農(nóng)業(yè)氣象學(xué)之農(nóng)業(yè)氣象模式簡介(ppt 50頁).ppt

1、第六章,農(nóng)業(yè)氣象模式簡介,本章重點： 農(nóng)業(yè)氣象模式的概念 農(nóng)業(yè)氣象模式的分類 農(nóng)業(yè)氣象模式的建立方法 本章難點： 農(nóng)業(yè)氣象模式的建立方法,本章重點與難點,一、農(nóng)業(yè)氣象模式的概念,1、模式或模型的概念 是理論的一種簡化形式。即對現(xiàn)實事件的內(nèi)在機制和事件之間關(guān)系的直觀、簡潔的描述；能夠向人們表明事物結(jié)構(gòu)或過程的主要組成部分及其相互關(guān)系。 廣義的模式包括文字敘述、圖象描述、數(shù)學(xué)公式等；狹義的模式指詞語同圖象的結(jié)合,模型是把對象實體通過適當?shù)倪^濾,用適當?shù)谋憩F(xiàn)規(guī)則描繪出的簡潔的模仿品。通過這個模仿品,人們可以了解到所研究實體的本質(zhì),而且在形式上便于人們對實體進行分析和處理。 模型是人們十分熟悉的東西，

2、例如：玩具、照片及房展會里的樓盤模型、房屋模型等實物模型；地圖、電路圖、分子結(jié)構(gòu)圖等經(jīng)過一定抽象的符號模型；還有艦艇模型、飛機模型等物理模型,2、農(nóng)業(yè)氣象模式 農(nóng)業(yè)氣象模式是表示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對象 或過程與氣象條件關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式或文字邏輯圖式，是農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)的高度抽象 和簡化。 農(nóng)業(yè)氣象模擬就是把農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng) 中的各種問題模型化,門司 佐伯公式,I = I0 exp（-kF） 式中，I0為冠層（群體頂部）的光強；I為各層 的光強；k為群體葉層光強衰減系數(shù)或群體消光 系數(shù)；F為各層次以上部分的葉面積之和,致 受 最 最 最 受 致 死 害 低 適 高 害 死 低 低 溫 溫 溫 高 高 溫 溫 度

3、度 度 溫 溫 溫度 三基點 五基點 七基點溫度 作物三、五或七基點溫度范圍示意圖,活動溫度與下限溫度之差（Ti B）稱為有效溫度 。作物在某時段內(nèi)有效溫度的總和稱為有效積溫（Ae），用下式表示,有效積溫,TiB；當TiB時，Ti- B = 0。,溫度與作物發(fā)育速度的非線性模式,式中，1/n為發(fā)育速度，T為日平均氣溫，M、B為作物發(fā)育速度等于零時的上、下限溫度，K、P和Q為大于零的經(jīng)驗參數(shù),固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)水分子模型,農(nóng)田土壤水分平衡方程： Wh+（R+Sg+ K）-（Es+Ep+ q1+q2）= Wk 式中，R為某時期內(nèi)的降水量，Sg為毛管水上升量， K為該時期內(nèi)的灌溉量，Es為土壤蒸發(fā)量，

4、Ep為植 物蒸騰量，q1為地表徑流量，q2為地下徑流量，Wh、 Wk分別為該時期開始和終止時的土壤水分貯存量。 Es+Ep稱為植物的蒸騰量。實際應(yīng)用時，有些項可 根據(jù)當?shù)禺敃r的具體情況略去,碳循環(huán)簡圖,小麥葉齡積溫模式 X = a + bT 式中，X為葉齡，T為大于0的積溫，a、b為待定系數(shù),水稻葉齡積溫模式 N = a + b Ln（T） 式中，N為水稻葉片數(shù)，T為播種到該葉片出現(xiàn)時大于10的積溫，a、b為待定系數(shù),式中，Y為包括主莖在內(nèi)的單株莖數(shù)，T為冬前積溫，其它為有關(guān)的常數(shù)和系數(shù),小麥分蘗積溫模式,水稻分蘗積溫模式,式中，YX為積溫X時單位面積上水稻的總莖數(shù)，X為水稻移栽后10以上的有

