农业气象学之农业气象模式简介

1、农业气象模式简介农业气象模式简介本章重点：本章重点： 农业气象模式的概念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分类 农业气象模式的建立方法农业气象模式的建立方法本章难点：本章难点： 农业气象模式的建立方法农业气象模式的建立方法 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。分及其相互关系。 广义的模式包括文字叙述、图象描述、数广义的模

2、式包括文字叙述、图象描述、数学公式等；狭义的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模型是把对象实体通过适当的过滤, ,用适用适当的表现规则描绘出的简洁的模仿品。通过这个当的表现规则描绘出的简洁的模仿品。通过这个模仿品模仿品, ,人们可以了解到所研究实体的本质人们可以了解到所研究实体的本质, ,而且而且在形式上便于人们对实体进行分析和处理。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、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、房屋模型等实物模照片及房展会里的楼盘模型、房屋模型等实物模型

3、；地图、电路图、分子结构图等经过一定抽象型；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、飞机模型等物理模的符号模型；还有舰艇模型、飞机模型等物理模型。型。 2 2、农业气象模式、农业气象模式 农业气象模式是表示农业生产对象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字逻辑图式，是农业气象系统的高度抽象和简化。和简化。 农业气象模拟就是把农业气象系统农业气象模拟就是把农业气象系统中的各种问题模型化。中的各种问题模型化。 I = II = I0 0 expexp（-kF-kF）式中，式

4、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作物三、五或七基点温度范围示意图三、五或七基点温度范围示意图 活动温度与下限温度之差（活动温度与下限温度之差（T Ti

5、 i B B）称为有称为有效温度效温度 。作物在某时段内有效温度的总和称为有。作物在某时段内有效温度的总和称为有效积温（效积温（A Ae e），用下式表示：，用下式表示：niieBTA1 有效积温有效积温 （T Ti iB B；当当T Ti iBB时，时，T Ti i- B = 0- B = 0。）。）温度与作物发育速度的非线性模式：温度与作物发育速度的非线性模式：QPKnTMBT1111)()( 式中，式中，1/1/n n为发育速度，为发育速度，T T为日平均气温，为日平均气温，M M、B B为作物发育速度等于零时的上、下限温度，为作物发育速度等于零时的上、下限温度，K K、P P和和Q Q

6、为大于零的经验参数。为大于零的经验参数。固态、液态、气态水分子模型：固态、液态、气态水分子模型： 农田土壤水分平衡方程：农田土壤水分平衡方程： W Wh h+ +（R R+SgSg+ K K）- -（EsEs+EpEp+ q q1 1+q+q2 2）= W= Wk k式中，式中，R R为某时期内的降水量，为某时期内的降水量，SgSg为毛管水上升量，为毛管水上升量，K K为该时期内的灌溉量，为该时期内的灌溉量，EsEs为土壤蒸发量，为土壤蒸发量，EpEp为植为植物蒸腾量，物蒸腾量，q q1 1为地表径流量，为地表径流量，q q2 2为地下径流量，为地下径流量，W Wh h、W Wk k分别为该时

7、期开始和终止时的土壤水分贮存量。分别为该时期开始和终止时的土壤水分贮存量。Es+EpEs+Ep称为植物的蒸腾量。实际应用时，有些项可称为植物的蒸腾量。实际应用时，有些项可根据当地当时的具体情况略去。根据当地当时的具体情况略去。 大气圈大气圈 CO2生物圈生物圈CO2固定固定 土壤呼吸土壤呼吸 溶解吸收溶解吸收 有机质分解有机质分解 交换释放交换释放 风化溶蚀风化溶蚀 固定沉积固定沉积 生物残体归还生物残体归还 生物有机体归还生物有机体归还 沉积固定沉积固定 呼吸分解呼吸分解光合固定光合固定植物燃烧植物燃烧径流携带径流携带化石燃料燃烧、火山爆发、化石燃料燃烧、火山爆发、岩石风化岩石风化土壤圈土壤

