专利名称：一种干旱预警方法和预警系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及自然灾害预测领域，更具体地说，涉及一种干旱预警方法和预警系统。
背景技术：
干旱是一种比较特殊的自然灾害，持续时间长、波及范围广、治理难度大是其主要的特点。干旱作为一种全球普遍存在的自然灾害，有120多个国家和地区每年不同程度地遭受干旱灾害的威胁，我国就是饱受干旱灾害之苦的国家之一。因此，气象干旱、土壤干旱的预警显得尤为迫切。干旱预警是根据干旱成因和干旱发生规律，分析前期干旱程度，结合未来天气气象要素变化，预测未来干旱发生的时间、范围和强度，并结合干旱预警发布条件，确定发布干旱警报。虽然，国内外已经对干旱预警展开了大量的研究，但是综合考虑气象、土壤和不同农作物生长发育状况，进行区域干旱预警，国内外尚且缺少行之有效的方法。 传统的干旱预警的方法只是依靠单一的气象或土壤信息，对某一预警区域的干旱程度进行预警，而作物干旱不仅受到预警区域气候条件的影响，还受到作物生长状况、土壤类型、土壤水分状况等多方面的影响，对于某一预警区域或灌溉区域，相同的土壤水分状况，不同农作物甚至同一农作物的不同生育阶段缺水程度也会有所不同，如果只考虑气象或土壤干旱指标、则可能导致有些农作物缺水而另外一些作物浇灌过量。因此，如果不将气象、土壤与农作物生长发育和天气预报信息进行综合考虑进行干旱预警和水资源合理配置，将会造成水资源利用的不合理和浪费。并且，传统的干旱预警只是对单一田块的干旱预警，不能准确反映某一区域的干旱程度，因此，不能及时进行区域范围内的抗旱防灾工作。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种干旱预警方法，以实现农业水资源的优化配置和区域范围内的干旱预警。一种干旱预警方法，包括获取预警区域作物的种植分布信息，所述种植分布信息是指，不同作物的种类和空间分布情况；采集预警区域天气预报信息、预警区域地理信息、水文地质参数及初始土壤含水
量信息;计算所述作物的参考蒸发蒸腾量和作物系数，所述参考作物蒸发蒸腾量是根据所述天气预报信息和预警区域地理信息计算得到的，所述作物系数利用预先储存的作物生物学下限温度结合天气预报信息计算得到；根据所述参考作物蒸发蒸腾量和作物系数计算得到作物实际蒸发蒸腾量；根据预先得知的作物所处的生育阶段、所述水文地质参数、所述初始土壤含水量和作物实际蒸发蒸腾量计算得到所述预警区域土壤计划湿润层内的相对含水量；
比较所述相对含水量和干旱阈值下限判断作物的干旱程度，当判断所述相对含水量小于干旱阈值下限时，则作物干旱，当所述相对含水量大于或者等于干旱阈值下限时，则作物水分适宜；将所述作物的种植分布信息、预警区域天气预报信息、参考作物蒸发蒸腾量信息、土壤相对含水量、作物实际蒸发蒸腾量和作物的干旱程度，利用地理信息系统生成空间分布图并显示。优选地，所述地理信息包括预警区域的土地利用率、预警区域不同空间位置的经纬度和高程信息、预警区域的植被覆盖率和预警区域土壤类型信息。优选地，所述参考作物蒸发蒸腾量是根据所述天气预报信息和预警区域地理信息计算得到的，具体包括天气预报中的定性信息定量化； 根据所述预警区域地理信息和所述定量化后的天气预报信息，利用彭曼-蒙特斯公式、彭曼修正公式、索恩斯威特公式或者泰勒公式计算所述作物的参考作物蒸发蒸腾量。优选地，所述天气预报中的定性信息定量化包括降雨量定量解析和风速定量解析。优选地,所述降雨量定量解析具体为根据气象观测规范，将天气预报信息中的降水量等级转变为降水量值Pt，根据条件的不同，将降水量值转换为有效降水量值，具体计算公式为
Pe - P1 O < P. < AQmm
^ /:=40 + ^7,1 1.2525(7^-40)!)·84' -2.935224 |( Ο'λ55ΠΚΙΙ;<!0 '11) P > 40mm其中SF = O. 531747+1. 16063 X 1(T2D_8· 943053 X l(T5D2+2. 3213432 X KT7D3式中Pe为有效降水量(mm) ;Pt为日或旬平均降水量(mm) ;ET。为日或旬平均作物需水量(mm) ;SF为土壤水分贮存因子；D为可使用的土壤贮水量(mm)，一般取为作物根区土壤有效持水量的40% 60%。优选地,所述风速定量解析具体为根据气象标准，将风力等级解析为IOm处的风速，然后采用以下公式换算为2m处的风速值