5、效積溫，其它為有關(guān)的常數(shù)和系數(shù),干物質(zhì)增長積溫模式,式中，W為干物重，T為積溫，其它為有關(guān)的常數(shù)和系數(shù)。,二、農(nóng)業(yè)氣象模式分類,1、按表達形式分類 （1）文字（圖解）模式 事實上，文字模式是農(nóng)業(yè)氣象模式建立的 準備工作。 單純文字模式有困難，特別是在定義一些 復(fù)雜的關(guān)系或表達一些復(fù)雜的過程時有困難。 （2）數(shù)學(xué)模式,2、按描述的內(nèi)容分類 氣象要素時空分布模式 作物生長發(fā)育模式 產(chǎn)量形成模式 光合作用模式 呼吸作用模式 同化物輸送分配模式,3、按描述的對象和尺度分類 內(nèi)容比較單一的子模式 內(nèi)容比較復(fù)雜的模式系統(tǒng) 作物天氣模式 土壤植物大氣模式 土壤植物大氣模式實質(zhì)上是一個把描述各種關(guān)系、尺度不同

6、的大大小小子模式有機組合而成的農(nóng)業(yè)氣象模式系統(tǒng),4、按考慮時間因子的狀態(tài)分類 可分為靜態(tài)模式和動態(tài)模式。 靜態(tài)模式 式中，y為作為時間t函數(shù)的產(chǎn)量； 為 生育期或所選時段的平均農(nóng)業(yè)氣象條件的 特征值,動態(tài)模式 式中，xi(t)為作為時間函數(shù)研究的農(nóng)業(yè) 氣象條件的特征值,上述兩式的差異主要表現(xiàn)在： 第一式中時間因子間接考慮，且平均值平滑 掉了許多有用的信息； 第二式則反映出了不同情況下的不同變化， 即考慮了當時作物的基礎(chǔ)和當時（前期）條件以 及農(nóng)業(yè)氣象條件的時間變化對作物的影響，物理 意義和生物學(xué)意義明顯。 因此，農(nóng)業(yè)氣象條件的動態(tài)模擬是當前農(nóng)業(yè) 氣象模式研究中的主要方向,5、按考慮物理和生理機

7、制的程度分類 經(jīng)驗統(tǒng)計模式 應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法建立的回歸模式。 理論統(tǒng)計模式 實質(zhì)上是統(tǒng)計模式。是在回歸統(tǒng)計模式中 更充分地考慮到影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成 的物理和生理機理，屬半理論、半經(jīng)驗?zāi)Ｊ?理論模式 主要是依據(jù)物理學(xué)和生物學(xué)規(guī)律，模擬 作物最重要的生命過程比如光合作用、呼吸 作用、蒸騰作用和營養(yǎng)物質(zhì)輸送、分配等， 由此而確定作物生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)力水平。 概括地說，就是模擬作物群體的能量和 物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程,總輻射,光截獲,LAI,潛在總光合產(chǎn)物,實際總光合產(chǎn)物,干物質(zhì),莖,葉,貯存器官,根,生長呼吸,維持呼吸,Ta/Tm,降水,根區(qū)土壤含水量,滲透,蒸發(fā),排水,毛細管上升,實際蒸騰,最大蒸騰,土

8、壤水分平衡子模型,溫度,作物生長模擬模型框架,灌溉,三、如何建立農(nóng)業(yè)氣象模式,1、建立模式的步驟 明確建立模式的目的和要解決的問題； 收集和整理有關(guān)資料和數(shù)據(jù)； 形成概念模式； 以設(shè)想的函數(shù)為基礎(chǔ)，建立具體的模式； 形成一個合乎邏輯的算法； 核對算法； 編程,用系統(tǒng)資料估算必要的參數(shù)； 調(diào)試程序； 檢驗?zāi)Ｊ綄Ω鞣N參數(shù)和因素的敏感性； 設(shè)計并進行模式試驗，檢查其結(jié)果； 分析實驗數(shù)據(jù)，驗證模式； 用模式解決實際問題,2、模型的應(yīng)用,輸入 天氣數(shù)據(jù) 土壤數(shù)據(jù) 作物數(shù)據(jù) 管理措施,運行 農(nóng)業(yè)氣象 模型,輸出 生育期 器官干重 葉面積 產(chǎn)量與品質(zhì),實 例一個簡單的的農(nóng)業(yè)氣象模式介紹,大同市近40年谷子產(chǎn)

9、量與氣象條件的關(guān)系分析,資料與方法 谷子產(chǎn)量與氣象條件的關(guān)系分析 谷子產(chǎn)量預(yù)報模式的建立與檢驗,1 資料與方法,一、資料 谷子產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于山西省統(tǒng)計局19612000 年歷年統(tǒng)計單產(chǎn)。谷子生育期的旬、月平均氣溫，旬、月降雨量和旬、月日照時數(shù)等氣象資料來自山西省氣象局。 二、 方法 (一) 產(chǎn)量的分解 影響谷子產(chǎn)量形成的主要因素可分為自然因素和社會因素兩大類。按這兩大類因素的影響，將谷子產(chǎn)量分為趨勢產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量和隨機產(chǎn)量3部分,其中，趨勢產(chǎn)量是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)等非自然因素影響的那部分產(chǎn)量，通常表現(xiàn)為隨時間的后延，產(chǎn)量不斷提高；氣象產(chǎn)量指由于天氣氣候的變化而影響的那部分產(chǎn)量，可正可負，具有脈動的

