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行业专项成果综述-蒸渗计在气象观测中的应用试验研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2018/3/26 11:36:34   标签:   浏览次数:478

项目编号GYHY201106043

研究周期2011年1月—2015年12月

国拨经费355万元

项目负责人】杨兴国

项目骨干成员】张旭东、马鹏里、杨启国、李晓峰、党选发、孔令旺、申双和、左洪超、张富存、万长建、陈伯龙、郭春明、王英舜、师桂花、刘新生、陈荣毅

项目承担单位】甘肃省气象信息与技术装备保障中心

项目协作单位】南京信息工程大学、兰州大学、西北区域气候中心、中国气象局兰州干旱气象研究所、吉林省气象科学研究所、内蒙古自治区锡林浩特国家气候观象台、中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所、陕西省咸阳农业气象科研所

主要研究成果

1、为了实时掌握蒸渗计原状土与周围大田之间土壤湿度及温度差异,在蒸渗桶内与大田的20、40、80、160cm深度处,分别安装了自动土壤水分和温度传感器,实现了定量监测两者之间土壤水分与温度。同时安装了水分平衡系统,由系统自动启动给排水流程,基本实现了蒸渗桶内土壤水分与大田保持一致。采用C/S架构,自主研发了数据采集及处理系统,实现了自动采集蒸渗计、土壤水分自动调节系统、地温及大型蒸发皿的观测数据,自动启动水分平衡系统对蒸渗桶进行给排水。在兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地和南京信息工程大学农业气象实验站已建大型称重式蒸渗计(蒸渗桶面积4m2, 土柱深2.8m)的基础上,分别在上述两地,研制并建造了蒸渗桶面积为2m2和1m2、土柱深为2.0m和1.0m两种不同型号的称重式蒸渗计,并升级改造了新疆乌兰乌苏、陕西咸阳、内蒙锡林浩特的大型称重式蒸渗计,在吉林榆树新建一台4m2大型称重式蒸渗计。经过在半干旱地区定西与湿润地区南京近2年的对比观测试验,通过分析试验资料,综合考虑设备的精度、代表性、稳定性等因素,认为蒸渗桶面积为2m2、土柱深为2.0m的蒸渗计可以在相关的业务观测布局中使用。

    2、依据能量平衡原理和相互反馈机制,经过在我国北方干旱半干旱气候区不同下垫面蒸发皿蒸发量与蒸渗计蒸散量观测试验表明,蒸发皿蒸发量与地表实际蒸散量之间均存在非对称的互补关系。而且随着蒸发皿与周围环境之间非均匀性的增加,非对称互补关系中比例系数越大,蒸发强度Ipan 也越大。定量估算了风速、气温、空气湿度和太阳辐射等单个气象因子对蒸发皿蒸发量的贡献率,以及对蒸发皿蒸发影响的敏感性。四种气象因子对20cm蒸发皿影响敏感性从强到弱依次为气温、风速、太阳辐射和空气湿度,对Class A蒸发皿影响敏感性从强到弱依次为风速、气温、空气湿度和太阳辐射,对E601B蒸发皿影响敏感性从强到弱依次为空气湿度、风速、气温和太阳辐射。其中空气湿度与蒸发量为负相关,其余三个气象因子均为正相关。依据能量守恒和边界层气象学理论构建了蒸发皿蒸发的数学物理模型,经过与观测试验对比验证,模型模拟的蒸发皿蒸发量与实际观测的大小和变化一致性较好。