4.87U2 = ·"_ ·——~——
Ini 67. Sz-5.42)式中，U2为地面2m处风速(m/s) ;uz为距离地面zm处风速(m/s) ;z为风速测量高程(m)。优选地，所述作物系数利用预先储存的所述作物生物学下限温度结合天气预报信息计算得到，具体包括根据所述天气预报信息和所述作物的生物学下限温度，计算某一时段内所述作物的有效积温；根据有效积温与作物系数之间的关系模型计算所述作物的作物系数。
优选地，根据预先得知的作物所处的生育阶段、所述水文地质参数、所述初始土壤含水量和作物实际蒸发蒸腾量计算得到所述预警区域土壤计划湿润层内的相对含水量，具体为通过公式Wt+1=ff0+ffT+Pe+K+M-ETc计算，其中=Wt=IOP Θ (H2-H1)式中為、fft+1分别为初始时段和任一时间的土壤计划湿润层内的储水量(mm) ；ffT为湿润层增加的水量(mm) ;Ρε为土壤计划湿润层内的有效降雨量(mm) ;K为时段t内的地下水补给量(mm) ；M为时段t内的灌溉水总量(mm) ；ETC为时段t内的作物需水量(mm) ； P为土壤干容重(g/cm3) ； Θ为时段初土壤平均含水率；氏、H2分别为时段初和时段末的湿润层深度(cm)。 优选地，将所述作物的种植分布信息、预警区域天气预报信息、参考作物蒸发蒸腾量信息、土壤相对含水量、作物实际蒸发蒸腾量和作物的干旱程度，利用地理信息系统生成空间分布图并显示，具体为以栅格为基本单元，将所述作物的种植分布信息、预警区域天气预报信息、参考作物蒸发蒸腾量信息、土壤相对含水量、作物实际蒸发蒸腾量和作物的干旱程度转化为空间分布图；不同干旱等级用不同的颜色来显示空间分布图。一种干旱预警系统，包括用于获取预警区域作物的种植分布信息的获取单元，所述种植分布信息是指，不同作物的种类和空间分布情况；用于采集预警区域天气预报信息、预警区域地理信息、水文地质参数及初始土壤含水量信息的采集单元；与所述采集单元相连、用于计算所述作物的参考作物蒸发蒸腾量和作物系数的第一计算单元，所述参考作物蒸发蒸腾量是根据所述天气预报信息和预警区域的地理信息计算得到，所述作物系数利用预先储存的所述作物生物学下限温度结合天气预报信息计算得到；与所述第一计算单元相连、用于根据所述参考作物蒸发蒸腾量和作物系数计算得到作物实际蒸发蒸腾量的第二计算单元；与所述第二计算单元相连、用于计算所述预警区域土壤计划湿润层内的相对含水量的第三计算单元，所述相对含水量是根据预先得知的作物所处的生育阶段、所述水文地质参数、所述初始土壤含水量和作物实际蒸发蒸腾量计算得到的；与所述第三计算单元相连、用于将所述相对含水量与所述作物的干旱阈值下限进行比较、进而判断作物干旱程度的比较单元；与所述获取单元、采集单元和比较单元相连、用于将所述作物的种植分布信息、预警区域天气预报信息、参考作物蒸发蒸腾量信息、土壤相对含水量、作物实际蒸发蒸腾量和作物的干旱程度，利用地理信息系统推及到区域的旱情分析，生成空间分布图的分布图生成单元；与所述分布图生成单元相连、用于显示所述空间分布图的显示单元。
优选地，所述地理信息包括预警区域的土地利用率、预警区域不同空间位置的经纬度和高程信息、预警区域的植被覆盖率和预警区域土壤类型信息。优选地，所述干旱预警系统可以通过地理信息系统的网络发布功能，将作物的干旱程度推及到区域旱情分析，进而得到区域作物缺水状况。