8、圈水圈水圈岩石圈岩石圈碳循环简图碳循环简图 小麦叶龄积温模式小麦叶龄积温模式 X = X = a + ba + bTT 式中，式中，X X为叶龄，为叶龄，TT为大于为大于0 0的积温，的积温，a a、b b为待定系数。为待定系数。 水稻叶龄积温模式水稻叶龄积温模式 N N = = a + b Lna + b Ln（TT）式中，式中，N N为水稻叶片数，为水稻叶片数，TT为播种到该叶片出为播种到该叶片出现时大于现时大于1010的积温，的积温，a a、b b为待定系数。为待定系数。 TmTeYYeYY10式中，式中，Y Y为包括主茎在内的单株茎数，为包括主茎在内的单株茎数，TT为为冬前冬前积温，其

9、它为有关的常数和系数。积温，其它为有关的常数和系数。小麦分蘖积温模式小麦分蘖积温模式 水稻分蘖积温模式水稻分蘖积温模式22)(00)(XXdcfeaaaYX式中，式中，Y YX X为积温为积温X X时单位面积上水稻的总茎数，时单位面积上水稻的总茎数，X X为水稻移栽后为水稻移栽后1010以上的有效积温，其它为以上的有效积温，其它为有关的常数和系数。有关的常数和系数。干物质增长积温模式干物质增长积温模式 TbaCeW1式中，式中，W W为干物重，为干物重，TT为为积温，其它为有关的积温，其它为有关的常数和系数。常数和系数。 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

10、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。复杂的关系或表达一些复杂的过程时有困难。 （2）数学模式数学模式 2 2、按描述的内容分类、按描述的内容分类 气象要素时空分布模式气象要素时空分布模式 作物生长发育模式作物生长发育模式 产量形成模式产量形成模式 光合作用模式光合作用模式 呼吸作用模式呼吸作用模式 同化物输送分配模式同化物输送分配模式 3 3、按描述的对象和尺度分类、按描述的对象和尺度分类 内容比较单一的子模式内容比

11、较单一的子模式 内容比较复杂的模式系统内容比较复杂的模式系统 作物作物天气模式天气模式 土壤土壤植物植物大气模式大气模式 土壤土壤植物植物大气模式实质上是一个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。有机组合而成的农业气象模式系统。 4 4、按考虑时间因子的状态分类按考虑时间因子的状态分类 可分为静态模式和动态模式。可分为静态模式和动态模式。 静态模式静态模式 式中，式中，y y为作为时间为作为时间t t函数的产量；函数的产量； 为为生育期或所选时段的平均农业气象条件的生育期或所选时段的平均农业气象条件的

12、特征值。特征值。),.,(21nxxxfy ix)(),.,(),(,(21txtxtxydtdym 动态模式动态模式式中，式中，xixi( (t)t)为作为时间函数研究的农业为作为时间函数研究的农业气象条件的特征值。气象条件的特征值。 上述两式的差异主要表现在：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；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，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

13、的影响，物理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。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。气象模式研究中的主要方向。 5 5、按考虑物理和生理机制的程度分类按考虑物理和生理机制的程度分类 经验统计模式经验统计模式 应用统计学方法建立的回归模式。应用统计学方法建立的回归模式。 理论统计模式理论统计模式 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

14、模式。的物理和生理机理，属半理论、半经验模式。 理论模式理论模式 主要是依据物理学和生物学规律，模拟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、呼吸作物最重要的生命过程比如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用和营养物质输送、分配等，作用、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。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概括地说，就是模拟作物群体的能量和物质转化过程。物质转化过程。总辐射总辐射光截获光截获LAI潜在总光合产物潜在总光合产物实际总光合产物实际总光合产物干物质干物质茎茎叶叶贮存器官贮存器官根根生长呼吸生长呼吸维

15、持呼吸维持呼吸Ta/Tm降水降水根区土壤含水量根区土壤含水量渗透渗透蒸发蒸发排水排水毛细管上升毛细管上升实际蒸腾实际蒸腾最大蒸腾最大蒸腾土壤水分平衡子模型土壤水分平衡子模型温度温度作物生长模拟模型框架作物生长模拟模型框架灌溉灌溉 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；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

16、要的参数；用系统资料估算必要的参数； 调试程序；调试程序； 检验模式对各种参数和因素的敏感性；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；设计并进行模式试验，检查其结果； 分析实验数据，验证模式；分析实验数据，验证模式； 用模式解决实际问题。用模式解决实际问题。2、模型的应用、模型的应用天气数据天气数据土壤数据土壤数据作物数据作物数据管理措施管理措施农业气象农业气象模型模型生育期生育期器官干重器官干重叶面积叶面积产量与品质产量与品质资料与方法资料与方法谷子产量与气象条件的关系分析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谷子产量预报模式的建立与检验一、资料

