应用气象学方法第1章概论

应用气象学方法

应用气象学院张雪松

lntlzxs@163.com应用气象学方法

课程属性:专业主干课课程学分：

3

学分课程总学时：48h（理论40h，实习8h）课程性质：必修预修课程:应用气象学、农气情报预报、天气学成绩评定：笔试（80%）+平时成绩（20%）应用气象与各行业关系应用气象农业交通林业航空航海健康畜牧城市电力交通农业太湖蓝藻暴发应用气象方法与其它课程的关系大气物理学I流体力学天气学应用气象学数理方程动力气象学微气象学气象灾害学气候资源学气象服务学地理信息系统遥感原理及应用应用气象学方法农业气象学应用气象仪器生态学农业气象情报预报土壤学II水文气象学植物生理学农学导论生物气象学城市气象学中尺度气象学现代防雷工程城市生态学污染气象学学科基础课专业主干课专业方向课课程教学目标通过本课程的理论和实践教学，使应用气象专业的本科生能掌握应用气象学的基本理论、研究手段、观测技术、试验方法和常见的时空分析与统计预测的工具，熟悉现代气象业务中应用气象服务工作的基本思路和流程，能在应用气象学及相关领域的业务、科研中领会应用。主要内容与教学任务包括五大部分：（1）应用气象调查研究与考察方法的掌握；（2）应用气象试验观测方法的熟悉，田间试验的误差分析与表达方法；（3）环境模拟试验方法的了解；（4）统计分析与应用气象数值模拟方法的初步应用和全面理解；（5）常见“3S”技术软件的熟悉，“3S”技术在空间数据采集、分析和应用。主要内容理论教学40h第一章概论4h第二章调查研究与考察方法6h第三章田间试验观测方法10h第四章环境模拟试验方法4h第五章统计分析8h第六章数值模拟方法8h实践教学：8h调查研究与考察方法2h应用气象学观测仪器及方法2h环境调控仪器及应用2h现代统计软件及其应用2h参考书1、姚克敏等，《农业气象试验研究方法》，气象出版社，19952、朱瑞兆，《应用气候手册》，气象出版社，19913、姜会飞，《农业气象观测与数据分析》，科学出版社，2009

。§1.应用气象试验研究的基本程序§2.应用气象试验研究的基本要求§3.应用气象试验研究的基本特点

（1）掌握应用气象试验研究的基本程序（重点）（2）熟悉试验研究的基本要求（3）理解应用气象专业人员应具有的专业素质（4）了解应用气象试验研究的基本特点（难点）（5）初步了解获取各类应用气象数据的途径手段第一章概论（4学时）§1.应用气象试验研究的基本程序一、应用气象试验研究方法的意义1.是为鉴定气象条件与研究客体间的相互关系并为各种服务技术提供有效数据的基础技术，是应用气象任务得以顺利完成的保证。

通过气象观测记录和依据它编发的气象情报，除了为天气预报提供日常资料外，还通过长期积累和统计，加工成气候资料，为农业、林业、工业、交通、军事、水文、医疗卫生和环境保护等部门进行规划、设计和研究，提供重要的数据。

定期农业气象情报：气象要素评价：日、周、旬、月、季农业气象公报，利用监测数据，根据需要自动成日、周、旬、月、季的气温、土壤温度、相对湿度、降水、土壤水分等平均值、最高、最低值，并图形显示。对作物影响概述：结合作物的生长发育状况，对作物生长发育速度进行综合分析评价，包括备发育期的开始日期、出苗速度、植株密度、植株高度、生长状况、停止生长日期。农业技术措施的实施与建议：播种量、适宜灌溉期和灌溉量、施肥期和用肥量以及施肥次数、喷洒农药等建议.灾情报分别对气象灾害（干旱、高温、低温、寡照、霜冻、大风、冰雹）等的名称、时间、强度、分布范围、危害程度、损失、措施等进行填充和选项，然后自动生成报告，自动发布。2015年6月1日，东方之星在长江湖北监利水域倾覆2015年3月24日，山东省潍坊市，白浪河水库干枯裸露的滩涂被晒干的鱼2015年8月9-11日，台风“苏迪罗”在南京2.应用气象观测是气象工作和大气科学发展的基础

大气现象及其物理过程的变化较快，影响因子复杂，除了大气本身各种尺度运动之间的相互作用外，太阳、海洋和地表状况等都影响大气的运动。这些气象条件直接影响农业、工业、交通、生物等。不断引进其他科学领域的新技术成果，革新应用气象观测系统，是发展应用科学的重要措施。

新的形势下，随我国气象行业发展，应用气象需要解决的问题和需求不断增加，气象服务不断创新。比如：传统农业气象服务——水产养殖气象——设施农业气象——特色气象服务。3.应用气象的研究方法和研究技术不断更新的需要4.加强农业气象研究，对保障粮食安全，服务“三农”具有重要意义

