农业气象学第六章农业气象模式简介

1、第六章第六章农业气象模式简介农业气象模式简介本章重点： 农业气象模式的概念 农业气象模式的分类 农业气象模式的建立方法本章难点： 农业气象模式的建立方法一、农业气象模式的概念一、农业气象模式的概念 1 1、模式或模型的概念、模式或模型的概念 是理论的一种简化形式。即对现实事件的是理论的一种简化形式。即对现实事件的内在机制和事件之间关系的直观、简洁的描述；内在机制和事件之间关系的直观、简洁的描述；能够向人们表明事物结构或过程的主要组成部分能够向人们表明事物结构或过程的主要组成部分及其相互关系。及其相互关系。 广义的模式包括文字叙述、图象描述、数广义的模式包括文字叙述、图象描述、数学公式等；狭义的

2、模式指词语同图象的结合。学公式等；狭义的模式指词语同图象的结合。 模型是把对象实体通过适当的过滤,用适当的表现规则描绘出的简洁的模仿品。通过这个模仿品,人们可以了解到所研究实体的本质,而且在形式上便于人们对实体进行分析和处理。 模型是人们十分熟悉的东西，例如：玩具、照片及房展会里的楼盘模型、房屋模型等实物模型；地图、电路图、分子结构图等经过一定抽象的符号模型；还有舰艇模型、飞机模型等物理模型。 2、农业气象模式 农业气象模式是表示农业生产对象或过程与气象条件关系的数学表达式或文字逻辑图式，是农业气象系统的高度抽象和简化。 农业气象模拟就是把农业气象系统中的各种问题模型化。 门司门司 佐伯公式佐

3、伯公式: : I = II = I0 0 expexp（-kF-kF）式中，式中，I I0 0为冠层（群体顶部）的光强；为冠层（群体顶部）的光强；I I为各层为各层的光强；的光强；k k为群体叶层光强衰减系数或群体消光为群体叶层光强衰减系数或群体消光系数；系数；F F为各层次以上部分的叶面积之和。为各层次以上部分的叶面积之和。 致致 受受 最最 最最 最最 受受 致致 死死 害害 低低 适适 高高 害害 死死 低低 低低 温温 温温 温温 高高 高高 温温 温温 度度 度度 度度 温温 温温 温度温度 三基点三基点 五基点五基点 七基点温度七基点温度作物三、五或七基点温度范围示意图作物三、五或

4、七基点温度范围示意图 活动温度与下限温度之差（Ti B）称为有效温度 。作物在某时段内有效温度的总和称为有效积温（Ae），用下式表示： 有效积温 （TiB；当TiB时，Ti- B = 0。）温度与作物发育速度的非线性模式： 式中，1/n为发育速度，T为日平均气温，M、B为作物发育速度等于零时的上、下限温度，K、P和Q为大于零的经验参数。固态、液态、气态水分子模型： 农田土壤水分平衡方程： Wh+（R+Sg+ K）-（Es+Ep+ q1+q2）= Wk式中，R为某时期内的降水量，Sg为毛管水上升量，K为该时期内的灌溉量，Es为土壤蒸发量，Ep为植物蒸腾量，q1为地表径流量，q2为地下径流量，Wh

5、、Wk分别为该时期开始和终止时的土壤水分贮存量。Es+Ep称为植物的蒸腾量。实际应用时，有些项可根据当地当时的具体情况略去。 大气圈 CO2生物圈CO2固定 土壤呼吸 溶解吸收 有机质分解 交换释放 风化溶蚀 固定沉积 生物残体归还 生物有机体归还 沉积固定 呼吸分解光合固定植物燃烧径流携带化石燃料燃烧、火山爆发、岩石风化土壤圈水圈岩石圈碳循环简图 小麦叶龄积温模式 X = a + bT 式中，X为叶龄，T为大于0的积温，a、b为待定系数。 水稻叶龄积温模式 N = a + b Ln（T）式中，N为水稻叶片数，T为播种到该叶片出现时大于10的积温，a、b为待定系数。 式中，Y为包括主茎在内的单