    3、经过观测试验表明,华东湿润地区春玉米、冬小麦和水稻全生育期总蒸散量分别为366.02mm、423.6mm和763.26mm,由于降雨量在部分作物生育期不能满足其需求,需要进行适当的人工灌溉,影响作物蒸散量最主要的气象影子是净辐射。东北地区春玉米生长季蒸散量为362.3mm,降水量为542.8mm,降水能够满足玉米生长需求。新疆干旱区膜下滴灌棉花蒸散量为479.1mm,而降水量仅为122.5mm,土壤可利用水量为48.2mm,需要人工灌溉量为308mm。内蒙古东部半干旱区典型草原年蒸散量349.3mm,年降水量317mm,年蒸散量与降水量接近,土壤水分基本保持平衡。西北地区东部半干旱区冬小麦蒸散量为665.0mm, 降水量为192.1mm,无法满足冬小麦生长所需水量,需要进行适量灌溉。华东地区冬小麦各发育阶段实测作物系数分别为Kcini=0.71,Kcmid=1.15,Kcend=0.20,水稻各发育阶段实测作物系数分别为Kcini=1.0,Kcmid=1.63,Kcend=0.8。东北地区春玉米在初始生长期和发育中期实测作物系分别为0.20、0.99。内蒙东部半干旱地区典型草原草地生长前期(5月)作物系数平均值为0.15,生长中期(6~8月)作物系数平均值为0.41,生长后期(9月)作物系数平均值为0.21,比水分不受胁迫条件下的草原作物系数(0.43、1.02、0.90)均偏小。

4、地表凝结水是湿度因子、热力因子和动力因子综合作用的结果。我国西北半干旱地区秋季地表凝结水持续时间可以长达14 h,日最大凝结量可以达到0.33mm,最小凝结量为0.09mm,日平均凝结量为0.23mm。地表凝结水出现频率与风速、大气相对湿度、气温、地-气温差等大气影响因子有显著关系。从地表凝结水发生频率的分布特征来看,在风速0.5-2m/s、相对湿度>80% 及温度-露点差为-3-6℃ 、地-气温差<±2℃ 条件下更易形成地表凝结水。

成果应用情况

  1、本项目研制和建造的称重式蒸渗计分布在我国北方干旱、半干旱、半湿润和湿润区,涉及玉米、棉花、冬春小麦和水稻等主要作物,以及典型草原,可实时提供不同气候区主要农作物耗水量,将为气象为农服务、生态气象服务等提供基础观测数据和科技支撑,进一步提高服务产品的科技含量。重新修订的水稻、冬春小麦、玉米、棉花、典型草地的作物系数,将为定量估算作物耗水量提供可能,也可为农业气象干旱监测提供技术支持。目前,相关技术已经应用到新疆棉花、陕西冬小麦、吉林玉米等主要农作物的需水量监测,以及定量灌溉计算业务中。所建立的土壤蒸发和作物蒸腾分离模型所需参数较少,机理过程明确,模拟值可以解释农田蒸散观测值的70%-80%,精度较高,对进一步加深理解农田土壤水分运移、植物水分传递的规律以及土壤-植被-大气间的水汽交换的生物、物理学机制有重要意义,并可望为气候变化背景下基于地表蒸散的中小尺度水资源管理、发布农业旱情监测和旱灾预警、评估,实现基层气象台站精准化预报服务等提供决策参考。

2、通过系统的观测试验,得出的风速、气温、空气湿度和太阳辐射四种主要气象因子对20cm(直径20cm)、Class A(直径120cm)和E601B(直径61.8cm)三种不同型号蒸发皿蒸发量的定量影响结果,以及依据能量守恒和边界层气象学理论构建的蒸发皿蒸发的数学物理模型,将为进一步探讨蒸发皿蒸发量的代表性问题提供技术支撑,也将为深入研究引起蒸发皿蒸发量变化的气候现象提供基础技术方法。经过在我国北方干旱半干旱气候区不同下垫面蒸发皿蒸发量与蒸渗计蒸散量观测试验,得出的蒸发皿蒸发量与地表实际蒸散量之间均存在非对称互补关系的结论,将有助于揭示造成 “蒸发佯谬”的原因,加深理解地表蒸发量与蒸散量的物理关系。

3、在干旱半干旱地区得出的地表凝结水定量观测结果,以及风速、大气相对湿度、气温、地-气温差等大气因子对其的影响分析,将有助于进一步探讨干旱半干旱地区生态系统中地表水分平衡及提高水分利用率的科学问题,也将为改进该区域大气数值模式中地表水分模拟提供科学依据。

    4、2015年在锦州市生态与农业气象中心推广建设蒸渗计1套(4个),实现利税30万元。2017年在河北省气象科学研究所推广建设蒸渗计1套(4个),实现利税20万元。

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