宁夏扬黄新灌区热量资源的网格点推算

宁夏扬黄新灌区热量资源的网格点推算 2001 年 9 月 A gr icu l tura l Re sea rch in the A r id A rea s Sep t. 2001 宁夏扬黄新灌区热量资源的网格点推算 刘 静, 马力文, 周惠琴, 王连喜, 李凤霞 ( )宁夏气象防灾减灾重点实验室, 宁夏 银川 750002 摘 要: 为了对无地区的温度分布及热量时空分布状况进行详细推算, 对以往的小 网格气候订正公式进行了改进, 引入不同季节太阳高度角对坡面辐射的影响, 并用线性内插 确定界限温度的初终日期, 以利用逐旬气候资料进行小网格订正, 从而得出了红寺堡、兴仁 堡、清水河中下游及罗山东鹿网格点温度分布, 形成了包括年、季、月、旬温度场, 各界限温度 初终日期、持续日数及积温场小网格数字化图集。 () : 100027601 20010320064208 文章编号中图分类号: 161 文献标识码: SA 关键词: 新灌区; 小网格推算; 热量资源 宁夏扬黄新灌区是宁夏回族自治区大型农业综合开发项目区, 该区地域广, 面积大, 2地形复杂, 可耕荒地达 26 万 。为了解新垦区气候资源和农业气候资源状况, 使开发区 hm 域的农业发展、作物布局和种植规划等科学合理, 我们在不同季节小气候考察的 基础上, 利用宁夏南部各站气象资料, 结合农垦气象哨资料, 利用改进的小网格订正方法, 推算了格点温度资料, 并以此为依据, 推算各地热量资源分布, 为新灌区作物布局和种植 制度决策等提供参考依据。 1 方 法 1. 1 小网格推算基本方法 某地平均气温与该地大气候环境、海拔高度、纬度和局地小气候环境有关。 不同季节 太阳辐射和大气环流背景是导致气温季节变化的主要原因; 不同地点太阳高度角不同, 所 造成的辐射差异导致平均气温的差异。 同理, 坡度、坡向的差异也是造成辐射差异的主要 1 原因, 对形成局地小气候环境有重要影响。 , 设基准站的平均气温、海拔、纬度和坡度分别为 , , , , 则纬度为 , 经度为 网 数T b h b 5 b Αb ij 2格点上同期的温度某地气温可表示为海拔高 可表示为度 、地理纬度 和局地下垫面状况 的、小地形因素T i j h5ΑΝ 函 5T 5T 5T ()() () () 1 = + - + - + - + T ij T b h ij h b 5 i j 5 b a ij a b Ν 5h 55 5a (() ) 式中, 5T 5h 为气温垂直递减率 ? 100 m ; 5T 55 为纬度递减率 ? 10′; 5T 5a 为南北 收稿日期: 2000209220; 修回日期: 2001203216 基金项目: 宁夏回族自治区农业综合开发项目办公室资助课题 ( ) ( ) 作者简介: 刘静 1964- , 男 回族, 北京人, 高级工程师, 主要从事作物气象、农业气候与小气候及农业气象灾害 及遥感应用等研究。 () 坡 温 差 系 数 ? ?; 与 局 地 下 垫 面 状 况 有 关, 如 下 垫 面 土 壤 湿 度、地 表 植 被 状 况 等。 Ν 可根据纬度、坡度相同而海拔差异较大的气象站点资料求算, 也可用不同海拔高度 5T 5h 小气候考察资料求算, 后者更适宜于山地气候资源调查。 可选择坡度、坡向、下垫面5T 55 状况大致相同的台站资料, 经海拔订正后求出; 可选择不同坡度、坡向站点资料经 5T 5a 3 海拔订正、纬度订正后求算。下垫面水分、植被状况因子一般不易确定, 如推算区域内植 被稀少, 地势大致相同或无灌溉条件, , 可忽略; 如地表植被、土壤水分的影响一般较小Ν 差异较大, , 一般不应忽略, 可用遥感方法, 通过地面温度反演订正, 本文因新 差异显著Ν 灌区尚未大面积开垦, 属半荒漠草原, 地势平坦, 可忽略。Ν 1. 2 对基本方法的改进 为消除山地坡度过大所造成的订正畸变, 必须进行太阳高度角订正。