AMETE 气象学的进展 1687 - 9317 1687 - 9309 Hindawi 10.1155 / 2020/3691421 3691421 研究文章 减少潜在蒸散和对作物产量的影响在1961 - 2014年的华北平原 https://orcid.org/0000 - 0002 - 1289 - 4473 越南盾 Wanlin 1 2 李 曹国伟 3 胡 气 4 锅 飞飞 5 https://orcid.org/0000 - 0001 - 8369 - 1748 班达里 乔蒂 2 https://orcid.org/0000 - 0003 - 1705 - 1165 太阳 中国 2 6 塔里克 萨勒曼 1 中国气象局培训中心 北京100081年 中国 2 生态系统网络重点实验室观察和建模 地理科学研究所和自然资源的研究 中国科学院 北京100101年 中国 cas.cn 3 北京市门头沟区气象局 北京102308年 中国 4 资源与环境科学学院 中国农业大学 北京100193年 中国 cau.edu.cn 5 地理学系 北德克萨斯大学 丹顿 TX 76203 美国 unt.edu 6 大学的资源和环境 中国科学院大学 北京100190年 中国 ucas.ac.cn 2020年 16 3 2020年 2020年 10 06 2019年 23 12 2019年 16 3 2020年 2020年 版权©2020 Wanlin盾等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

气候变化引起的不均匀变化的水文过程(降水和蒸散)规模space-temporal,这最终会影响气候类型,影响农业生产。基于来自61个气象站的数据从1961年到2014年在华北平原(NCP),气候的时空特征变量,如湿度指数、降水和潜在蒸散等0),进行了分析。灵敏度系数和贡献率等0。全国大会党经历了半干旱潮湿的气候从南到北的大幅下降等0(−13.8毫米的十年−1)。在这项研究中,71.0%的网站显示“蒸发锅悖论”现象。相对湿度最负面的影响等0,而风速、日照时数和空气温度有一个积极的影响等0。风速和日照时数的贡献最的时空变化等0,紧随其后的是相对湿度和空气温度。总的来说,关键气候因子影响等0在全国大会党风速下降,特别是在北京和天津。山东和河南两省的作物产量高于其他地区更高的湿度指数。河北省湿度指数越低,作物产量越低。因此,潜在的水资源短缺和水冲突应该考虑在未来因为在全国大会党时空的湿度变化。

 中国国家重点研究和发展项目 2017年yfc0503805 2017年yfd0300304 1。介绍

水文过程和作物水分需求修改了气候变化对地方、区域和全球尺度( 1, 2]。气候变化的修改与此同时表面空气温度增加。

在实际水文循环,土壤水分蒸发蒸腾损失总量和潜在蒸散等0)扮演了重要的角色 3),特别是在土壤和作物蒸发蒸腾,最终影响农作物产量。等水蒸发的数量来衡量一个地区现有的大气条件下( 4]。等是由两个过程同时发生:从叶子的蒸腾作用和土壤表面蒸发( 5]。等0计算的最大数量的水,可以失去了水蒸气在给定的环境中,由一个连续的,广泛的植被覆盖地面没有缺水时( 6]。等0是由气象条件和表面类型( 7]。因为等0计算从降水、温度、相对湿度、风速和日照时数( 8- - - - - - 10),任何这些变量的变化可能会改变等0。此外,这些变化创造了更多的良性或压力等条件0( 11, 12]。等0有重大影响水资源的可用性( 13),因此影响农业生产力。植物生长计划通常需要等信息0( 14, 15)来估算作物蒸腾。因此,研究等0在气候变化已经成为一个有趣的研究问题,全世界的科学家。此外,重要的是识别的变化等0在区域范围内。

湿度指数( K)、降水变化和等0被应用于估计干湿变化。以前的气候类型的研究只考虑温度和降水的影响( 16, 17不包括相对湿度的影响,太阳辐射、风速和日照时数。因此,为了理解气候变化的变化特点,集成水资源管理是很重要的。此外, K可以应用于预测模型场景会坚持至关重要的农业地区。因此,评估等0和 K分布可以解释气候变化和水文过程之间的关系。这将导致合理的水管理和管理维护系统特性。

