天气;短暂的夏季较温暖,降水集中;秋季气温剧降,霜冻早。
图1内蒙古自治区年平均气温
图2内蒙古自治区年平均降水量
图3内蒙古自治区年平均日照时数
2.2地理特征
内蒙古自治区位于内蒙古高原东南部的部分,一半以上在海拔lOOOm以上。
除了高原,山地,丘陵,平原和沙漠。
地貌从东到西或从南到北呈现出平原,山区和高原带状分布。
图4内蒙古自治区卫星影像图
2.3气象数据库
本文使用的数据是由内蒙古自治区气象局提供的内蒙古自治区全区135个气象站的1960年至1990年30年生育期(4至9月)月气象资料和内蒙古地区东部较湿润的额尔古纳左旗、西部极干旱的额济纳旗、中部半干旱的呼和浩特三个气象站平水年(2007年)生育期(4~9月)逐日气象资料,包括气温、最高最低气温、相对湿度、风速、日照时数等资料,以及站号、站名、经度、纬度、海拔高度等。
2.4ETo的计算方法
ETo的计算方法运用Penman-Motheith(PM)法和FAO17Penman(FP)法。
2.4.1Penman-Monteith(PM)法
Penman-Motheith(PM)法设定ET0为一种假想的参考作物冠层蒸发蒸腾速率,假定作物高度为0.12m,固定的叶面阻力为70sm-1,反射率为0.23,非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面而不缺水的绿色草地的蒸发蒸腾速率。
根据重新定义的ET0概念,FAO提供了以能量平衡和水汽扩散理论为基础,既考虑了作物的生理特征,又考虑了空气动力学参数的变化,具有较高精度的ET0新计算方法——Penman-Monteith法。
根据能量平衡定律,忽略平流作用、光合作用和农田内部物理变化所消耗的能量,可写出作物冠层能量平衡方程如下:
(1)
式中Rn——输入冠层的净辐射,MJ/m2•d;
λET——腾发作用耗能,λ为水的汽化潜热,MJ/m2•d;
H——增热空气消耗的显热,MJ/m2•d;
G——增热土壤消耗的热量,MJ/m2•d。
由紊流扩散理论:
(2)
(3)
式中ρ——空气密度,kg/m3;
ew0——叶气孔腔内水汽压,kPa;
Cp——空气定压比热,MJ/㎏•℃;
ed——气象观测点水汽压,kPa;
γ——湿度计常数,kPa/℃;
T0——叶冠层处气温,℃;
ra——空气动力学阻力,s/m;
Tz——气象观测点气温,℃;
rs——作物叶面阻力,s/m。
综合以上3式,并引入饱和水汽压—温度曲线斜率Δ=dea/dT可得Penman-Monteith的基本方程如下:
(4)
当用这一基本方程计算草的潜在腾发量ET0时,假设空气边界层为中性稳定结层,则:
(5)
式中zm——风速的测量高度,m;
zn——温度和湿度测量高度,m;
z0m——控制动量传输的糙率长度,m;
z0n——控制热和水汽传输的糙率长度,m;
d——风廓线零平面位移高度,m;
uz——在zm高度处测得的风速,m/s;
k——卡尔曼常数,k=0.41。
如以草为参照作物,可有以下近似关系(Brutsaert,1975,Monteith,1981):
d=0.667hc,z0m=0.123hc,z0n=0.1z0m(6)
式中hc——作物高度,m。
草的叶面阻力可用下式估算(Jensen等,1990):
(7)
式中r1——单一叶片气孔阻力;对24h的时间尺度rl≈100s/m;
LAI——叶面积指数,对于修剪了的草LAI=24hc,hc=0.08~0.15(m);对于苜蓿LAI=5.5+1.5Lnhc,hc=0.1~0.5m(Allen等,1989)。
为使计算公式统一化、标准化,FAO按照Penman-Monteith方程的要求,给出了参照作物腾发量的新的定义(Allen等,1994)。
由上述定义可得:
hc=0.12m,rs=70s/m.