从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种干旱预警方法，首先获取预警区域作物的种植分布信息，采集预警区域天气预报信息、预警区域地理信息、水文地质参数及初始土壤含水量信息，其次计算所述作物的参考作物蒸发蒸腾量、作物系数和作物实际蒸发蒸腾量，所述参考作物蒸发蒸腾量是根据所述天气预报信息和预警区域地理信息计算的，所述作物系数是根据所述作物的生物学下限温度和所述天气预报信息计算得到的，所述实际作物蒸发蒸腾量是根据参考作物蒸发蒸腾量和作物系数得到的，最后就可以计算出预警区域的土壤计划湿润层内的相对含水量，进而与作物的干旱阈值下限比较，判断作物的干旱程度，这样就综合考虑了包括作物生长状况、土壤水分、天气预报信息和预警区域地理信息等多种来源的信息，通过预警区域土壤计划湿润层内的土壤相对含水量判断作物的干旱程度，使得作物干旱预警更加准确和合理，这样在灌溉的时候不至于造成水资源的不合理利用和浪费。 此外，通过地理信息系统整合来自不同田块的干旱情况，分析、处理数据得到区域范围内的干旱情况，并形成预警分布图，最后显示干旱预警空间分布图，使得操作人员能够通过分布图了解宏观旱情，及时进行抗旱防灾工作。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明实施例公开的一种干旱预警方法的流程图；图2为本发明实施例公开的一种干旱预警系统的结构框图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例公开了一种干旱预警方法，以实现农业水资源的优化配置和区域范围内的干旱预警。一种干旱预警方法，如图I所示，包括以下步骤S101、获取预警区域作物的种植分布信息；其中，所述作物的种植分布信息是指，专业人员借助地理上的判读仪器，利用获取的遥感信息，通过监督分类和目视解译方法，提取出作物的种植分布信息。所述种植分布信息是指，不同作物的种类和空间分布情况。
S102、采集预警区域天气预报信息、预警区域地理信息、水文地质参数及初始土壤含水量信息；所述地理信息包括预警区域的土地利用率、预警区域不同空间位置的经纬度和高程信息、预警区域的植被覆盖率和预警区域土壤类型信息。S103、计算所述作物的参考作物蒸发蒸腾量和作物系数；其中，所述参考作物蒸腾量是根据所述天气预报信息和预警区域地理信息计算得到的，所述作物系数利用预先储存的所述作物生物学下限温度结合天气预报信息计算得到；S104、根据所述参考作物蒸发蒸腾量和作物系数计算得到作物实际蒸发蒸腾量；S105、根据预先得知的作物所处的生育阶段、所述水文地质参数、所述初始土壤含水量和作物实际蒸发蒸腾量计算得到所述预警区域土壤计划湿润层内的土壤相对含水 量;S106、比较所述相对含水量和作物干旱阈值下限判断作物的干旱程度；当判断所述相对含水量小于干旱阈值下限时，则作物干旱，当所述相对含水量大于或者等于干旱阈值下限时，则作物水分适宜；S107、将所述作物的种植分布信息、预警区域天气预报信息、参考作物蒸发蒸腾量信息、土壤相对含水量、作物实际蒸发蒸腾量和作物的干旱程度，利用地理信息系统生成空间分布图并显示。当获取预警区域作物的种植分布信息后，获得不同作物的种类，在计算出不同作物土壤计划湿润层内的相对含水量后，储存于上位机中，方便利用地理信息系统(GIS)推广到其他地区，地理信息系统再结合该种作物的干旱阈值下限和储存于上位机中土壤计划湿润层内的相对含水量，得出该区域作物的干旱情况。例如，在河南省获取不同作物的空间分布情况，根据气象、土壤、初始土壤含水量及不同作物所处的生长发育期计算得到不同作物土壤计划湿润层内的相对含水量，储存在上位机中，然后结合河南省不同作物的干旱阈值下限和储存的上位机中的不同作物土壤计划湿润层内的相对含水量，判断整个河南省的干旱情况。从上述实施例可以看出，本发明提供了一种干旱预警方法，首先获取预警区域作物的种植分布信息，采集预警区域天气预报信息、预警区域地理信息、水文地质参数及初始土壤含水量信息，其次计算所述作物的参考作物蒸发蒸腾量、作物系数和实际作物蒸发蒸腾量，所述参考作物蒸发蒸腾量是根据所述天气预报信息和预警区域地理信息计算的，所述作物系数是根据所述作物的生物学下限温度和所述天气预报信息计算得到的，所述作物实际蒸发蒸腾量是根据参考作物蒸发蒸腾量和作物系数计算得到的，最后就可以计算出预警区域土壤计划湿润层内的相对含水量，进而与作物的干旱阈值下限进行比较，判断作物的干旱程度，这样就综合了包括作物生长状况、土壤水分、天气预报信息和预警区域地理信息等多种来源的信息，判断预警区域土壤计划湿润层内的相对含水量得知作物的干旱程度，使得作物干旱预警更加准确和合理，这样在灌溉的时候不至于造成水资源的不合理利用和浪费。