基于HadCM3模式的气候变化下北京地区冬小麦耗水研究

水

文章编号：0559-9350（2010）09-1101-07利学报基于HadCM3模式的气候变化下北京地区冬小麦耗水研究

丛振涛，辛儒，姚本智，雷志栋

（清华大学水利水电工程系，水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084）

摘要：气候变化在影响作物生长及农业生产的同时，也对作物耗水过程发生影响，进而影响能量平衡与水分循环、影响作物耗水及灌溉需水量。本文采用IPCC第四次报告中给出的未来气候变化情景中的COMMIT、SRA1B、SRA2和SRB1，选用大气环流模式HadCM3，利用作物模型CERES，模拟不同的灌溉处理下、不同的预测期内北京地区冬小麦的生长和耗水过程，分析气候变化对冬小麦耗水的影响。结果表明，对于未来气候变化情景下的北京地区冬小麦，生长期内的日平均气温明显升高，辐射下降；生长期缩短，生长期长度与气温存在良好的负相关关系；充分灌溉下产量与腾发量均有不同程度的下降；设定灌溉下产量与腾发量规律不明显；无灌溉下产量与腾发量以下降为主；灌溉需水量有所减少，平均降幅8.4%；产量与耗水量大体上呈正相关关系。

关键词：气候变化；耗水；冬小麦；HadCM3；CERES

中图分类号：S162.5+文献标识码：A

1研究背景

全球气候变化日益引起世界各国政府与民众的广泛关注。。气温增加、CO2浓度变化、降水［1-3］

量及频率变化都会对作物生长产生直接影响。气候变化在影响作物生长及农业生产的同时，也对作物耗水过程发生影响，进而影响能量平衡与水分循环、影响作物耗水及灌溉需水量。气候变化对农业生产影响的研究，除了定性分析，主要通过气候模式模拟未来情景下的气象条件，利用作物生长模拟模型定量模拟未来气象条件下的生长过程与产量。

需水的影响［11-12］［4-10］。评估气候变化对作物耗水可能影响的研究主要有两类：一类以Penman-Monteith等潜在腾发量的计算公式为基础，分析气候变化对作物；一类通过气候模式模拟未来情景下的气候条件，然后利用作物生长模拟模型定量模拟未来气象条件下的作物耗水与灌溉需水量。气候变化情景，可以通过分析历史资料或进行气象条件的假定（如气温升高1℃）得到，大多数的研究采用IPCC提出SERS（SpecialReportonEmissionSce narios）系列情景。气候变化的模拟，以大气环流模式（GCMs，GeneralCirculationModels）为代表。GC Generator）得到逐日气象资料，应用广泛的天气发生器有WGEN、CLIGEN和LARS-WG等［1］。在气候变化对作物耗水及灌溉需水量的影响研究方面，HadCM模式得到了广泛应用

型以及美国农业部开发的CERES系列模型，国内有RCSODSWheat［18］［16］［5，13-15］Ms的空间尺度较大，一般为几百公里。GCMs的时间尺度为月，需要利用天气发生器（WG，Weather。作物生长与耗水的模拟，主要采用作物模型，具有代表性的作物模型是荷兰的WOFOST系列模、WheatGrow模型［17］和ThuSPAC－

SAT-CERES等。已经在分析气候变化对作物耗水影响中得到应用的作物生长与作物耗水模型包括DS

［19］、CropWat4［20］和SWAP［21］等。已有的研究，较多关注灌溉需水量的变化，这些研究一

［16，21-22］般认为未来气候变化情景下，灌溉需水量将有所增加，增加的幅度为10%～30%。

本文采用IPCC第四次报告中给出的未来气候变化的8种情景中的4种，选用大气环流模式Had 来稿日期：2008-10-03

基金项目：国家自然科学基金项目（50979039；50939004）

作者简介：丛振涛（1973-），男，辽宁瓦房店人，副教授，主要从事水文水资源研究。E-mail：congzht@http://doc.guandang.net。

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CM3，利用作物模型CERES，模拟不同的灌溉处理方式、不同的预测期内北京地区冬小麦的生长和耗水过程，分析气候变化对冬小麦耗水的影响。