6、株茎数，T为冬前积温，其它为有关的常数和系数。小麦分蘖积温模式 水稻分蘖积温模式式中，YX为积温X时单位面积上水稻的总茎数，X为水稻移栽后10以上的有效积温，其它为有关的常数和系数。干物质增长积温模式 式中，W为干物重，T为积温，其它为有关的常数和系数。 二、农业气象模式分类二、农业气象模式分类 1 1、按表达形式分类按表达形式分类 （1 1）文字（图解）模式文字（图解）模式 事实上，文字模式是农业气象模式建立的事实上，文字模式是农业气象模式建立的准备工作。准备工作。 单纯文字模式有困难，特别是在定义一些单纯文字模式有困难，特别是在定义一些复杂的关系或表达一些复杂的过程时有困难。复杂的关系或表

7、达一些复杂的过程时有困难。 （2）数学模式数学模式 2、按描述的内容分类 气象要素时空分布模式 作物生长发育模式 产量形成模式 光合作用模式 呼吸作用模式 同化物输送分配模式 3、按描述的对象和尺度分类 内容比较单一的子模式 内容比较复杂的模式系统 作物天气模式 土壤植物大气模式 土壤植物大气模式实质上是一个把描述各种关系、尺度不同的大大小小子模式有机组合而成的农业气象模式系统。 4、按考虑时间因子的状态分类 可分为静态模式和动态模式。 静态模式 式中，y为作为时间t函数的产量； 为生育期或所选时段的平均农业气象条件的特征值。 动态模式式中，xi(t)为作为时间函数研究的农业气象条件的特征值。

8、 上述两式的差异主要表现在： 第一式中时间因子间接考虑，且平均值平滑掉了许多有用的信息； 第二式则反映出了不同情况下的不同变化，即考虑了当时作物的基础和当时（前期）条件以及农业气象条件的时间变化对作物的影响，物理意义和生物学意义明显。 因此，农业气象条件的动态模拟是当前农业气象模式研究中的主要方向。 5、按考虑物理和生理机制的程度分类 经验统计模式 应用统计学方法建立的回归模式。 理论统计模式 实质上是统计模式。是在回归统计模式中更充分地考虑到影响作物生长发育和产量形成的物理和生理机理，属半理论、半经验模式。 理论模式 主要是依据物理学和生物学规律，模拟作物最重要的生命过程比如光合作用、呼吸作

9、用、蒸腾作用和营养物质输送、分配等，由此而确定作物生产系统的生产力水平。 概括地说，就是模拟作物群体的能量和物质转化过程。总辐射光截获LAI潜在总光合产物实际总光合产物干物质茎叶贮存器官根生长呼吸维持呼吸Ta/Tm降水根区土壤含水量渗透蒸发排水毛细管上升实际蒸腾最大蒸腾土壤水分平衡子模型温度作物生长模拟模型框架灌溉三、如何建立农业气象模式？三、如何建立农业气象模式？ 1 1、建立模式的步骤、建立模式的步骤 明确建立模式的目的和要解决的问题；明确建立模式的目的和要解决的问题； 收集和整理有关资料和数据；收集和整理有关资料和数据； 形成概念模式；形成概念模式； 以设想的函数为基础，建立具体的模式；

10、以设想的函数为基础，建立具体的模式； 形成一个合乎逻辑的算法；形成一个合乎逻辑的算法； 核对算法；核对算法； 编程；编程； 用系统资料估算必要的参数； 调试程序； 检验模式对各种参数和因素的敏感性； 设计并进行模式试验，检查其结果； 分析实验数据，验证模式； 用模式解决实际问题。2、模型的应用、模型的应用天气数据土壤数据作物数据管理措施农业气象模型生育期器官干重叶面积产量与品质实实 例例一个简单的的农业气象模式介绍一个简单的的农业气象模式介绍大同市近大同市近4040年谷子产量年谷子产量与气象条件的关系分析与气象条件的关系分析资料与方法谷子产量与气象条件的关系分析谷子产量预报模式的建立与检验1

11、1 资料与方法资料与方法 一、资料一、资料 谷子产量数据来源于山西省统计局谷子产量数据来源于山西省统计局19612000 年历年历年统计单产。谷子生育期的旬、月平均气温，旬、月降雨年统计单产。谷子生育期的旬、月平均气温，旬、月降雨量和旬、月日照时数等气象资料来自山西省气象局。量和旬、月日照时数等气象资料来自山西省气象局。 二、二、 方法方法 ( (一一) ) 产量的分解产量的分解 影响谷子产量形成的主要因素可分为自然因素和社影响谷子产量形成的主要因素可分为自然因素和社会因素两大类。按这两大类因素的影响，将谷子产量分为会因素两大类。按这两大类因素的影响，将谷子产量分为趋势产量、气象产量和随机产量

