大同市现代农业精细化区划研究技术报告

大同市现代农业精细化区划研究技术报告大同市气象局课题组二○○九年十二月八日2一、研究的目的和必要性农业气候区划是反映农业生产与气候关系的专业性气候区划,其成果不但能揭示不同地区农业气候的区域差异,而且还可根据农业气候相似理论和地域分布规律,为合理配置农业生产、改进耕作制度以及引入和推广新产品提供气候依据。随着对农业气候区划认识水平的提高以及现代科学技术的发展,农业气候区划除进行传统的农业区划和规划,建立各具特色的农产品生产基地外,还为发展适合当地资源特点的特色农业以及提高农产品质量提供服务。大同市位于山西省最北端，地处黄土高原东北边缘。地理坐标为东经112°34′～114°33′,北纬39°03′～40°44′之间；平均海拔1000～1300米.大同市地处干旱半干气侯带，属温带大陆性季风气候，温度和降水的时空分布变差大，风日多，日照充足，蒸发强，干旱频繁；四季分明，各季长短和气候差异较大，具有明显的地方性气候特色。由于大同市地形复杂,气候差异较大。自80年代中后期全国完成第二次农业气候区划工作以来，大同市的农业生产环境又发生了巨大变化，原有的农业气候区划产品已不适应新时代农业生产发展的需求，客观上需要更科学和更精细的农业气候区划产品，同时我国的科学技术条件近年来也有了飞速的发展，这也为进一步做好农业气候区划工作提供了有力的技术支撑。为了适应经济的发展和气候的变化,利用新技术、新方法进行新的区划,研究和分析气候资源的地理分布及其规律性,有利于合理利用气候资源。同时,也为适应农业结构调整和种植制度的变化，新品种的引进和推广,降低农业风险等农业区划和规划的制定提供依据。我们研究这个课题的目的，拟为市、县、乡各级领导和农业主管部门提供细化到村一级的农业气候资源数据，提供全市的农业气候资源细线条区划3图，提供我市乡、县、市三级优势农业、特色农业经济林果及主要农业气象灾害的细线条区划图，划出各地优势农业、特色农业和经济林果的适宜区、较适宜区和不适宜区，对全市农业生产发挥区域气候优势、趋利避害、减轻气象灾害损失、提高资源整体效益具有重要意义。其成果将为我市各级政府分类指导农业生产、农业结构调整和社会主义新农村建设提供决策支持。二、总体研究方案设计该系统拟基于GIS技术建立，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法,适时提供多种空间的和动态的地理空间信息。建立数字高程模型,制作市、县、乡镇地形图和三维立体地形图;基于各种地形数据,结合小网格推算模型,实现分区域小网格资料的推算。应用区划指标模型对气候资源小网格资料或非气象要素小网格资料分析运算,形成区划图像产品,再通过电子制图模块输出各种专题图件。2.1利用GIS技术建立气候因子与农业相关关系在影响农业的气候因子有积温、降雨量、降雨日数、太阳辐射、日照时数、蒸发量、海拔、地形等,在进行农业气候区划时主要要考虑这些因素。利用GIS技术,可充分考虑这些因素并建立起气候资源的空间模型,再进行模型的运算,同时还可结合农业和气象专家的思想,根据综合分析的结果进行农业气候区划；农业气候区划指标的确定是利用农业气象调查或田间试验所获得的农作物资料与相应时期的气象资料进行对比分析后得出的GIS技术可实现多种数据对比、统计分析,农业气候区划GIS的应用大致可分为以下几个步骤(图1):4图1农业气候区划步骤2.2基于GIS的农业气候区划随着对GIS认识的深入以及应用水平的提高,将GIS的空间分析功能与传统的区划方法结合,分析农业气候资源和空间地理条件对农作物布局的综合影响,得到客观精细的农业气候区划成果,为当地农业生产决策提供可靠依据。即进入了基于GIS的农业气候区划阶段,并以GIS技术为支撑,进行农业气候专项规划以及农业气候综合规划。在此阶段,除进行农业气候区划外,还利用GIS技术进行了区划立体图制作、气候资源分析等方面的研究。