17、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。雨量和旬、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，将谷子产量分会因素两大类。按这两大类因素的影响，将谷子产量分为为趋势产量、气象产量和随机产量趋势产量、气象产量和随机产量3部分

18、。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因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；延，产量不断提高；气象产量气象产量指由于天气气候的指由于天气气候的变化而影响的那部分产量，可正可负，具有脉动变化而影响的那部分产量，可正可负，具有脉动的特点；的特点；随机产量随机产量指由地震、社会变革等随机因指由地震、社会变革等随机因子影响的那部分产量，基本无规律可循，故不计子影响的那部分产量，基本无规律可循，故不计入方程中。因此，入方程中。因此，谷子的产量构成可表示为：谷子的产量构成可表示为： Y Y =

19、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。 ( (二二) ) 趋势产量的分离趋势产量的分离 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，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

20、利用大同市19612000年谷子单产资料，以谷子单产年谷子单产资料，以谷子单产(公公斤斤/亩亩)为因变量，以年代为自变量，采用为因变量，以年代为自变量，采用线性模拟线性模拟，得出趋势，得出趋势产量方程，经产量方程，经F 检验，检验，置信度达置信度达0.01 的显著水平的显著水平 。 Y Yt t =65.846+1.4413X (2) =65.846+1.4413X (2)上式中，上式中，X X为年序号，如：为年序号，如：19601960年，年，X=0X=0；19611961年，年，X=1X=1；19621962年，年，X =2X =2；，20002000年，年，X=40X=40。 （三）气象

21、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、一、谷子气象产量与生育期各气象因子的相关分析谷子气象产量与生育期各气象因子的相关分析 谷子气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

22、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，分别求出气象求出气象产量与全生育期、旬、月气象因子的相关系数产量与全生育期、旬、月气象因子的相关系数。表表2 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：注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，带，带*表示通过表示通过0.05显著水平检验显著水平检验 表表3 3 谷子生育期内各旬平均气温、降水量、谷子生育期内各旬平均气温、降水量、 日照时数与气象产量的相关系数日照时数与气象产量的相关系数 注：注：df

23、=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，r0.01=0.3932， 带带*表示通过表示通过0.05显著水平检验显著水平检验 表表4 4 谷子生育期内各月平均气温、降水量、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日照时数与气象产量的相关系数 注：注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，r0.01=0.3932， 带带*表示通过表示通过0.05显著水平检验带显著水平检验带*表示通过表示通过0.01显著水平检验显著水平检验 二、二、气温对谷子产量的影响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从谷子气象产量与气温的相关

24、系数来看( (表表3 3和表和表4)4)，8 8月下旬平均气温、月下旬平均气温、8 8月平均气温月平均气温与谷子气象产量相关最为与谷子气象产量相关最为密切，均达密切，均达0.050.05显著水平，显著水平，是温度因子影响谷子产量的最是温度因子影响谷子产量的最关键时期。关键时期。 8月下旬平均气温月下旬平均气温与谷子气象产量呈显著负相关，回与谷子气象产量呈显著负相关，回归方程为：归方程为： Y Yw1=1 (6) F=5.64FF=5.64F0.05 0.05 =4.08=4.08，通过信度，通过信度0.050.05效果检验。从方程中效果检验。从方程中可以看出，可以看出，这一时段平均气温每增加这

25、一时段平均气温每增加11，谷子产量减少，谷子产量减少6.96.9公斤公斤/ /亩亩。说明这一时段大同市的平均气温对谷子产量。说明这一时段大同市的平均气温对谷子产量影响较大。影响较大。 8 8月下旬月下旬正值谷子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

26、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，回归方程与谷子气象产量呈显著负相关，回归方程为：为： Y Yw2=2 (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，谷子产量减少9.889.88公斤公斤/ /亩。亩。 8月正值谷子月正值谷子抽穗抽穗- -开花期开花期，一方面谷子开花，一方面谷子开花对温度和湿度比较