设某网格点坡度 为 , 在冬半年, 太阳高度角较低, 因而当 增加很大时, 太阳高度角均小于水平面与坡ΑΑ 地 法线间的夹角, 但在夏半年, 如太阳高度角大于坡地法线与水平面间的夹角, 则随着太阳 高度角增大, 气温订正值按相反方向减少。 Π4 : 5( ) 2 Η= + - h ?理论上位于纬度 处正午太阳高度角 为 5 h Η 2 5式中, ; 为地理纬度, 其天顶角为 = - 为太阳赤纬。设不同网格点上南北向坡度? 5 Ξ5 ? 为 ( ) 为纬度, 为经度, 则 时刻太阳入射方向与坡面法线夹角为a i j i j k ()()= 1, 2, ?, 36 3 = - - k Ξk 5 ?k a ij当 ?0 时, 坡面上的辐射随太阳高度角的增大而增加, 当 < 0 时, 即太阳入射方向落 Ξk Ξk 到坡面法线北侧, 坡面上的辐射随太阳高度角的增大反而减小, 因此须考虑太阳辐射所造 成的温度差异。 一般情况下, 坡度订正项可表示为 5T ()()()4 a = ij - b 当 - - ?0 ? T a a 5 i ?k a ij 5a ( )( ) 式中, 为坡度引起的温度变化; 为基本站南北向坡度; 为纬度 、经度 处的坡 ? T a a b a i j ij 度。 Π5T ) () (时, = - 2- - , 代入 2得 -当 = - - < 0 即 a i j ? T a Πh Ηa i j a b Ξk 5 i ?k a ij h 2 5a > Η5T (当 - - < 5 i ?k a ij (())5 a = 2i - 2k -- ? T 5 ?a ij a b 5a )0 若 > 0 且 > , 即背阴坡且正午阳光无法直射到的地方, 有 a i j a ij h Η 5T Π()a 6 ? T a = ?- 5 -+ b k i 5a 2 于是, 任意一点的温度小网格订正可按下式计算: 当 - - ?0 时5 i ?k a ij 5T 5T 5T () () ()()7 i j = b + i j -b + ij -b + i j - b T T h h 5 5 a a 5a 55 5a 当 - - < 0 时5 i ?k a ij 5T 5T 5T () () ()() 8 ij = b + ij - b +i j - b +2i - 2k - ij -a b T T h h 5 5 5 ?a 5a 55 5a 干旱地区农业研究 第 19 卷 66 当 ij < 0 且 i j > Η 时 a a h 5T 5T 5T Π()() () + ?- 5 - a 9 = + - + - +k i bT ij T b h ij h b 5 i j 5 b 5a 2 5a 55 5T 5T 5T ( ) 式中, , , , , 意义同 2, , , 分别为推算点海拔高度、地理纬度和坡度,T i j T b h ij 5 ij a ij 5h 55 5a , , 分别为基准站海拔高度、纬度和坡度, 为 时刻太阳赤纬。 h b 5 b a b ?k k 1. 3 推算思路及界限日期确定 6 , 11 一般小网格推算都局限于年、季研究, 而对短时段如旬、月温度推算却很少。 原 因一是限于气温随高度、纬度、坡度变化率随不同季节而异, 而推算区域周围常规观测站 较少, 难以满足要求, 在做短时段气温小网格订正时, 会出现较大偏差; 二是小网格推算一 般用于无资料的山地气候资源调查, 限于人力物力, 不同季节海拔、纬度、坡度订正系数很 难通过实况观测、考察求算。 宁夏地域较小, 环流背景一致, 既有同纬度、同坡度但海拔高度相差很大的站点, 可用 于气温直减率计算, 也有海拔差异不大, 坡度差异不大的站点, 在进行海拔订正后, 可求算 气温纬度递减率, 还有坡度差异很大的站点, 可满足短时段订正要求。 采用短时段小网格 订正的另外一个目的是便于求算界限温度通过日期。 本文通过线性内插近似确定通过该 界限温度的具体日期。 1. 4 订正表的确定 利用同纬度贺兰、贺兰山站同期旬平均气温多年平均值, 求出逐旬气温直减率。 