农业气候区划将GIS、数据库、Web等技术相结合,在农业气候区划数据库,气象、气候数据库,调查、实验数据库,专家数据库等的基础上,建立农业气候区划信息系统,为人们提供信息服务。三、主要研究内容及计划任务指标大同市农业气候对农作物的区划研究方案，利用各类数据库，基于DEM建立气象要素模型并制作出气候资源模型图,通过气候数据分析和农业专家方案确立区划指标，在DEM气候资源图基础上制作精细到乡镇的大同农业区划图。3.1数据库建立农业气候区划数据库数据库农业气候区划GIS软件物候数据气候数据调查实验专家方案53.1.1气候资料数据库的建立以大同市8个县气象站1961—2005年45年的日平均气温、日降水量、太阳辐射、蒸发量、日照时数等以及加密观测资料，以旬为最小统计单元统计分析各站的0℃、≥0℃、≥5℃、≥10℃、≥15℃的初终日期、间隔日数、不同温度（0、5、10、15）的积温、降雨量、降雨日数、太阳辐射、日照时数、蒸发量要素建立气候资料数据库。3.1.2地理信息数据模型建立地理信息数据库包括二维地形图、三维立体地形图及坡度、坡向图的制作。在GIS中制作大同某个地区的地形图，首先要建立该地区的数字高程模型(DEM)。DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布。我们应用的是规则格网DEM,它可以通过把描述高程线的等高线采用等值线插值法进行内插而建立。某网格点上的气候要素值决定于该点的纬度、经度、拔海高度、坡度和坡向等地理要素值，其数学表达式为：Y=Y（b1，b2，b3，b4，b5）式中Y表示某一气候要素值，b1为经度,b2为纬度，b3为坡度,b4为坡向/100，b5为拔海高度/100。本项目中，样本站的纬度、经度是已知的，拔海高度、坡度、坡向可通过地理信息系统从公里网格地形资料库中读取。这样，我们便可应用数理统计方法建立气候要素值与地理要素值之间的统计模型。我们在GIS的三维分析模块中通过对上述几个影响立体图效果的参数的选择,生成大同市三维立体地形图。通过对DEM进行运算可衍生出大同市范围各地坡度和坡向图。6图1大同市地形图3.2基于GIS建立气象要素模型建立３.2.1气象要素模型选择大同地形复杂,气候资源地域分布差异与经度、纬度、地形、海拔高度等地理因素有关,其分布与地形特征紧密相连。如何根据气候资源的特点,利用气象台站的观测网点的数据（平均温度、积温、雨量、日照等）,找出气象要素与地理信息数据的关系,建立一套空间分析模型,来客观地反映一个区域内气候资源的立体分布特征，是气候资源开发利用和农业气候区划的关键。在这里用地理参数与气象要素建立最优回归模型,来分析计算区域内的气候资源，要建立空间回归模型的是：yi=∑nj=1cjxj其中yi为第i个气象要素,cj是系数,xj是第j个地理参数(经度、纬度或海拔高度)。本项目中，样本站的纬度、经度是已知的，拔海高度、坡度、坡向可通过地理信息系统从公里网格地形资料库中读取。这样，我们便可应用数理统计方法建立气候要素值与地理要素值之间的统计模型。7３.2.2气候资源数字模型建立及分析常规气象观测资料在地理分布上呈离散数据状态,且站点稀疏。为了将空间非连续分布的气象数据插值成连续的、规则的网格化气象数据,需建立基于地理信息的小网格推算模型。我们以乡镇作为分区域建模的最小单位,在行政区界矢量图上给各县属性码赋值,以此转换为栅格图,经过小网格资料的运算,运算的结果由GIS经过可视化处理,以图像的形式输出,再经过分级、赋色,得到气候资源分布图。旬为基本单位建立旬、月、季、年的各要素空间分布模型，模型自变量有：纬度、经度、拔海高度、坡度、坡向。模型基本选择多项式，最终确定具体模型。本项目建立了大同市各旬平均气温、各月平均气温、年平均气温、各级界限温度（0℃、5℃、10℃、15℃）初日、终日、间隔日数、积温的小网格推算模型。⑴以旬、月、年平均气温的计算模型分析，见表1、表2①总体来看，一年当中气温的回归效果都较好，复相关系数都达到了0.9以上，除冬季外也都通过了0.01检验。