10、特點；隨機產(chǎn)量指由地震、社會變革等隨機因子影響的那部分產(chǎn)量，基本無規(guī)律可循，故不計入方程中。因此，谷子的產(chǎn)量構(gòu)成可表示為： Y = Yt + Yw (1) 式中，Y為實際產(chǎn)量，Yt 為趨勢產(chǎn)量， Yw 為氣象產(chǎn)量,二) 趨勢產(chǎn)量的分離 為了客觀估算氣象因子對產(chǎn)量的影響，首先要從產(chǎn)量序列中分離出氣象產(chǎn)量序列，去掉產(chǎn)量序列中的趨勢項，即對產(chǎn)量序列進行趨勢處理，通常把年序這類時間參數(shù)作為自變量，而以這種或那種函數(shù)關(guān)系去逼近模擬趨勢產(chǎn)量。 利用大同市19612000年谷子單產(chǎn)資料，以谷子單產(chǎn)(公斤/畝)為因變量，以年代為自變量，采用線性模擬，得出趨勢產(chǎn)量方程，經(jīng)F 檢驗，置信度達0.01 的顯著水平

11、。 Yt =65.846+1.4413X (2) 上式中，X為年序號，如：1960年，X=0；1961年，X=1；1962年，X =2；，2000年，X=40,圖1 大同市歷年谷子實際單產(chǎn)和時間趨勢產(chǎn)量,三）氣象產(chǎn)量的計算與分析 獲得各年的趨勢產(chǎn)量后，則相應(yīng)的任意一年氣象產(chǎn)量為: Yw=Y-Yt (3) 根據(jù)（3）式，氣象產(chǎn)量計算結(jié)果見如表1。 表1 大同市1961-2000年谷子氣象產(chǎn)量,一、谷子氣象產(chǎn)量與生育期各氣象因子的相關(guān)分析 谷子氣象產(chǎn)量受多種氣象因素的影響，這里主要考慮以下三個氣象要素：溫度-T，降水-R， 光照-S。將大同市谷子全生育期（5月上旬9下旬）按旬分為15個時段，分別求

12、出氣象產(chǎn)量與全生育期、旬、月氣象因子的相關(guān)系數(shù),2 谷子產(chǎn)量與氣象條件關(guān)系分析,表2 谷子全生育期各氣象要素總值及其與氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù),注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，帶*表示通過0.05顯著水平檢驗,表3 谷子生育期內(nèi)各旬平均氣溫、降水量、 日照時數(shù)與氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù),注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，r0.01=0.3932， 帶*表示通過0.05顯著水平檢驗,表4 谷子生育期內(nèi)各月平均氣溫、降水量、 日照時數(shù)與氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù),注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，r0.01=0.3932

13、， 帶*表示通過0.05顯著水平檢驗帶*表示通過0.01顯著水平檢驗,二、氣溫對谷子產(chǎn)量的影響 從谷子氣象產(chǎn)量與氣溫的相關(guān)系數(shù)來看(表3和表4)，8月下旬平均氣溫、8月平均氣溫與谷子氣象產(chǎn)量相關(guān)最為密切，均達0.05顯著水平，是溫度因子影響谷子產(chǎn)量的最關(guān)鍵時期。 8月下旬平均氣溫與谷子氣象產(chǎn)量呈顯著負相關(guān)，回歸方程為： Yw1=129.81-6.90T1 (6) F=5.64F0.05 =4.08，通過信度0.05效果檢驗。從方程中可以看出，這一時段平均氣溫每增加1，谷子產(chǎn)量減少6.9公斤/畝。說明這一時段大同市的平均氣溫對谷子產(chǎn)量影響較大,8月下旬正值谷子灌漿前期，莖葉制造的營養(yǎng)物質(zhì)要向籽粒