27、敏感，对温度和湿度比较敏感，温度过高和湿度过低都温度过高和湿度过低都不利于花粉的发育不利于花粉的发育；另一方面该时段的需水量仅；另一方面该时段的需水量仅次于拔节次于拔节-抽穗期，而抽穗期，而温度偏高，水分蒸发加快，温度偏高，水分蒸发加快，若遇到若遇到“卡脖旱卡脖旱”，就会严重影响最终产量，就会严重影响最终产量。 此外，此外，7 7月平均气温和月平均气温和9 9月上旬平均气温是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。量也有一定影响。 三、三、降水量对谷子产量的影响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

28、看从谷子气象产量与降水量的相关系数来看( (表表3 3和表和表4)4)，6 6月下旬降水量、月下旬降水量、7 7 月上旬降水量、月上旬降水量、9 9月降水量月降水量与谷子气象与谷子气象产量相关最为密切，均达产量相关最为密切，均达0.050.05显著水平，显著水平，是降水因子影响是降水因子影响谷子产量的关键时期谷子产量的关键时期。 6月下旬降水量与谷子气象产量呈显著正相关，回归方月下旬降水量与谷子气象产量呈显著正相关，回归方程为：程为： Y Yw5=-14.56+0.68R-14.56+0.68R1 (10) F=5.59 F F0.050.05= 4.08，通过信度，通过信度0.05效果检验。

29、从方程中可效果检验。从方程中可以看出，这一时段降水量每增加以看出，这一时段降水量每增加1 mm，谷子产量增加，谷子产量增加0.68公斤公斤/亩。说明这一时段大同市的降水量不能满足谷子生长亩。说明这一时段大同市的降水量不能满足谷子生长的需求。此时正值谷子的需求。此时正值谷子拔节期拔节期，是茎叶迅速分化的发育时，是茎叶迅速分化的发育时期，期，需水量大需水量大，若此时降水增加，将有利于谷子增产。，若此时降水增加，将有利于谷子增产。 7 7月上旬降水量与谷子气象产量呈显著正相关，回归方月上旬降水量与谷子气象产量呈显著正相关，回归方程为：程为： Y Yw6=-15.44+0.41R-15.44+0.41

30、R2 (11)从方程中可以看出，这一时段降水量每增加从方程中可以看出，这一时段降水量每增加1mm1mm，谷子产量，谷子产量增加增加0.410.41公斤公斤/ /亩。说明这一时段大同市的降水量不能满足亩。说明这一时段大同市的降水量不能满足谷子生长的需求。此时正值谷子谷子生长的需求。此时正值谷子拔节拔节- -抽穗期，是谷子需水抽穗期，是谷子需水最多时期最多时期，降水量增多会有利于谷子生殖生长。，降水量增多会有利于谷子生殖生长。 9 9月降水量与谷子气象产量呈显著负相关，回归方程为月降水量与谷子气象产量呈显著负相关，回归方程为 Y Yw7=3 (12)从方程中可以看出，这一时段降水量每增加从方程中可

31、以看出，这一时段降水量每增加1mm 1mm ，谷子产量，谷子产量减少减少0.390.39公斤公斤/ /亩。此时正值谷子亩。此时正值谷子灌浆期，谷子的需水量较灌浆期，谷子的需水量较少，喜晒怕涝少，喜晒怕涝，若此时遇到多雨特别是连阴雨天气，常会造，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成贪青晚熟，或因光照不足形成大量秕谷, , 从而导致谷子减从而导致谷子减产。产。 四、四、日照时数对谷子产量的影响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从谷子气象产量与日照时数的相关系数来看( (表表4 4和表和表5)5)， 9 9月日照时数月日照时数与谷

32、子气象产量相关最为密切，达与谷子气象产量相关最为密切，达0.010.01极显著水平，极显著水平，是光照因子影响谷子产量的最关键时期。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，回归方月日照时数与谷子气象产量呈极显著正相关，回归方程为程为 Y Yw8=-114.90-114.900.500.50S1 (13) F=8.20 F0. 01 =7.31，通过信度，通过信度0.01效果检验。从方程中效果检验。从方程中可以看出，这一时段日照时数每增加可以看出，这一时段日照时数每增加1h，谷子产量增加，谷子产量增加0.5公斤公斤/亩。此时正值谷子亩。此时正值谷子灌浆成熟期，日照时数长有利于灌浆成熟期，日照时数长有利于