取风速等气象要素的观测高度均为标准高度2.0m,则:
(8)
(9)
由于λ随温度变化不大,取T=20℃时,λ=0.2501-(2.361×10-3)T≈2.45(MJ/kg),代入式(4)得到用于计算24h参照作物腾法量的Penman-Monteith方程:
(10)
式中ET0p——FAOPenman-Monteith法计算参考作物腾发量,mm/d;
Rn——作物表面的净辐射量,MJ/m2•d;
G——土壤热通量,MJ/m2•d;
T——平均日或月气温,℃;
u2——2m高处平均风速,m/s;
VPD——2m高处水汽压亏缺量,VPD=ea-ed,ea和ed分别为饱和、实际水汽压,kPa,
Δ——饱和水汽压ea与温度曲线的斜率,kPa/℃;
γ——干湿表常数,kPa/℃。
式(11)可分为辐射项ETrp和空气动力学项ETap两项:
(11)
(12)
(13)
式中Δ和γ可根据气温与海拔高度直接求得;其余几项可用下式求得:
(14)
式中Rs、Rso——实际和晴天短波辐射量,MJ/m2•d;
ed——实际水汽压,kPa;
Tkx、Tkn——最高和最低气温,K。
对于日ET0计算中:
(15)
式中Ti、Ti-1——计算日和计算日前3天的平均气温,℃。
对于月ET0计算:
(16)
式中Tmi+1、Tmi-1——计算月下一个月和前一个月的月平均气温,℃。
当实测风速不是2m高时:
(17)
式中ux——实测风速,m/s;
Zm——风速测定实际高度,m。
(18)
式中as、bs——短波辐射比例系数;
n、N——实际日照与最大天文日照时数,h;
Ra——大气外层太阳辐射通量,MJ/m2•d。
2.4.2FAO17Penman(FP)法
FAO17Penman(FP)法主要原理是,在SPAC系统中利用能量平衡原理推求的。
具体计算公式如下:
(19)
式中:
ET0——计算时段内参照作物蒸发熬腾量,mm/d;
P0——海平面标准大气压,hPa;
P——计算地点的实际气压,hPa;
Δ——饱和水汽压ea与温度曲线的斜率,kPa/℃;
γ——干湿表常数,kPa/℃。
Rn——作物表面的净辐射量,MJ/m2•d;
Ea——干燥力,空气动力项,mm/d。
2.4.3PM法和FP法的对比分析
联合国粮农组织FAO在1977年推荐使用经修改的Penman公式来确定参考作物腾发量(ET0),首次充分利用了参考作物腾发量和作物系数的概念。
但其需要昼夜风速修正系数C修正,而包括我国在内的许多国家都没有昼夜风速的实测资料,一般均以日为单位,所以使用不便。
根据研究成果其一般过量估计ET0。
平均误差在干旱地区为18%,湿润地区为35%;在ET0高峰季节,误差分别为11%和34%。
而FAO在1979年提出的Penman修正式(FAO-17)虽然精度略低,但却便于实际应用。
我国的灌溉排水渠系设计规范GB50288-99也仍推荐采用此式。
根据近年研究成果,FAO和ICID认为有必要规范ET0计算方法。
在1990年3月意大利罗马举行的作物需水量计算方法研讨会上推荐使用FAOPenman-Monteith近似式,作为定义牧草ET0和确定作物系数Kc的基本方法。
Penman-Monteith方法不需要专门的地区修正和风函数等,使用一般气象资料即可计算ET0值,实际应用价值较高。
而且精度较高,在干旱地区ET0高峰期过低估计ET04%,而在湿润地区过量估计ET04%。
Penman-Monteith法也克服了以往ET0计算式仅适用于某个生长周期或月的不足,其可用于以月、旬、日或小时为周期的计算。
ET0是确定气象因素对土壤-植物-大气连续体研究中水分传输与水汽扩散速率影响的主要指标。