在全国大会党,夏玉米( 玉米l .)占全国产量的33%,而冬小麦占全国产量的50% ( 18]。增加温度和减少降水可能减少几个主要作物的产量在未来二十年( 19]。缺水会加剧中国北方的主要粮食生产带( 20., 21]。Bergamaschi et al。 22)表明,作物产量将减少10 - 20% 2050,因为变暖和干燥。因此,理解这些地区的水文分布是至关重要的农业水资源管理和调整种植模式。

目前,很少有研究在气候时空变化类型通过集成输入(降水)和输出(蒸散)的大气水汽在全国大会党。因此,本研究的目标是(1)量化空间的变化和时间的变化等0和 K在从1961年到2014年,全国大会党(2)定量解释变化的原因等0通过分析灵敏度系数和贡献率,(3)分析之间的关系等0和作物产量。结果可能是有用的农业规划和布局。

 2。材料和方法 2.1。研究区域与数据

研究区位于全国大会党(31-43°N和110 - 123°E),有一个温暖、温带季风气候。在夏天的降水变化显著。主要作物是夏玉米和冬小麦。年平均温度和年平均降水量为13.0°C和586毫米,分别为( 23]。土壤的粉砂壤土种植层中的纹理。这项研究是建立在北京,天津,河北,河南,山东。

在这项研究中,每日气象数据来自1961年1月至2014年12月全国大会党(表中获得60台 1)。这些数据包含了日常的意思是,最小和最大温度、日照时数、风速、降水、相对湿度由中国气象局国家气候中心( http://cdc.cma.gov.cn)。风速度10米高度在2 m转换为风速高度使用的风速剖面关系介绍艾伦et al。 24),见方程( 1)。观察到的数据集已经受到严格的质量和均匀化控制。站的地理位置如图 1。 (1) u 2 = u z 4.87 在 67.8 z − 5.42 , 在哪里 u2是风速度高出地面2米(m·s−1), uz风速度吗 z米(m·s−1), z离地面的高度是测量表面(m)。

地理特征信息中每个气象站的研究。

不。 省 网站 纬度(°) 经度(°) 高度(米)
1 北京 怀柔 40.72 116.55 487.9
2 密云 40.38 116.87 71.8
3 北京 39.80 116.47 31.3
4 河北 Zhangbei 41.15 114.70 1393.3
5 Weixian 39.83 114.57 909.5
6 石家庄 38.03 114.42 81.0
7 邢台学院 37.07 114.50 77.3
8 Fengning 41.22 116.63 661.2
9 Weichang 41.93 117.75 842.8
10 张家口 40.78 114.88 724.2
11 Huailai 40.40 115.50 536.8
12 承德 40.98 117.95 385.9
13 Zunhua 40.20 117.95 54.9
14 青龙 40.40 118.95 227.5
15 秦皇岛 39.85 119.52 2。4
16 廊坊 39.12 116.38 9.0
17 唐山 39.67 118.15 27.8
18 让 39.43 118.88 10.5
19 保定 38.85 115.52 17.2
20. Raoyang 38.23 115.73 19.0
21 黄花 38.37 117.35 6.6
22 Nangong 37.37 115.38 27.4
23 河南 安阳 36.05 114.40 62.9
24 新乡 35.32 113.88 73.2
25 Sanmengxia 34.80 111.20 409.9
26 吕氏 34.05 111.03 568.8
27 Mengjin 34.82 112.43 333.3
28 Luanchuang 33.78 111.60 750.3
29日 郑州 34.72 113.65 110.4
30. 许昌 34.03 113.87 66.8
31日 开封 34.78 114.30 73.7
32 摘要西夏 33.30 111.50 250.3
33 南阳 33.03 112.58 129.2
34 宝丰 33.88 113.05 136.4
35 西华 33.78 114.52 52.6
36 南阳 32.61 113.67 153.0
37 Zhumadian 33.00 114.02 82.7
38 信阳 32.13 114.05 114.5
39 商丘 34.45 115.67 50.1
40 固始县 32.17 115.62 42.9
41 山东 Huiminxian 37.48 117.53 11.7
42 污水 37.12 117.88 122.3
43 长岛各 37.93 120.72 39.7
44 龙口 37.62 120.32 4.8
45 成山头 37.40 122.68 47.7
46 朝阳 36.23 115.67 37.8
47 济南 36.60 117.05 170.3
48 广州机床厂 36.18 118.15 305.1
49 烟台 37.23 120.49 48.6
50 潍坊 36.75 119.18 22.2
51 青岛 36.07 120.33 76.0
52 海阳 36.77 121.18 40.9
53 Gunzhou 35.57 116.85 51.7
54 Feixian 35.25 117.95 121.2
55 车险 35.58 118.83 107.4
56 日照 35.43 119.53 36.9
57 临沂 34.96 118.51 36.2
58 天津 蓟县 40.17 117.45 5.1
59 天津 39.08 117.07 2。5
60 塘沽 39.05 117.72 4.8