选择 气温递减 纬度递减 坡度递增气温递减 纬度递减 坡度递增 旬 号 旬 号 ) ( )( ) ( ( )? 100? 10′? ?? 100 ( )( )m m ? 10′ ? ? . N oo f a N o. o f a 吴忠、平罗两站, 用上方法对二站进行海拔订正后, 算出不同时段旬平均气温纬度递减率。 D ec rea sing D ec rea sing Inc rea singD ec rea sing D ec rea sing Inc rea sing p e r io d p e r io d ra te in ra te in ra te in ra te inra te in ra te in 10 o f day s o f 10 day s ve r t ica l la t itude g rad ien t ve r t ica l la t itude g rad ien t 选取南北向坡度差异大的代表站, 在进行海拔、纬度订正后, 换算成单位坡度气温递减率, 1 - 0. 28 - 0. 35 19 - 0. 64 0. 06 2 - 0. 27 - 0. 34 20 - 0. 63 0. 02 结果见表 1。 3 - 0. 30 - 0. 30 21 - 0. 62 0. 02 4 - 0. 35 - 0. 27 22 - 0. 60 0. 08 表 1 各旬气温垂直递减率、纬度递减率和坡度递减率5 - 0. 41 - 0. 25 23 - 0. 60 0. 04 1 , T ab le D ec rea sing ra te o f a ir tem p e ra tu re in ve r t ica lla t itude and g rad ien t 6 - 0. 47 - 0. 24 0. 55 24 - 0. 60 0. 02 0. 52 7 - 0. 49 - 0. 22 25 - 0. 58 0. 02 8 - 0. 54 - 0. 17 26 - 0. 56 0. 01 9 - 0. 56 - 0. 17 27 - 0. 55 - 0. 03 10 - 0. 56 - 0. 1728 - 0. 54 - 0. 06 11 - 0. 57 - 0. 15 29 - 0. 40 - 0. 13 12 - 0. 63 - 0. 12 30 - 0. 45 - 0. 18 13 - 0. 61 - 0. 09 31 - 0. 46 - 0. 17 14 - 0. 61 - 0. 03 32 - 0. 52 - 0. 19 15 - 0. 62 0. 04 0. 59 33 - 0. 44 - 0. 25 0. 54 16 - 0. 63 0. 06 34 - 0. 33 - 0. 30 17 - 0. 60 0. 06 35 - 0. 26 - 0. 34 18 - 0. 60 0. 0236 - 0. 28 - 0. 34 1. 5 基准站及网格点资料的选取和订正精度 利用 1?10 万地形图、格距为 1 60、?水平分辨率 1. 85 、垂直分辨率平地 10 、山 km m 地 20 、坡度分辨率平川地 0. 15、?山地 0. 31,? 选取各网格点海拔、纬度, 计算南北向坡 m 度。选取新灌区周围的中宁、长山头、韦州、兴仁、同心 5 个气象站, 以就近订正的原则进行 网格点订正。 海拔高度订正精度用不同时段气温垂直递减率与海拔高度分辨率的乘积确 定, 纬度分辨率用气温纬度递减率与所选取单位纬度乘积确定, 坡度分辨率用气温坡度递 T ab le 2 R ev isa l p rec isio n o f a ir tem p e ra tu re in d iffe ren t sea so n s ()增率与坡度分辨率乘积确定 表 2。 订正项目 春 夏 秋 冬 Item s o f rev isa l Sp r ing Summ e r A u tum n W in te r () 表 2 不同季节气温订正精度 ?