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：

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：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：农田土壤壤水分平平衡方程程：Wh+（R+Sg+K）-（（Es+Ep+q1+q2）=Wk式中，R为某时期期内的降降水量，，Sg为毛管水水上升量量，K为该时期期内的灌灌溉量，，Es为土壤蒸蒸发量，，Ep为植物蒸腾量量，q1为地表径径流量，，q2为地下径径流量，，Wh、Wk分别为该该时期开开始和终终止时的的土壤水水分贮存存量。Es+Ep称为植物物的蒸腾腾量。实实际应用用时，有有些项可可根据当地地当时的的具体情情况略去去。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简图小麦叶龄龄积温模模式X=a+bΣT式中，X为叶龄，，ΣT为大于0℃的积温，，a、b为待定系系数。水稻叶龄龄积温模模式N=a+bLn（ΣT）式中，N为水稻叶叶片数，，ΣT为播种到到该叶片片出现时时大于10℃的积温，，a、b为待定系系数。式中，Y为包括主茎在在内的单株茎茎数，ΣT为冬前积温，其其它为有关的的常数和系数数。小麦分蘖积温温模式水稻分蘖积温温模式式中，YX为积温X时单位面积上上水稻的总茎茎数，X为水稻移栽后后10℃以上的有效积积温，其它为为有关的常数数和系数。干物质增长积积温模式式中，W为干物重，ΣT为积温，其它为为有关的常数数和系数。…………二、农业气象象模式分类1、按表达形式分分类（1）文字（图解））模式事实上，文字字模式是农业业气象模式建建立的准备工作。单纯文字模式式有困难，特特别是在定义义一些复杂的关系或或表达一些复复杂的过程时时有困难。（2）数学模式2、按描述的的内容分类●气象要素时空空分布模式●作物生长发育育模式●产量形成模式式●光合作用模式式●呼吸作用模式式●同化物输送分分配模式………3、按描述的的对象和尺度度分类●内容比较单一一的子模式●内容比较复杂杂的模式系统统作物——天气气模式土壤——植物物——大气模模式土壤——植物物——大气模模式实质上是是一个把描述述各种关系、、尺度不同的的大大小小子子模式有机组组合而成的农农业气象模式式系统。4、按考虑时间因因子的状态分分类可分为静态模模式和动态模模式。●静态模式式中，y为作为时间t函数的产量；；为生育期或所选选时段的平均均农业气象条条件的特征值。●动态模式式中，xi(t)为作为时间函函数研究的农农业气象条件的特特征值。上述两式的差差异主要表现现在：第一式中时间间因子间接考考虑，且平均均值平滑掉了许多有用用的信息；第二式则反映映出了不同情情况下的不同同变化，即考虑了当时时作物的基础础和当时（前前期）条件以以及农业气象条条件的时间变变化对作物的的影响，物理理意义和生物学学意义明显。。因此，农业气气象条件的动动态模拟是当当前农业气象模式研究究中的主要方方向。5、按考虑物理和和生理机制的的程度分类●经验统计模式式应用统计学方方法建立的回回归模式。●理论统计模式式实质上是统计计模式。是在在回归统计模模式中更充分地考虑虑到影响作物物生长发育和和产量形成的物理和生理理机理，属半半理论、半经经验模式。●理论模式主要是依据物物理学和生物物学规律，模模拟作物最重要的的生命过程比比如光合作用用、呼吸作用、蒸腾作作用和营养物物质输送、分分配等，由此而确定作作物生产系统统的生产力水水平。概括地说，就就是模拟作物物群体的能量量和物质转化过程程。总辐射光截获LAI潜在总光合产产物实际总光合产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衡子模型温度作物生长模拟拟模型框架灌溉三、如何建立立农业气象模模式？