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2.1研究方法IPCC情景与HadCM3模式在2007年IPCC第四次报告中，将未来气候变化情景归为8种，分别是：（1）1PTO2X：温室气体按1%速率增加至两倍后稳定；（2）1PTO4X：温室气体按1%速率增加至四倍后稳定；（3）20C3M：温室气体按20世纪增加速率增加；（4）COMMIT：温室气体维持在2000年水平；（5）PICTL：温室气体维持在工业化以前的水平；（6）SRA1B：经济高速增长，人口增长缓慢，新技术迅速得到应用；（7）SRA2：世界发展极其不均衡，自给自足和地方保护主义，人口持续增长，经济增长速度较慢；（8）SRB1：世界均衡发展，更加公平地在全球范围实现经济、社会和环境的可持续发展。这些情景是开展气候变化影响研究的基础。［1］

HadCM3在现状（1961—1990年）、2020s（2011—2030年）、2050s（2046—2065年）、2080s（2080—2099年）的逐月气象资料模拟结果，栅格大小为2.5°x3.75°（纬度×经度），共73×96个。HadCM3模型提供的原始数据为netcdf格式，可以用Matlab的MEXNC插件读取数据。

2.2试验站模型参数率定时采用的气象资料、土壤资料和作物生理资料均取自北京市水利科学研究所永乐店试验站结合国家自然科学重点基金项目“农田节水灌溉的增产与环境影响效应研究”进行的田间试验。试验站位于北京市通州区（地理坐标为116.8°E、39.7°N），土壤以粉壤土及砂壤土为主。试验区分为6行（编号A-F）、5列（编号1-5）共30个小区，每个大小为10m×5m，用混凝土板隔HadCM模型由英国气象局Hadley气候预测研究中心开发，目前版本为HadCM3。IPCC给出了开。小区南侧布置有小型气象站。试验开展时间为1998年10月—2001年9月，共播种3季冬小麦。试验测定的项目主要包括：气象资料、农艺资料、作物生理资料、土壤水热状况、土壤养分资料和作物含氮情况等。3年冬小麦品种均选用京冬8号（原代号为京农88-66）。3年的播种日期均为10月4日，收割日期分别为6月12日、6月12日和6月10日，播种量为300kg/hm。

根据HadCM3提供的数据，在栅格大小为2.5°×3.75°（纬度×经度）的栅格中选取北京永乐店所在位置的栅格：北纬（37.5°～40.0°）东经（116.25°～120.0°），见图1。以该栅格的数据作为未来气候变化情景下的气象数据。2

图1北京所在栅格位置永乐店位置

2.3CERES模型与参数率定CERES（CropEnvironmentREsourceSynthesis）由美国农业部开发，是最具代表性的作物模型之一。经不断改进，目前CERES-Wheat的最新版本为4.0。本研究采用美国农业部农业技术转移决策支持系统（DSSAT）v3.5中的CERES-Wheat模块。CERES-Wheat模型能够通过输入相对较少且容易获取的遗传参数和气象资料日值、土壤资料，模拟不同气候条件、土壤水分条件、氮肥条件、CO2浓度条件下冬小麦的生长过程，并可以计算出作物蒸发蒸腾量即水资源消耗量。—1102—

由计算春化作用、冬小麦冻害、分蘖和各生长阶段时期等模式组成；（2）生长子程序（GROSUB），包括计算叶片生长、叶片衰老、叶面积增加、光能量的截获、光合作用、植株不同器官生物量的分CERES-Wheat模型由主控程序和4个主要子程序组成，包括：（1）阶段发育子程序（PHENOL），配、茎杆、根和穗生长等模式；（3）土壤水分平衡子程序（WATBAL），有计算土壤径流、渗透、土壤蒸发、植物蒸腾、植物吸收的水分、水分胁迫和根分布等若干个模式；（4）氮素平衡子程序（NTRANS），包含计算土壤矿化速率、固氮、氮的硝化等模式。CERES-Wheat模型的输入文件包括试验管理文件FILEX、田间实测摘要文件FILEA、天气数据文件FILEW、土壤文件FILES、遗传参数文 …… 此处隐藏：10956字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……