温度 T em p e ra tu re , 0. 12 , 0. 12 , 0. 10 , 0. 06 0. 060. 060. 050. 03 0. 01 0. 0 0. 01 0. 03 纬度 L a t itude 0. 09, 0. 18 0. 08, 0. 16 0. 08, 0. 17 0. 09, 0. 17 坡度 G rad ien t 累积最大误差 0. 16, 0. 31 0. 14, 0. 28 0. 14, 0. 28 0. 15, 0. 26 M ax im um accum u la ted e r ro r 1. 6 实况验证 以同心为基准站, 利用该方法推算常规站中宁的 30 年逐旬平均气温, 并与实测值比 较, 见表 3。 T ab le 3 V e r if ica t io n o f exp e r im en ta l re su lt s 表 3 订正结果验证 旬 序 旬 序 实况值 推算值 误 差实况值 推算值 误 差. . N oo f a N oo f a p e r io d A c tua lity E st im a te E r ro r p e r io d A c tua lity E st im a te E r ro r 10 10 o f day s o f day s 1 - 7. 1 - 7. 4 - 0. 3 19 22. 7 23. 1 0. 4 2 - 7. 5 - 7. 8 - 0. 3 20 23. 8 24. 0 0. 2 3 - 6. 9 - 7. 2 - 0. 3 21 23. 8 24. 1 0. 3 4 - 5. 3 - 5. 5 - 0. 2 22 23. 4 23. 9 0. 5 5 - 3. 1 - 3. 4 - 0. 3 23 21. 5 22. 1 0. 6 6 - 1. 4 - 1. 7 - 0. 3 24 20. 3 20. 9 0. 6 7 1. 3 1. 0 - 0. 3 25 18. 0 18. 1 0. 1 8 4. 2 3. 6 - 0. 6 26 16. 4 16. 6 0. 2 9 6. 4 5. 9 - 0. 5 27 14. 4 14. 6 0. 2 10 9. 5 9. 1 - 0. 4 28 12. 2 12. 7 0. 5 11 11. 8 11. 5 - 0. 3 29 9. 9 10. 1 0. 2 12 13. 9 13. 9 0. 0 30 7. 0 7. 0 0. 0 13 15. 9 16. 0 0. 1 31 4. 2 4. 0 - 0. 2 14 16. 9 17. 1 0. 2 32 1. 7 1. 3 - 0. 4 15 18. 7 19. 1 0. 4 33 - 1. 5 - 1. 3 0. 2 16 19. 7 20. 0 0. 3 34 - 3. 5 - 3. 8 - 0. 3 17 21. 3 21. 6 0. 3 35 - 5. 5 - 5. 9 - 0. 4 18 22. 2 22. 3 0. 1 36 - 6. 6 - 7. 2 - 0. 4 2 结 果 干旱地区农业研究 第 19 卷 68 2. 1 新灌区热量资源分布 采用上述方法得出新灌区年、季、月、旬平均气温多年平均及不同时段积温分布图, 也 得出了稳定通过各界限温度初、终日和持续日数分布图, 由于网格距较小, 可反映各地小 气候特征, 制成数字化图或等值线图, 可用于新灌区农业气候资源评价、作物布局、种植制 度及作物适宜种植区划。 2. 1. 1 年平均气温分布 图 1 为新灌区年平均气温分布图。红寺堡在 8?, 9?之间, 呈 南低北高, 东低西高趋势; 红寺堡河下游、中宁鸣沙、海子塘、甜水河气温在 9?以上; 兴仁 至喊叫水气温为 7?, 8?, 呈东西带状分布, 与谷地走向一致; 同心以北的清水河谷地年 平均气温 8?, 10. 5?; 韦州处于甜水河上游谷地, 年平均气温 9?, 9. 8?, 下游温度高 于上游。 大小罗山、牛首山南麓、香山、兴仁以南的山地年平均气温均在 7?