1、建立模式式的步骤●明确建立模式式的目的和要要解决的问题题；●收集和整理有有关资料和数数据；●形成概念模式式；●以设想的函数数为基础，建建立具体的模模式；●形成一个合乎乎逻辑的算法法；●核对算法；●编程；●用系统资料估估算必要的参参数；●调试程序；●检验模式对各各种参数和因因素的敏感性性；●设计并进行模模式试验，检检查其结果；；●分析实验数据据，验证模式式；●用模式解决实实际问题。2、模型的应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例一个简单的的的农业气象模模式介绍大同市近40年谷子产量与与气象条件件的关系分析析资料与方法谷子产量与气气象条件的关关系分析谷子产量预报报模式的建立立与检验§1资料与方法一、资料谷子产量数据据来源于山西西省统计局1961～2000年历年统计单单产。谷子生生育期的旬、、月平均气温温，旬、月降降雨量和旬、、月日照时数数等气象资料料来自山西省省气象局。二、方法(一)产量的分解影响谷子产量量形成的主要要因素可分为为自然因素和和社会因素两两大类。按这这两大类因素素的影响，将将谷子产量分分为趋势产量、气气象产量和随随机产量3部分。其中，趋势产量是由农业生产产技术等非自自然因素影响响的那部分产产量，通常表表现为随时间间的后延，产产量不断提高高；气象产量指由于天气气气候的变化而而影响的那部部分产量，可可正可负，具具有脉动的特特点；随机产量指由地震、社社会变革等随随机因子影响响的那部分产产量，基本无无规律可循，，故不计入方方程中。因此此，谷子的产量构构成可表示为为：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)趋势产量的分分离为了客观估算算气象因子对对产量的影响响，首先要从从产量序列中中分离出气象象产量序列，，去掉产量序序列中的趋势势项，即对产产量序列进行行趋势处理，，通常把年序这这类时间参数数作为自变量量，而以这种种或那种函数数关系去逼近近模拟趋势产产量。利用大同市1961～2000年谷子单产资资料，以谷子子单产(公斤/亩)为因变量，以以年代为自变变量，采用线性模拟，得出趋势产产量方程，经经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。图1大同市历年年谷子实际际单产和时时间趋势产产量（三）气象象产量的计计算与分析析获得各年的的趋势产量量后，则相相应的任意意一年气象象产量为:Yw=Y-Yt(3)根据（3）式，气象象产量计算算结果见如如表1。表1大同市1961-2000年谷子气象象产量一、谷子气象产产量与生育育期各气象象因子的相相关分析谷子气象产产量受多种种气象因素素的影响，，这里主要要考虑以下下三个气象象要素：温温度---T，降水---R，光照---S。将大同市市谷子全生生育期（5月上旬～9下旬）按旬旬分为15个时段，分分别求出气象产产量与全生生育期、旬旬、月气象象因子的相相关系数。§2谷子产量与与气象条件件关系分析析表2谷子全生育育期各气象象要素总值值及其与气气象产量的的相关系数数注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，带*表示通过0.05显著水平检检验表3谷子生育期期内各旬平平均气温、、降水量、、日照时数与与气象产量量的相关系系数注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，r0.01=0.3932，带*表示通通过0.05显著水平检检验表4谷子生育期期内各月平平均气温、、降水量、、日照时数与与气象产量量的相关系系数注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，r0.01=0.3932，带*表示通通过0.05显著水平检检验带**表示通过过0.01显著水平检检验二、气温对谷子子产量的影影响从谷子气象象产量与气气温的相关关系数来看看(表3和表4)，8月下旬平均均气温、8月平均气温温与谷子气象象产量相关关最为密切切，均达0.05显著水平，，是温度因子子影响谷子子产量的最最关键时期期。8月下旬平均均气温与谷子气象象产量呈显显著负相关关，回归方方程为：Yw1=129.81-6.90T1(6)F=5.64>F0.05=4.08，通过信度度0.05效果检验。。