14、輸送，保證灌漿，仍然需要充足的水分，而氣溫偏高，蒸發(fā)、蒸騰加大，導(dǎo)致農(nóng)田水分虧缺加劇，粒重下降，嚴重影響最終產(chǎn)量。這一點也可以從該時段的降水量與谷子產(chǎn)量呈正相關(guān)，而日照時數(shù)與谷子產(chǎn)量呈負相關(guān)中得到證實。 8月平均氣溫與谷子氣象產(chǎn)量呈顯著負相關(guān)，回歸方程為： Yw2=198.66-9.88T2 (7) F=4.09F0.05 = 4.08，通過信度0.05效果檢驗。從方程中可以看出，這一時段平均氣溫每增加1，谷子產(chǎn)量減少9.88公斤/畝,8月正值谷子抽穗-開花期，一方面谷子開花對溫度和濕度比較敏感，溫度過高和濕度過低都不利于花粉的發(fā)育；另一方面該時段的需水量僅次于拔節(jié)-抽穗期，而溫度偏高，水分蒸

15、發(fā)加快，若遇到“卡脖旱”，就會嚴重影響最終產(chǎn)量。 此外，7月平均氣溫和9月上旬平均氣溫是溫度因子影響谷子產(chǎn)量的次關(guān)鍵時期，對谷子產(chǎn)量也有一定影響,三、降水量對谷子產(chǎn)量的影響 從谷子氣象產(chǎn)量與降水量的相關(guān)系數(shù)來看(表3和表4)，6月下旬降水量、7 月上旬降水量、9月降水量與谷子氣象產(chǎn)量相關(guān)最為密切，均達0.05顯著水平，是降水因子影響谷子產(chǎn)量的關(guān)鍵時期。 6月下旬降水量與谷子氣象產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，回歸方程為： Yw5=-14.56+0.68R1 (10) F=5.59 F0.05= 4.08，通過信度0.05效果檢驗。從方程中可以看出，這一時段降水量每增加1 mm，谷子產(chǎn)量增加0.68公斤/畝。

16、說明這一時段大同市的降水量不能滿足谷子生長的需求。此時正值谷子拔節(jié)期，是莖葉迅速分化的發(fā)育時期，需水量大，若此時降水增加，將有利于谷子增產(chǎn),7月上旬降水量與谷子氣象產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，回歸方程為： Yw6=-15.44+0.41R2 (11) 從方程中可以看出，這一時段降水量每增加1mm，谷子產(chǎn)量增加0.41公斤/畝。說明這一時段大同市的降水量不能滿足谷子生長的需求。此時正值谷子拔節(jié)-抽穗期，是谷子需水最多時期，降水量增多會有利于谷子生殖生長。 9月降水量與谷子氣象產(chǎn)量呈顯著負相關(guān)，回歸方程為 Yw7=18.17-0.39R3 (12) 從方程中可以看出，這一時段降水量每增加1mm ，谷子產(chǎn)量減

17、少0.39公斤/畝。此時正值谷子灌漿期，谷子的需水量較少，喜曬怕澇，若此時遇到多雨特別是連陰雨天氣，常會造成貪青晚熟，或因光照不足形成大量秕谷, 從而導(dǎo)致谷子減產(chǎn),四、日照時數(shù)對谷子產(chǎn)量的影響 從谷子氣象產(chǎn)量與日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)來看(表4和表5)， 9月日照時數(shù)與谷子氣象產(chǎn)量相關(guān)最為密切，達0.01極顯著水平，是光照因子影響谷子產(chǎn)量的最關(guān)鍵時期。 9月日照時數(shù)與谷子氣象產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，回歸方程為 Yw8=-114.900.50S1 (13) F=8.20 F0. 01 =7.31，通過信度0.01效果檢驗。從方程中可以看出，這一時段日照時數(shù)每增加1h，谷子產(chǎn)量增加0.5公斤/畝。此時正值谷

18、子灌漿成熟期，日照時數(shù)長有利于干物質(zhì)的形成，促使籽粒飽滿豐碩。 此外，6月下旬日照時數(shù)和與9月中旬日照時數(shù)是光照因子影響谷子產(chǎn)量的次關(guān)鍵時期，對谷子產(chǎn)量也有影響,3 谷子產(chǎn)量預(yù)報模式的建立與檢驗 將大同市谷子氣象產(chǎn)量與各氣象因子的相關(guān)系數(shù)達0.05以上顯著水平的6個關(guān)鍵氣象因子作為預(yù)報因子，建立氣象產(chǎn)量多元線性回歸方程。該方程為： Yw=-29.608+0.281R1+0.284R2-7.847T1+3.65T2-0.087R3+0.396S (16) 式中，Yw為氣象產(chǎn)量估計值；R1為6月下旬降水量；R2為7月上旬降水量；T1為8月下旬平均氣溫；T2為8月平均氣溫；R3為9月降水量；S為9月日照時數(shù)。 對該方程進行回歸檢驗F=3.58 F0. 01=3.47，置信度達0.01的顯著水平,把(2)式和(16)式代入(1)式，得到由時間趨勢產(chǎn)量和氣