12、趋势产量、气象产量和随机产量3部分。部分。 其中，其中，趋势产量趋势产量是由农业生产技术等非自然因是由农业生产技术等非自然因素影响的那部分产量，通常表现为随时间的后延素影响的那部分产量，通常表现为随时间的后延，产量不断提高；，产量不断提高；气象产量气象产量指由于天气气候的变指由于天气气候的变化而影响的那部分产量，可正可负，具有脉动的化而影响的那部分产量，可正可负，具有脉动的特点；特点；随机产量随机产量指由地震、社会变革等随机因子指由地震、社会变革等随机因子影响的那部分产量，基本无规律可循，故不计入影响的那部分产量，基本无规律可循，故不计入方程中。因此，方程中。因此，谷子的产量构成可表示为：谷子

13、的产量构成可表示为： Y Y = Y Yt + Y Yw (1) 式中，式中，Y Y为实际产量，为实际产量，Y Yt 为趋势产量，为趋势产量， Y Yw 为为气象产量。气象产量。 (二) 趋势产量的分离 为了客观估算气象因子对产量的影响，首先要从产量序列中分离出气象产量序列，去掉产量序列中的趋势项，即对产量序列进行趋势处理，通常把年序这类时间参数作为自变量，而以这种或那种函数关系去逼近模拟趋势产量。 利用大同市19612000年谷子单产资料，以谷子单产(公斤/亩)为因变量，以年代为自变量，采用线性模拟，得出趋势产量方程，经F 检验，置信度达0.01 的显著水平 。 Yt =65.846+1.4

14、413X (2)上式中，X为年序号，如：1960年，X=0；1961年，X=1；1962年，X =2；，2000年，X=40。 图1 大同市历年谷子实际单产和时间趋势产量 （三）气象产量的计算与分析（三）气象产量的计算与分析 获得各年的趋势产量后，则相应的任意一年气象产量为获得各年的趋势产量后，则相应的任意一年气象产量为: Y Yw=Y-YY-Yt (3) 根据（根据（3）式，气象产量计算结果见如表）式，气象产量计算结果见如表1。表表1 1 大同市大同市1961-2000年谷子气象产量年谷子气象产量一、谷子气象产量与生育期各气象因子的相关分析一、谷子气象产量与生育期各气象因子的相关分析 谷子气

15、象产量受多种气象因素的影响，这里谷子气象产量受多种气象因素的影响，这里主要考虑以下三个气象要素：温度主要考虑以下三个气象要素：温度-T，降水，降水-R， 光照光照-S。将大同市谷子全生育期（。将大同市谷子全生育期（5月上月上旬旬9下旬）按旬分为下旬）按旬分为15个时段，分别个时段，分别求出气象产求出气象产量与全生育期、旬、月气象因子的相关系数量与全生育期、旬、月气象因子的相关系数。2 谷子产量与气象条件关系分析 表2 谷子全生育期各气象要素总值及其与气象产量的相关系数 注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，带*表示通过0.05显著水平检验 表3 谷子生育期内各旬平均

16、气温、降水量、 日照时数与气象产量的相关系数 注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，r0.01=0.3932， 带*表示通过0.05显著水平检验 表4 谷子生育期内各月平均气温、降水量、 日照时数与气象产量的相关系数 注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，r0.01=0.3932， 带*表示通过0.05显著水平检验带*表示通过0.01显著水平检验 二、气温对谷子产量的影响 从谷子气象产量与气温的相关系数来看(表3和表4)，8月下旬平均气温、8月平均气温与谷子气象产量相关最为密切，均达0.05显著水平，是温度因子影响谷子产量的最关键时期。