在中国分布的气象监测站(a)和(b)研究区域。

 2.2。数据分析 2.2.1。估计湿度指数(K <斜体> < /斜体>)

湿度指数的比值计算潜在蒸散和降水 (2) K = P 等 0 , 在哪里 P是每日降水(mm·d−1),等0每日潜在蒸散(毫米·d−1)。基于湿度气候地区的分类索引表中列出 2( 25]。

湿度指数( K)。

湿度指数 气候地区
K< 0.03 极度干燥气候地区
0.03 K< 0.2 干旱气候区
0.2 K< 0.5 半干旱气候区
0.5 K< 1.0 Semihumid气候地区
K> 1.0 潮湿气候地区

等0由Penman-Monteith计算公式( 24]: (3) 等 0 = 0.408 R n − G + γ 900年 / T + 273年 U 2 e 年代 − e 一个 Δ + γ 1 + 0.34 U 2 , 在哪里 Rn是在地表净辐射,乔丹·m−2·d−1, G土壤热通量密度,乔丹·米−2·d−1, γ kPa°C,湿度不变吗−1, T每天平均空气温度,°C, U2风速的高度是2米,m·s−1, e年代饱和蒸汽压,kPa, e一个是实际的蒸汽压、kPa和 Δ饱和水蒸气压力曲线的斜率,kPa°C−1。计算所需的所有数据计算等0随后在第三章中给出的方法和步骤FAO-56 [ 24]。

 2.2.2。敏感性分析和灵敏度系数

敏感性分析等0方程是一个有效的方法来分析气象因素等的影响0( 26]。先前的研究显示,使用无量纲的相对灵敏度系数来解释气候变量的影响等0( 27]: (4) 年代 V 我 = lim Δ V 我 ⟶ 0 = Δ 等 0 / 等 0 Δ V 我 / V = ∂ 等 0 ∂ V 我 V 我 等 0 , 在哪里 年代 六世的灵敏度系数 我th气候变量等0潜在蒸散,毫米·d−1, Δ 等0等的日常变化吗0, V 我是 我th气候变量, ΔV 我的变化是 V 我。积极/消极 年代 六世一个变量的显示等0会增加/减少气候变量。越大 年代 六世,气候因素等的影响0。

 2.2.3。归因率的计算

归因率 G v 我 用于链接气候变量等0: (5) G v 我 = 年代 v 我 × R v 我 , 在哪里 G v 我 的贡献吗 我气候变量等0, 年代 v 我 灵敏度系数, R v 我 的相对变化率是吗 我th气候变化,这是由方程( 5)。的意思 G 六世是一样的 年代 六世。

在这项研究中, 年代 v 我 和 G v 我 每日空气温度、太阳辐射、相对湿度和风速估计量化每个因素的贡献的变化等0。 (6) R V 我 = Δ V 我 V ¯ 我 = n × 趋势 V 我 V ¯ 我 , 在趋势 六世气候倾向率吗 我由方程(th气候变化和计算 6), V 我 ¯ 是气候变化的平均值, n是时候了。在这项研究中, n= 54。

 2.2.4。气候趋势

气候倾向率的趋势 六世)是由最小二乘法计算: (7) X 我 = 一个 t + b , t = 1、2、3 … n , 在哪里 X 我是 我气候变化, t在几年的时间,一个是回归系数,10× 一个气候倾向率, b是常数参数。