相比春、夏、秋三季的回归效果最好，而冬季的回归效果相对较差。②从旬相关表中可以看出，1月、2月、11月和12月旬平均气温与坡度和坡向密切相关，其余月份旬平均气温同海拔高度密切相关。2－5月还与坡度有较高的相关，6－9月与经度有较高的相关。③旬、月、年平均气温值均随拔海高度和坡向的增大而减小。④从显著性水平来看，大部分旬和月均通过了0.01检验。复相关系数除个别旬和月外大部分都在0.9以上。⑵各级界限温度初终日期、间隔日数和积温的计算模型分析。见表3①各级界限温度的多数要素与地理因子之间有很好的相关关系，只有≥5℃终日和≥15℃初日与地理因子之间的关系稍差。8②各级界限温度初日与拔海高度呈正相关，而终日、间隔日数和积温与拔海高度呈负相关，表明随着拔海高度的增加，各级界限温度的初日推后，终日提前，间隔日数缩短，积温减少。⑶大同市各月降水量的计算模型分析。见表4①降水量与地理因子的相关关系不如温度与地理因子的相关关系密切。②各月降水量均随拔海高度的增加而增大。各个气候要素的推算模型建立以后，我们将各网格点上的地理要素数据（拔海高度、坡度、坡向、经度、纬度）代入各模型，便可计算出各网格点上的气候要素值，从而得出各个气候要素在大同市的分布情况。表1大同市月、年平均气温推算模型月、年模型复相关系数显著水平一月-8.818-0.669*b3-0.617*b40.8814880.02348二月-5.419-0.557*b3-0.485*b40.9381940.00497三月5.384-0.356*b3-0.450*b50.9924580.00003四月14.931-0.292*b3-0.543*b50.9933170.00002五月21.716-0.555*b50.9518270.00027六月25.619-0.519*b50.9511130.00028七月171.587-1.223*b1+0.127*b4-1.050*b50.9966190.00009八月150.562-1.065*b1-0.901*b50.9912310.00004九月19.043-0.438*b50.9422150.00046十月12.476-0.328*b3-0.434*b50.9611740.0016十一月2.713-0.472*b3-0.339*b50.9006150.01551十二月-6.710-0.547*b3-0.529*b40.9014240.01521年10.496-0.330*b3-0.213*b4-0.278*b50.983760.001939表2大同市旬平均气温推算模型月旬模型复相关系数显著水平一月上-8.462-0.613*b3-0.569*b40.8397260.04721中-9.224-0.751*b3-0.588*b40.8419830.04571下-8.852-0.604*b3-0.688*b40.9303330.00663二月上-7.298-0.679*b3-0.621*b40.9280250.00717中-3.168-0.430*b3-0.257*b4-0.198*b50.9719250.00564下-0.615-0.535*b3-0.386*b50.9418820.00428三月上2.422-0.610*b3-0.380*b50.977020.00044中5.319-0.373*b3+0.093*b4-0.461*b50.9979760.00003下8.346-0.242*b3-0.525*b50.9776140.00041四月上12.043-0.204*b3-0.523*b50.977130.00043中14.998-0.329*b3-0.537*b50.981820.00025下18.063-0.326*b3-0.596*b50.9918760.00003五月上19.384-0.150*b3-0.506*b50.9558230.00219中22.295+0.131*b4-0.681*b50.9778510.0004下