此外，通过地理信息系统整合来自不同田块的干旱情况，分析、处理数据得到区域范围内的干旱情况，并且形成预警分布图，最后显示干旱预警分布图，使得操作人员能够通过分布图了解宏观旱情，及时进行抗旱防灾工作。本发明实施例公开的一种干旱预警方法中，所述计算作物的参考蒸发蒸腾量具体为，先将天气预报中的定性信息定量化，天气预报信息定量化主要包括降雨量的定量解析和风速的定量解析，降雨量的具体解析方法为根据气象观测规范，将天气预报信息中的降水量等级转变为降水量值Pt，根据不同的条件，将降水量值转换为有效降水量值，具体计算公式为
权利要求
1.一种干旱预警方法，其特征在于，包括 获取预警区域作物的种植分布信息，所述种植分布信息是指，不同作物的种类和空间分布情况； 采集预警区域天气预报信息、预警区域地理信息、水文地质参数及初始土壤含水量信息； 计算所述作物的参考蒸发蒸腾量和作物系数，所述参考作物蒸发蒸腾量是根据所述天气预报信息和预警区域地理信息计算得到的，所述作物系数利用预先储存的作物生物学下限温度结合天气预报信息计算得到； 根据所述参考作物蒸发蒸腾量和作物系数计算得到作物实际蒸发蒸腾量； 根据预先得知的作物所处的生育阶段、所述水文地质参数、所述初始土壤含水量和作物实际蒸发蒸腾量计算得到所述预警区域土壤计划湿润层内的相对含水量； 比较所述相对含水量和干旱阈值下限判断作物的干旱程度，当判断所述相对含水量小于干旱阈值下限时，则作物干旱，当所述相对含水量大于或者等于干旱阈值下限时，则作物水分适宜； 将所述作物的种植分布信息、预警区域天气预报信息、参考作物蒸发蒸腾量信息、土壤相对含水量、作物实际蒸发蒸腾量和作物的干旱程度，利用地理信息系统生成空间分布图并显示。
2.根据权利要求I所述的干旱预警方法，其特征在于，所述地理信息包括预警区域的土地利用率、预警区域不同空间位置的经纬度和高程信息、预警区域的植被覆盖率和预警区域土壤类型信息。
3.根据权利要求I所述的干旱预警方法，其特征在于，所述参考作物蒸发蒸腾量是根据所述天气预报信息和预警区域地理信息计算得到的，具体包括 天气预报中的定性信息定量化； 根据所述预警区域地理信息和所述定量化后的天气预报信息，利用彭曼-蒙特斯公式、彭曼修正公式、索恩斯威特公式或者泰勒公式计算所述作物的参考作物蒸发蒸腾量。
4.根据权利要求3所述的干旱预警方法，其特征在于，所述天气预报中的定性信息定量化包括降雨量定量解析和风速定量解析。
5.根据权利要求4所述的干旱预警方法，其特征在于，所述降雨量定量解析具体为 根据气象观测规范，将天气预报信息中的降水量等级转变为降水量值Pt，根据条件的不同，将降水量值转换为有效降水量值，具体计算公式为P, = PO < /! < 40mme t' Pe=AQ + SF [1.2525 (Pt - 40)娜16 - 2.935224] (109 55118麵、)> 输謂 其中SF = O. 531747+1. 16063 X 1(T2D_8· 943053 X l(T5D2+2. 3213432 X KT7D3式中=Pe为有效降水量(mm) ;Pt为日或旬平均降水量(mm) ;ET。为日或旬平均作物需水量(mm) ;SF为土壤水分贮存因子；D为可使用的土壤贮水量(mm)，一般取为作物根区土壤有效持水量的40% 60%。
6.根据权利要求4所述的干旱预警方法，其特征在于，所述风速定量解析具体为根据气象标准，将风力等级解析为IOm处的风速，然后采用以下公式换算为2m处的风速值
7.根据权利要求I所述的干旱预警方法，其特征在于，所述作物系数利用预先储存的所述作物生物学下限温度结合天气预报信息计算得到，具体包括 根据所述天气预报信息和所述作物的生物学下限温度，计算某一时段内所述作物的有效积温； 根据有效积温与作物系数之间的关系模型计算所述作物的作物系数。