以下, 温度等 值线与等高线配合较好。 图 1 年平均气温分布图 F ig. 1 D ist r ibu t io n o f annua l ave rage a ir tem p e ra tu re 不 同 季 节 平 均 气 温 分 布 春 季, 红 寺 堡、鲁 家 窑 平 均 气 温 比 中 宁 低 0. 5?, 2. 1. 2 1. 0?, 红寺堡以南, 鲁家窑以北均在 10?以下, 兴仁为 8. 4?, 10. 0?, 喊叫水为 7. 0? , 8. 6?; 清水河下游气温在 10?, 12?, 春季始于新灌区各谷地, 土壤水分低, 升温快。 随着海拔高度升高, 入春时间逐渐推迟; 夏季, 红寺堡以南气温为 20?, 21?, 红寺堡至 鲁家窑为 21?, 21. 8?, 比中宁低 1. 0?, 2. 7?, 夏季气温偏低是红寺堡灌区的特点; 兴 仁谷地气温为 20?, 21. 3?, 喊叫水为 19?, 21?, 呈东西高, 中间低分布; 同心以北的 清水河谷地为 21. 0?, 22. 6?; 甜水河中下游为 21. 8 ?, 22. 5?, 下游高于上游; 秋季, 红寺堡 8?等温线南移至 21?,′ 海子塘为最高值, 鲁家窑以北的牛首山区、大小罗山低 37N 于 8?; 兴仁为 7. 0?, 7. 9?, 喊叫水为 6. 5?, 7. 3?, 白圈子至朱家庄子地势较高, 气 温在 6. 6?以下; 同心以北气温为 8. 0?, 10. 5?, 其中马家河湾以北为 9. 0?, 10. 5?, 韦州为 8. 0?, 9. 0?; 冬季, 红寺堡气温为- 5. 9?, - 5. 3?, 温度分布比其它各季均 匀; 兴仁为- 7. 5?, - 5. 5?; 同心至马家河湾气温为- 7. 0?, - 6. 5?, 清水河下游为 - 5. 6?, - 3. 6?。 香山、大小罗山等山前坡地高温区明显, 与山体对侵入冷空气的阻挡 作用和坡地上冷空气不易堆积有关; 甜水河下游为- 5. 0?, - 5. 8?, 比上游低, 与其它 季节相反, 反映了局地冷空气堆积的小气候影响。 2. 1. 3 最冷月与最热月气温分布 1 月份, 红寺堡气温为- 7. 5?, - 7. 8?, 地域差异 较小; 兴仁为- 7. 7?, - 9. 4?, 高值区明显, 喊叫水为- 8. 8?, - 9. 3?; 同心至马家河 湾为- 8. 2?, - 8. 9?, 马家河湾以北为- 5. 2?, - 7. 8?, 大部分地区与中宁相当; 韦 州下游河谷地区气温为- 6. 7?, - 7. 1?; 7 月份, 红寺堡气温为 22. 1?, 22. 7?, 以海 子塘最高; 兴仁为 21. 4?, 22. 3?, 喊叫水为 21. 1?, 21. 6?; 同心至马家河湾气温为 22. 4?, 22. 7?, 马家河湾下游至中宁为23. 1?, 23. 8?, 仍为温度最高地区; 甜水河中 下游为 23. 1?, 23. 7?, 比红寺堡高 1. 0?。 2. 2 新灌区农业气候资源分布 2. 2. 1 稳定通过 0?初终日、作物可能生长季及积温分布 春季日平均气温稳定通过 0?, 土壤开始解冻, 草木萌发, 秋季土壤开始冻结, 越冬作物停止生长。 ?0?积温可反映 12 供作物利用的总热量状况, 其持续日数表示广义的可能生长期或生长季。 红寺堡春季 稳定通过 0?的初日为 3 3, 5 3, 终日为 17 11, 19 11, 持续 247 , 251 , 比中宁略低,dd ?0?积温为 3 600?, 3 750?, 比中宁少 140?, 250?; 生长期罗山北部长, 东西两侧 短。?250 的区域分布在红寺堡西北和大罗山北部苦水河下游的广大区域, 积温分布特 d 征与?0?日数类似。 兴仁稳定通过 0?初日 4 3, 10 3, 终日 11 11, 15 11, 持续 236 d , 248 , 积温 3 380?, 3 640?。同心至马家河湾稳定通过 0? 