从方程中中可以看出出，这一时段平平均气温每每增加1℃，谷子产量量减少6.9公斤/亩。说明这一一时段大同同市的平均均气温对谷谷子产量影影响较大。。8月下旬正值谷子灌浆前期，茎叶制造造的营养物物质要向籽籽粒输送，，保证灌浆浆，仍然需需要充足的的水分，而而气温偏高，，蒸发、蒸蒸腾加大，，导致农田田水分亏缺缺加剧，粒粒重下降，，严重影响响最终产量量。这一点也也可以从该该时段的降降水量与谷谷子产量呈呈正相关，而日照时数数与谷子产量量呈负相关中中得到证实。。8月平均气温与谷子气象产产量呈显著负负相关，回归归方程为：Yw2=198.66-9.88T2(7)F=4.09>F0.05=4.08，通过信度0.05效果检验。从从方程中可以以看出，这一时段平均均气温每增加加1℃，谷子产量减减少9.88公斤/亩。8月正值谷子抽穗-开花期，一方面谷子子开花对温度度和湿度比较较敏感，温度过高和湿湿度过低都不不利于花粉的的发育；另一方面该该时段的需水水量仅次于拔拔节-抽穗期，而温度偏高，水水分蒸发加快快，若遇到““卡脖旱”，，就会严重影影响最终产量量。此外，7月平均气温和和9月上旬平均气气温是温度因因子影响谷子子产量的次关关键时期，对对谷子产量也也有一定影响响。三、降水量对谷子子产量的影响响从谷子气象产产量与降水量量的相关系数数来看(表3和表4)，6月下旬降水量量、7月上旬降水量量、9月降水量与谷子气象产产量相关最为为密切，均达达0.05显著水平，是降水因子影影响谷子产量量的关键时期期。6月下旬降水量量与谷子气象象产量呈显著著正相关，回回归方程为：：Yw5=-14.56+0.68R1(10)F=5.59>F0.05=4.08，通过信度0.05效果检验。从从方程中可以以看出，这一一时段降水量量每增加1mm，谷子产量增增加0.68公斤/亩。说明这一一时段大同市市的降水量不不能满足谷子子生长的需求求。此时正值值谷子拔节期，是茎叶迅速速分化的发育育时期，需水量大，若此时降水水增加，将有有利于谷子增增产。7月上旬降水量量与谷子气象象产量呈显著著正相关，回回归方程为：：Yw6=-15.44+0.41R2(11)从方程中可以以看出，这一一时段降水量量每增加1mm，谷子产量增增加0.41公斤/亩。说明这一一时段大同市市的降水量不不能满足谷子子生长的需求求。此时正值值谷子拔节-抽穗期，是谷谷子需水最多多时期，降水量增多多会有利于谷谷子生殖生长长。9月降水量与谷谷子气象产量量呈显著负相相关，回归方方程为Yw7=18.17-0.39R3(12)从方程中可以以看出，这一一时段降水量量每增加1mm，谷子产量减减少0.39公斤/亩。此时正值值谷子灌浆期，谷子子的需水量较较少，喜晒怕怕涝，若此时遇到到多雨特别是是连阴雨天气气，常会造成成贪青晚熟，，或因光照不不足形成大量量秕谷,从而导致谷子子减产。四、日照时数对谷谷子产量的影影响从谷子气象产产量与日照时时数的相关系系数来看(表4和表5)，9月日照时数与谷子气象产产量相关最为为密切，达0.01极显著水平，，是光照因子影影响谷子产量量的最关键时时期。9月日照时数与与谷子气象产产量呈极显著著正相关，回回归方程为Yw8=-114.90＋0.50S1(13)F=8.20>F0.01=7.31，通过信度0.01效果检验。从从方程中可以以看出，这一一时段日照时时数每增加1h，谷子产量增增加0.5公斤/亩。此时正值值谷子灌浆－成熟期期，日照时数数长有利于干干物质的形成成，促使籽粒粒饱满丰硕。。此外，6月下旬日照时时数和与9月中旬日照时时数是光照因因子影响谷子子产量的次关关键时期，对对谷子产量也也有影响。§3谷子产量预报报模式的建立立与检验将大同市谷子子气象产量与与各气象因子子的相关系数数达0.05以上显著水平平的6个关键气象因因子作为预报报因子，建立立气象产量多多元线性回归归方程。该方程为：Yw=-29.608+0.281R1+0.284R2-7.847T1+3.65T2-0.087R3+0.396S(16)式中，Yw为气象产量估估计值；R1为6月下旬降水量量；R2为7月上旬