 3所示。结果 3.1。每年和湿度指数的空间变化和趋势

湿度指数( K)表现出上升趋势从北到南,从0.34到1.20(图 2(一个)),这表明从半干旱地区不同的气候潮湿的从北到南。和中西部河北西北半干旱的气候,而在河南南部是潮湿的, K1以上。其他地区semihumid气候, K从0.5到1.0不等。

空间分布的湿度指数(a)和湿度指数(b)的倾向率从1961年到2014年。

的倾向率 K−0.005十年−1( P = 0.63 ),它显示出轻微的干燥趋势从南到北(图 2 (b))。百分之三十五的网站(总= 60)主要分布在南部NCP的倾向 K0以上,这表明这些地区是湿的。与趋势的其他网站 K低于0,尤其是山东、河北北部,东部与趋势的干燥 K下面−0.01十年−1。

 3.2。在降水年代际变化和ET <子> 0 < /订阅>

降水的趋势率−12.4毫米的十年−1,这表明降水的下行趋势。突然东南部降水倾向率下降主要是观察到河北和山东东南部(图 3(一个))。只有10.0%的网站有一个倾向的降水率在0。

降水的空间分布(a)和等0(b)倾向率从1961年到2014年。

的等0倾向率−13.5毫米的十年−1(图 3 (b)),这表明从1961年到2014年呈下降趋势。的等0倾向率在0.05显著水平71.0%的网站,尤其是在中东河北和山东中南。

 3.3。灵敏度温度系数(<斜体> < /斜体> <子> T < /订阅>),相对湿度(S <子> RH < /订阅>),阳光小时(S <子> SH < /订阅>),和风速(S <子> WS < /订阅>)等<子> 0 < /订阅>空间尺度和年度计划

年代T变化从0到0.15(图 4(一)),这意味着等0随温度增加。 年代T在东南高,特别是在河南省,虽然mid-region达到顶峰,如北山东、北京、天津和河北北部。 年代RH变化从0.70−−0.19(图 4 (b)),这表明,等0随着相对湿度的增加而减少。的空间分布 年代RH从南东表现出下降的趋势。的 年代RH在山东东部较高,绝对值高于0.5。在南河北和北京的绝对值 年代RH低于0.4。的 年代上海在所有地区高于0,平均值为0.18(图 4 (c))。的 年代上海表现出上升趋势从北到南。 年代WS范围从0.10到0.31(图 4 (d)),显示一个向下的趋势从北到南。的 年代WS在北部地区的一部分,例如,河北北部,北京和天津,高于0.21,虽然在河南南部,但低于0.18。

灵敏度系数的空间分布主要气象因素影响等0从1961年到2014年。(一)温度。(b)相对湿度。(c)阳光小时。(d)风速。

 3.4。气候因素归因率等<子> 0 < /订阅>空间尺度和年度计划

G v 我 应用在这个研究表明ET的相对变化吗0造成各气象因素。归因的空气温度等0( GvT(图)包括−0.5%到4.0% 5(一个))。 GvT北部和东部地区的全国大会党是超过1%,虽然低于1%的其它地区。归因的相对湿度等0( GvRH(图)包括−4.7%到10.1% 5 (b))。 GvRH在河北北部和西南部山东低于0。归因的阳光小时等0( G太小(图)包括−8.4%到0.2% 5 (c))。 G太小高于0只在一个网站。的空间分布 Gv 上海显示一个向下的趋势从北到南。归因的风速等0( G大众(图)包括−19.1%到4.9% 5 (d))。最高的绝对值 G大众在北京和天津。

空间分布的归因率等0从1961年到2014年的主要气象要素。(一)温度。(b)相对湿度。(c)阳光小时。(d)风速。

归因的空气温度和相对湿度等0是积极的,这表明,ET0这两个气候因素增加而增加。然而,的机制 GvT和 GvRH是不同的。 GvT是积极当灵敏度系数是积极的,倾向率(0.24°C的十年−1(图)的空气温度增加 6(a))。 GvRH灵敏度系数时是积极和负面的倾向率(0.44十年−1相对湿度下降(图) 6(c))。归因的阳光小时风速是负数,这表明两个气候因素的变化降低等0。归因的气候因素等0是按照以下顺序:风速>阳光小时>空气相对湿度>温度。

