农业气象学第六章

第六章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本章重点与难点一、农业气象模式的概念1、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及其相互关系。●广义的模式包括文字叙述、图象描述、数学公式等；狭义的模式指词语同图象的结合。●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—佐伯公式:I=I0exp（-kF）式中，I0为冠层（群体顶部）的光强；I为各层的光强；k为群体叶层光强衰减系数或群体消光系数；F为各层次以上部分的叶面积之和。致受最最最受致死害低适高害死低低温温温高高温温度度度温温温度三基点五基点七基点温度作物三、五或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：niieBTA1有效积温（Ti＞B；当Ti≤B时，Ti-B=0。）温度与作物发育速度的非线性模式：QPKnTMBT1111)()(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、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+bΣT式中，X为叶龄，ΣT为大于0℃的积温，a、b为待定系数。水稻叶龄积温模式N=a+bLn（ΣT）式中，N为水稻叶片数，ΣT为播种到该叶片出现时大于10℃的积温，a、b为待定系数。TmTeYYeYY10式中，Y为包括主茎在内的单株茎数，ΣT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22)(00)(XXdcfeaaaYX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TbaCeW1式中，W为干物重，ΣT为积温，其它为有关的常数和系数。…………二、农业气象模式分类1、按表达形式分类（1）文字（图解）模式事实上，文字模式是农业气象模式建立的准备工作。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。（2）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。),...,,(21nxxxfyix))(),...,(),(,(21txtxtxydtdym●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。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？1、建立模式的步骤●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；●形成概念模式；●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；●核对算法；●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、模型的应用输入天气数据土壤数据作物数据管理措施运行农业气象模型输出生育期器官干重叶面积产量与品质实例一个简单的的农业气象模式介绍大同市近40年谷子产量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资料与方法一、资料谷子产量数据来源于山西省统计局1961～2000年历年统计单产。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。二、方法(一)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3部分。其中，趋势产量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，产量不断提高；气象产量指由于天气气候的变化而影响的那部分产量，可正可负，具有脉动的特点；随机产量指由地震、社会变革等随机因子影响的那部分产量，基本无规律可循，故不计入方程中。因此，谷子的产量构成可表示为：Y=Yt+Yw(1)式中，Y为实际产量，Yt为趋势产量，Yw为气象产量。(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1961～2000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+1.4413X(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。02040608010012014016018019611963196519671969197119731975197719791981198319851987198919911993199519971999年份公斤/亩实际产量时间趋势产量图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获得各年的趋势产量后，则相应的任意一年气象产量为:Yw=Y-Yt(3)根据（3）式，气象产量计算结果见如表1。表1大同市1961-2000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---T，降水---R，光照---S。将大同市谷子全生育期（5月上旬～9下旬）按旬分为15个时段，分别求出气象产量与全生育期、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。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月下旬正值谷子灌浆前期，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正相关，而日照时数与谷子产量呈负相关中得到证实。8月平均气温与谷子气象产量呈显著负相关，回归方程为：Yw2=198.66-9.88T2(7)F=4.09F0.05=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9.88公斤/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呈显著正相关，回归方程为：Yw5=-14.56+0.68R1(10)F=5.59F0.05=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1mm，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-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、