8.根据权利要求I所述的干旱预警方法，其特征在于，根据预先得知的作物所处的生育阶段、所述水文地质参数、所述初始土壤含水量和作物实际蒸发蒸腾量计算得到所述预警区域土壤计划湿润层内的相对含水量，具体为 通过公式Wt+1=W0+WT+Pe+K+M-ETc 计算，其中=Wt=IO P Θ (H2-H1) 式中為、fft+1分别为初始时段和任一时间的土壤计划湿润层内的储水量(mm) ；ffT为湿润层增加的水量(_) ;Ρε为土壤计划湿润层内的有效降雨量(_) ;Κ为时段t内的地下水补给量(mm) ;M为时段t内的灌溉水总量(mm) ;ET。为时段t内的作物需水量(mm); P为土壤干容重(g/cm3) ； Θ为时段初土壤平均含水率；氏、H2分别为时段初和时段末的湿润层深度(cm)。
9.根据权利要求I所述的干旱预警方法，其特征在于，将所述作物的种植分布信息、预警区域天气预报信息、参考作物蒸发蒸腾量信息、土壤相对含水量、作物实际蒸发蒸腾量和作物的干旱程度，利用地理信息系统生成空间分布图并显示，具体为 以栅格为基本单元，将所述作物的种植分布信息、预警区域天气预报信息、参考作物蒸发蒸腾量信息、土壤相对含水量、作物实际蒸发蒸腾量和作物的干旱程度转化为空间分布图； 不同干旱等级用不同的颜色来显示空间分布图。
10.一种干旱预警系统，其特征在于，包括 用于获取预警区域作物的种植分布信息的获取单元，所述种植分布信息是指，不同作物的种类和空间分布情况； 用于采集预警区域天气预报信息、预警区域地理信息、水文地质参数及初始土壤含水量信息的采集单元； 与所述采集单元相连、用于计算所述作物的参考作物蒸发蒸腾量和作物系数的第一计算单元，所述参考作物蒸发蒸腾量是根据所述天气预报信息和预警区域的地理信息计算得至IJ，所述作物系数利用预先储存的所述作物生物学下限温度结合天气预报信息计算得到； 与所述第一计算单元相连、用于根据所述参考作物蒸发蒸腾量和作物系数计算得到作物实际蒸发蒸腾量的第二计算单元；与所述第二计算单元相连、用于计算所述预警区域土壤计划湿润层内的相对含水量的第三计算单元，所述相对含水量是根据预先得知的作物所处的生育阶段、所述水文地质参数、所述初始土壤含水量和作物实际蒸发蒸腾量计算得到的； 与所述第三计算单元相连、用于将所述相对含水量与所述作物的干旱阈值下限进行比较、进而判断作物干旱程度的比较单元； 与所述获取单元、采集单元和比较单元相连、用于将所述作物的种植分布信息、预警区域天气预报信息、参考作物蒸发蒸腾量信息、土壤相对含水量、作物实际蒸发蒸腾量和作物的干旱程度，利用地理信息系统推及到区域的旱情分析，生成空间分布图的分布图生成单元; 与所述分布图生成单元相连、用于显示所述空间分布图的显示单元。
11.根据权利要求10所述的干旱预警系统，其特征在于，所述地理信息包括预警区域的土地利用率、预警区域不同空间位置的经纬度和高程信息、预警区域的植被覆盖率和预警区域土壤类型信息。
12.根据权利要求10所述的干旱预警系统，其特征在于，所述干旱预警系统可以通过地理信息系统的网络发布功能，将作物的干旱程度推及到区域旱情分析，进而得到区域作物缺水状况。
全文摘要
本发明公开了干旱预警方法，包括获取预警区域作物的种植分布信息；采集预警区域天气预报信息等信息；计算作物的参考蒸发蒸腾量和作物系数；计算得到作物实际蒸发蒸腾量；根据作物实际蒸发蒸腾量等信息计算得到土壤计划湿润层内的相对含水量；比较土壤计划湿润层内的相对含水量和干旱阈值下限判断作物的干旱程度，这样就综合考虑了作物生长状况、土壤水分、天气预报信息和预警区域地理信息等多种来源的信息，判断作物的干旱程度，使得作物干旱预警更加准确和合理，在灌溉的时候不至于造成水资源的不合理利用和浪费，最后将作物的干旱程度等相关信息，利用地理信息系统生成空间分布图并显示，以实现农业水资源的优化配置和区域范围内的干旱预警。
文档编号G01N33/24GK102779391SQ20121025772
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月24日 优先权日2012年7月24日
发明者刘小飞, 孙景生, 宋妮, 张寄阳, 王景雷, 陈智芳 申请人:中国农业科学院农田灌溉研究所
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