243 , 245 , ?0?积温ddd 3 600?, 3 720?; 清水河下游气温稳定通过 0?为 250 , 260 , ?0?积温 3 750?,dd 4 000?, 长山头至陈麻井稳定通过 0?持续 260 , ?0?积温 3 900?, 4 000?, 分别高 d 出周围 10 和 150?, 是新灌区热量资源最丰富的地区。d 2. 2. 2 稳定通过 10?初终日、喜温作物生长期及积温 春季气温稳定通过 10?喜温作 物开始生长, 秋季停止生长, ?10?积温和持续日数是衡量喜温作物热量资源的重要指 标。11 红寺堡气温稳定 4 和 13 10, 17 通10过, 持续 10? 17初日0 d,为 18103 4d, , ? 1210 ?4,积温 终日 3为 450 11? 1,0, 3 13650 10?,, 持续 168 ,, 热量资源与 d 中宁相似, 长山头至陈麻井的高温区热量优于中宁。 173 , ?10?积温 3 220?, 3 360?, 以海子塘洼地最高。大罗山以北通过 10?初终日分 d 2. 2. 3 5 月, 9 月积温分布 为进行各开发区热量资源横向比较, 我们还绘出了新灌区 别为 9 4, 12 4 和 12 10, 15 10, 持续 170 , 180 , ?10?积温 3 300?, 3 560?, 是 dd ( )5 月, 9 月积温场, 以便于同期比较各开发区热量资源 图 2。 从 5 月, 9 月积温分布来 看, 红寺堡为 2 850?, 2 950?, 个别地区在2 950?, 3 000?, 大罗山以北的甜水河流域 发展喜温作物的理想地区。 兴仁通过 10?初终日分别为 16 4, 18 4 和 7 10, 11 10, 持 为 2 950?, 3 100?, 个别地区 3 100?, 3 150?; 兴仁为 2 750?, 2 900?, 大部分地区 续 160 , 170 , ?10?积温 2 980?, 3 270?, 热量资源属新灌区中最差的区域。 同心 dd 干旱地区农业研究 第 19 卷 70 在 2 750?, 2 800?之 间。 同 心 至 马 家 河 湾 为 2 850?, 2 950?, 马 家 河 湾 至 中 宁 为 2 950?, 3 150?。 清水河流域热量资源丰富, 与中宁相差无几, 红寺堡、韦州地区次之, 兴仁、喊叫水最差。 图 2 5, 9 月积温分布 . 2 F igA ccum u la ted tem p e ra tu re f rom M ay to Sep 3 结 语 为考虑新灌区作物布局、种植制度决策研究, 对无资料地区的温度分布状况及时空分 布状况进行详细推算, 为此对以往的小网格气候订正公式加以改进, 确定了各界限温度的 初终日期, 以引入短时段气候资料进行小网格订正, 使本项研究在深度和细度上有所突 破。小网格订正数字化图集包括年、季、月、旬温度场, 还有各界限温度初终日期、持续日数 及积温场, 给定经、纬度, 可方便地查出各地上述要素值。 本文仅列出了推算结果的一部 分。 参 考 文 献: 1 于沪宁, 李伟光. 农业气候资源分析和利用[M . 北京: 气象出版社, 1985. 276- 287. 2 翁笃鸣, 罗哲贤. 山区地形气候[. 北京: 气象出版社, 1990. 215- 236.M 3 刘静, 翟朝勋, 马力文. 宁夏引黄灌区地膜棉花发展前景的农业气候分析及区划[. 南京气象学院学报, 1998, 21 J ( ) 4: 648- 655. 4 翁笃鸣, 陈万隆, 沈觉成, 等. 小气候和农田小气候[. 北京: 农业出版社, 1979. 302- 316.M 5 ( ) 吕从中. 区划方法论探讨[J . 陕西气候, 1985, 1: 27- 35. 6 ( ) 李世奎. 省级农业气候区划总述[J . 气象科技, 1987, 2: 77- 82. 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