 4所示。讨论

气候的变化类型是由于对各种气象变量及其归因等0在全国大会党。等0相对湿度是最敏感的,这有一个负面影响。这是符合胡等人的研究。 28在中国东北。影响的因素等0根据位置显著不同。霍et al。 3)表示,等0非常敏感的2 m风速和相对湿度在中国西北。在西班牙南部,等0是敏感的空气温度和辐射在温暖的季节,到2米风速在凉爽的季节 29日]。在澳大利亚,温度是最重要的因素等0之间的第二重要的因素不同,但干燥和潮湿的集雨[ 30.]。杨et al。 31日显示的灵敏度等0气候因素变化从低海拔到高海拔。的敏感性等。0气候因素是地区由于气候条件和气候因素变化与区域变化(不同 30., 31日]。在这项研究中,风速降低ET的下降的主要原因0从1961年到2014年。然而,气候倾向率很低,导致归因率相对较低。

一般来说,温暖的气候导致蒸发和土壤水分蒸发蒸腾损失总量的增加。然而,观察锅蒸发率一直拒绝在世界的大部分地区,在过去几十年( 8, 9, 32, 33),这被称为蒸发锅悖论现象( 34]。同时,那些只考虑空气温度等的影响0气象,不考虑其他因素,如风速、相对湿度、日照时数。它显示显著增加的趋势等0( P = 0.1 )在1961 - 1990在整个西非地区( 35]。虽然气温显著增加的速度0.24°C的十年−1下降的影响,风速和日照时数大于空气温度的增加,导致显著的下降等0在全国大会党。这种模式的变化是一致的发现Dinpashoh et al。 36)在伊朗西北部的站选择网站的(86%)也显示增加的趋势等0在1997年和2016年之间。然而,侯et al。 37)显示,温度是关键的变量导致增加等0由于其灵敏度等0和显著增加的趋势。

农业占至少90%的总用水量在干旱和半干旱地区 38]。缓解水分胁迫的一个重要方法是提高农业水资源管理。全面了解一个agro-hydrological过程为减少农业用水奠定了基础。在存在浅水表、地下水提供了重要来源在干旱和半干旱地区作物用水( 39, 40),影响农作物生产。气候类型取决于降水和ET的变化率0。重要的问题涉及的评估干旱对农业的影响。作物产量和干旱发生数据密切相关[ 42, 42),但一致性分析干旱趋势来源于湿度指数和农业干旱调查是稀疏的。作物产量显著增加( P ≤ 0.001 学习区(图) 7),依照 K在每个区域。作物产量是山东和河南,一个 K的0.70和0.77,与之相比,在天津,北京,河北(表 3)。最低的 K(0.53)是河北省以及作物产量最低。因此,应考虑区域水平衡和干旱或洪水风险在这些领域都可能减少。中国已调查了农业干旱地区几十年来,所以调查的程度是很重要的 K和等0与农业干旱的调查,特别是在他们的气候趋势。

温度趋势率(a)、相对湿度(b),日照时数(c),风速(d)从1961年到2014年的全国大会党。

作物产量从2000年到2013年。

一年一度的湿度指数( K在每个地区)从1961年到2014年。

网站 山东 河南 北京 天津 河北
K价值 0.70 0.77 0.54 0.54 0.53
5。结论

全国大会党经历了半干旱潮湿的气候从南到北基于湿度指数由于轻微的降水变化和ET的大幅下降0空间尺度和年度计划。在这项研究中,71.0%的网站显示“蒸发锅悖论”现象。等0最敏感的相对湿度,尤其是在山东东部,紧随其后的是风速。等的主要原因0降低风速,归因率最高,特别是在北京和天津。越高湿度指数在山东和河南,作物产量越高。河北省湿度指数越低,作物产量越低。有必要分析等的影响0对作物产量在不同作物生长阶段。

 数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现已经存入3691421 - 2019年的数据。xls库和包括在本文中。

 信息披露

第一作者是Wanlin盾。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

这项研究受到了中国国家重点研发项目(2017 yfc0503805和2017 yfd0300304)。

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