修正Penman公式存在一些弱点,首先,把某一种具体作物的潜在腾发量作为定义ET0的标准是很困难的,即使是同一种草,在不同地区,不同气候条件下,其表面形态特征也是不同的。
其次,为适应不同地区的实际情况,修正Penman法中加入了许多修正参数与风函数,有些参数难以准确量测,而且过多的修正参数和函数会造成使用者的混淆与难度。
为此,FAO对参考作物腾发量ET0(ReferenceEvapotranspiration)进行了重新定义。
3内蒙古不同气候条件下ET0特征分析
根据内蒙PM法和FP法中,由于中间计算采用的不同的公式,PM法输入的气象因子通常为:
最高气温(Tmix)、最低气温(Tmin)、平均气温(T)、风速(u2)、相对湿度(RH)和日照时数(N)。
而FP法输入为:
平均气温(T)、风速(u2)、相对湿度(RH)和日照时数(N)。
根据内蒙古自治区地理气候的特点,本文对半湿润区多年月均和日均ET0特征进行分析。
PM法和FP法都是以气象数据为主要因子来计算ET0值。
ET0是由辐射项(ETrad)和空气动力项(ETaero)两部分构成:
ET0=ETrad+ETaero
计算中,ET0值随各部分输入的因子的不同而变化,因此本文将分别对各输入因子在ET0、ETaero和ETrad计算中的影响进行分析。
根据PM法和FP法中气象因子作用不同,本文对内蒙古自治区区域ET0和辐射项(ETrad)和空气动力项(ETaero)进行对比,并对公式中输入因子对ET0、ETrad和ETaero值的影响进行分析。
同时选择内蒙古地区东部较湿润的额尔古纳左旗,讨论、分析和评估在不同气候条件下气温、风速、湿度3个主要因子对ET0值的影响。
3.1月均ET0特征分析
分析PM法和FP两种方法结果及内部结构项的差异,以内蒙古自治区135个气象站1960~1990年30年逐月气象资料为基础,分析结果见图5的PM和FP法计算的月均ET0值对比图。
图5PM和FP法计算的生育期(4~9月)ET0值对比图
两种方法所得ET0的变化趋势是一致的。
除了两站(119额济纳旗吉可德国和额济纳旗拐子湖120号),其余的PM方法的ET0计算值比FP法计算大,最大区别0.76mm/d,差值率为15%;最小差值为0.02mm/d,差异最小的差异为0.2%。
FP法两站比PM法ET0的变化大的原因:
FP法在计算中用平均温度,而PM法用的是最高和最低温度,平均温度高对FP法影响较大,而对PM法影响温柔。
从已知多年的两个站的温度:
不同于其他站多年平均气温,昼夜温差,以满足上述计算法。
以上变化满足线性变化规律但还说明不了哪种公式准确,现在普遍认为PM计算的ET0值较满足实际。
从图中可知内蒙古中西部地区参考作物腾发量较大,PM计算的ET0最大值为最西地区额济纳旗的拐子湖为7.22mm/d(1148mm/y),PM计算的ET0最小值为最东北地区的额尔古纳左旗为2.94mm/d(538mm/y),而且从西到东在逐步减小,这完全满足地域气候特点。
参考作物腾发量主要受温度、湿度、风速、太阳辐射等因素影响,ET0值随温度、风速、太阳辐射增大而增加,随湿度增加而减少。
这也说明了上述变化规律的正确性。
图6PM法计算的(4~9月)ETrad、ETaero值变化图
图7FP法计算的(4~9月)ETrad、ETaero值变化图
图6与图7给出了两种方法的辐射项和空气动力项对比。
从图6、图7可以看出:
PM法和FP法计算的ETrad值变化均较平稳,而ETaero值变化幅度较大。
在图6中:
PM法所得ETaero最大值为120号额济纳旗的拐子湖4.83mm/d,最小值为1号额尔古纳左旗1.08mm/d;在图7中:
ETaero最大值为119号额济纳旗的吉可德)5.36,最小值为1号额尔古纳左旗0.90。