17、8月下旬平均气温与谷子气象产量呈显著负相关，回归方程为： Yw1=129.81-6.90T1 (6) F=5.64F0.05 =4.08，通过信度0.05效果检验。从方程中可以看出，这一时段平均气温每增加1，谷子产量减少6.9公斤/亩。说明这一时段大同市的平均气温对谷子产量影响较大。 8 8月下旬正值谷子月下旬正值谷子灌浆前期灌浆前期，茎叶制造的营养物质要向籽，茎叶制造的营养物质要向籽粒输送，保证灌浆，仍然需要充足的水分，而粒输送，保证灌浆，仍然需要充足的水分，而气温偏高，蒸气温偏高，蒸发、蒸腾加大，导致农田水分亏缺加剧，粒重下降，严重影发、蒸腾加大，导致农田水分亏缺加剧，粒重下降，严重影响最

18、终产量响最终产量。这一点也可以从该时段的降水量与谷子产量呈。这一点也可以从该时段的降水量与谷子产量呈正相关正相关，而日照时数与谷子产量呈负相关中得到证实。，而日照时数与谷子产量呈负相关中得到证实。 8月平均气温月平均气温与谷子气象产量呈显著负相关，回归方程为：与谷子气象产量呈显著负相关，回归方程为： Y Yw2=198.66-9.88T198.66-9.88T2 (7) F=4.09FF=4.09F0.050.05 = 4.08 = 4.08，通过信度，通过信度0.050.05效果检验。从方程中可效果检验。从方程中可以看出，以看出，这一时段平均气温每增加这一时段平均气温每增加11，谷子产量减少

19、，谷子产量减少9.889.88公公斤斤/ /亩。亩。 8月正值谷子抽穗-开花期，一方面谷子开花对温度和湿度比较敏感，温度过高和湿度过低都不利于花粉的发育；另一方面该时段的需水量仅次于拔节-抽穗期，而温度偏高，水分蒸发加快，若遇到“卡脖旱”，就会严重影响最终产量。 此外，7月平均气温和9月上旬平均气温是温度因子影响谷子产量的次关键时期，对谷子产量也有一定影响。 三、降水量对谷子产量的影响 从谷子气象产量与降水量的相关系数来看(表3和表4)，6月下旬降水量、7 月上旬降水量、9月降水量与谷子气象产量相关最为密切，均达0.05显著水平，是降水因子影响谷子产量的关键时期。 6月下旬降水量与谷子气象产量

20、呈显著正相关，回归方程为： Yw5=-14.56+0.68R1 (10) F=5.59 F0.05= 4.08，通过信度0.05效果检验。从方程中可以看出，这一时段降水量每增加1 mm，谷子产量增加0.68公斤/亩。说明这一时段大同市的降水量不能满足谷子生长的需求。此时正值谷子拔节期，是茎叶迅速分化的发育时期，需水量大，若此时降水增加，将有利于谷子增产。 7月上旬降水量与谷子气象产量呈显著正相关，回归方程为： Yw6=-15.44+0.41R2 (11)从方程中可以看出，这一时段降水量每增加1mm，谷子产量增加0.41公斤/亩。说明这一时段大同市的降水量不能满足谷子生长的需求。此时正值谷子拔节

21、-抽穗期，是谷子需水最多时期，降水量增多会有利于谷子生殖生长。 9月降水量与谷子气象产量呈显著负相关，回归方程为 Yw7=18.17-0.39R3 (12)从方程中可以看出，这一时段降水量每增加1mm ，谷子产量减少0.39公斤/亩。此时正值谷子灌浆期，谷子的需水量较少，喜晒怕涝，若此时遇到多雨特别是连阴雨天气，常会造成贪青晚熟，或因光照不足形成大量秕谷, 从而导致谷子减产。 四、日照时数对谷子产量的影响 从谷子气象产量与日照时数的相关系数来看(表4和表5)， 9月日照时数与谷子气象产量相关最为密切，达0.01极显著水平，是光照因子影响谷子产量的最关键时期。 9月日照时数与谷子气象产量呈极显著正相关，回归方程为 Yw8=-114.900.50S1 (13) F=8.20 F0. 01 =7.31，通过信度0.01效果检验。从方程中可以看出，这一时段日照时数每增加1h，谷子产量增加0.5公斤/亩。此时正值谷子灌浆成熟期，日照时数长有利于干物质的形成，促使籽粒饱满丰硕。 此外，6月下旬日照时数和与9月中旬日照时数是光照因子影响谷子产量的次关键时期，对谷子产量也有影响。 将大同市谷子气象产