根据空气动力项ETaero的计算公式可知,风速是其主要影响因素。
额济纳旗的吉可德、拐子湖年平均风速分别为23m/s和24m/s,全区最大,额尔古纳左旗平均风速为1.9m/s,全区最低。
这和内蒙古地区的年平均风速从东到西在逐步增大是一致的。
在图6中:
ETrad最大值为99号伊金霍洛旗2.72,最小值为6号额尔古纳左旗最北的孟根楚鲁1.72;在图7中:
ETrad最大值为98号准格尔旗2.28,最小值为2号额尔古纳左旗南的图里河1.52。
根据辐射项ETrad计算公式可知,温度是其主要影响因子。
伊金霍洛旗、准格尔旗紧邻库布齐沙漠和毛乌素沙地,年平均气温分别为6.3℃和7.3℃,额尔古纳左旗年平均气温为-4.8℃,全区最低。
从气象资料可以看出,全区各地相对湿度变化较平稳,对ETrad、ETaero值影响较相对较小。
3.2日均ETo特征分析
上述3.1节中主要是从自治区总区域中,根据135个气象站30年逐月气象资料为基础,用PM法和FP法计算出ET0,并对其变化规律进行综合分析和研究。
由于内蒙古自治区地域特点的原因(东西跨度长、气象站点多),不可能将每个地区进行分析研究(数据量庞大)。
为了验证其规律的普遍性,本节选择东部较湿润的额尔古纳左旗气象站平水年(2007年)生育期(4~9月)逐日气象资料,包括气温、最高最低气温、相对湿度、风速、日照时数等资料,进行分析研究。
由于PM法和FP法都是根据水汽扩散能量平衡原理建立的,以主要气象资料为输入因子而进行计算的,因此选择额尔古纳左旗地区气象资料对ET0、ETrad、ETaero进行对比评价及气象因子的影响进行分析是有代表性的。
作为对ET0及气象因子对ET0、ETrad、ETaero影响对象进行重点的分析,以此扩展到全区,从而找出普遍变化规律。
作为对ET0及气象因子对ET0、ETrad、ETaero影响对象进行重点的分析,以此扩展到全区,从而找出普遍变化规律。
3.2.1日均ET0对比分析
从3.1节中可知:
由PM法和FP法计算的ET0值差值率不大,变化率在0.2%~15%。
因此本节只对PM法计算的ET0值进行分析研究。
图8~图12是额尔古纳左旗地区气象站平水年(2007年)生育期(4~9月)日均ET0变化图。
图8PM法计算4月份日均ET0值变化图
从图8中可知:
额尔古纳左旗最小ET0值(0.58mm/d)在4月20日,最大值(3.37mm/d)在4月28日。
4月20日平均气温2.8℃,风速1.7m/s较低(最高3.3m/s),日照时数为零,湿度是91(最大);4月28日平均气温为12.5℃(日最低5.5℃—日最高19.5℃),湿度是28,日照时数是6.6,风速2.6m/s(较高)。
图中4月20日的ET0值最小,从气象资料可知其原因在于20日的温度低,日照时数为零,湿度最大,风速小,所以ET0值最小。
在4月28日的时候温度比较高,日照时数大,湿度比较小,风速较大,所以ET0值最大。
因此可得出:
温度(日照时数)影响ETrad值,风速影响ETaero值,因此温度、风速是ET0的主要影响因素。
由于相对湿度月内变化不大,因而对两者影响较小。
图9PM法计算5月份日均ET0值变化图
在图9中可:
5月日均ET0值变化趋势和4月一样,从气象资料可知,两月气候总的特点为平均温度、风速、日照时数变、相对湿度值月内变化不剧烈。
其中额尔古纳左旗日均值为2.59mm/d,额尔古纳左旗日温差大,日照时数长相对湿度大。
因此影响ET0值因素不仅是温度,温差湿度也是影响原因。
因此可得出:
温度(日照时数)影响ETrad值,风速影响ET
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