我国人口多，粮食安全是第一要务，农业气象如何保障粮食安全仍是气象服务的根本任务。农业气象灾害频繁，给粮食安全带来极大威胁和风险。

粮食安全:治国安邦的头等大事

云南自2009年以来连续四年干旱5.为气候变化、环境质量评价及气候适宜性评价提供依据淮河流域冬小麦降水适宜性分布淮河流域冬小麦温度适宜性分布

二、应用气象学方法研究内容应用气象的调查与考察方法(设计方案、抽样、分析、结论）；应用气象试验观测方法（选题、方案、计划、实施、数据收集、分析、结论）；环境模拟及控制试验方法（目的、控制变量选择、方案、实施、数据收集）；应用气象先进试验技术（探测技术、数据挖掘、研究手段）；应用气象试验统计分析方法（误差控制、数据质量、方差分析、正确的结论）；应用气象数学模拟方法（数据分析、模型建立、模型检验、应用条件）。三、课程发展历史沿革1.第一阶段《农业气象试验研究方法》是南京气象学院原来的农业气象系开设的一门课程。它注重对学生的实践能力培养，通过学习使得学生可以掌握农业气象学专业实际工作中所需求的基本技能，适应台站工作，也为进一步的科研工作打下扎实的基础。2.第二阶段1999年，农业气象专业更名为应用气象专业。为了适应气象事业和气象行业的发展，气象部门加强了气象科技服务，拓展了气象服务领域，丰富了服务内容，由此需要使用和引进新的方法和手段来满足这种需求，我们根据气象行业的新需求，将《农业气象试验研究方法》改名为《应用气象学方法》，在课程内容上进行了实质性的增补和删减。从2007年起，随着应用气象学方法的课程逐渐完善，应用气象学专业的知识结构对该课程的依赖程度增长，在教学计划修订时，将其列入必修课，并且通过不断修改和完善教学大纲和教学内容，2008年申报江苏省精品课程，获得批准。四、试验研究的基本程序（重点）一项完整的应用气象试验研究，通常包括以下五个基本环节：1、选题2、拟定试验计划3、选取数据4、提取结论5、实践应用与验证四、试验研究的基本程序（重点）1、选题（1）基本原则：必要性：理论或实践中的关键问题。创新性：发现新规律、提出新概念和创造新技术。可行性：应具有相应的技术条件、人员条件、仪器及物质条件。（2）基本途径国家973计划：重大应用基础研究项目，有明确的投入、产出要求。863计划：国家高新技术重大研究项目。攀登计划：重大基础理论性研究项目。如人类基因图谱、水稻基因图谱、植物光合作用机理等。星火计划：国家重大科技推广计划，如超级稻推广，节水灌溉技术推广等。国家自然科学基金：包括面上项目、人才项目、青年基金及重大项目等。省自然科学基金、省高新技术项目、省社会发展项目。应急性研究项目：如2003年非典暴发、2007年太湖蓝藻、2008年南方雪灾等。2、拟定试验计划（1）立项依据包括研究意义，国内外现状，技术关键，项目特色与创新之处。（2）研究内容、研究方法与技术路线包括研究与试验的方法，可行性论证，时间安排与进度。实例立题依据菊花(ChrysanthemummorifoliumRamat.)是世界四大切花之一，也是我国出口的主要花卉。2009年我国切花菊出口量达5000余万枝，其中单头切花菊占95%以上。出口菊花对其花期和品质指标要求甚为严格，如何准确调控设施菊花花期和品质已成为生产部门面临的技术难题。在一定的栽培方式（种植密度、水肥条件）下，菊花生长发育和品质形成主要受温度、光强、光周期和光质成分的共同影响，前人关于温度、光强和光周期对菊花生长发育的影响有大量研究(Adamsetal，1998；Larsen&Nothnagl，2008)，而对光质成分对菊花花期和品质形成的影响仅有少量报道。国内外进展作物生长模型是国际上预测和调控花卉生长发育的一种先进手段。在本世纪初，欧美国家率先开展了温室菊花生长发育模拟研究。Leeetal（2003）研究了温度和光照强度对温室多头菊生长的影响，并采用分配系数方法模拟温室多头菊花的干物质分配，建成基于光合作用驱动（Photosynthesis-driven）的多头菊生长模型。在菊花品质模拟方面，国外学者多侧重于多头小菊的花干重、花茎、节间长度和叶片数等预测模型的研制（Carvalhoetal，2002；Nothnagletal，2004）。国内学者李向茂等（2007）研究了不同定植密度对单头切花菊品种‘Jingba’品质的影响，陈发棣等（2008）研究了营养生长期长短对切花菊品质的影响，杨再强、罗卫红等（2007，2008，2009）建成基于生理辐热积（PhysiologicalproductofthermaleffectivenessandPAR,PTEP）为尺度的温室单头切花菊生长发育和品质模拟模型，可动态预测单杆和多杆栽培的单头切花菊的生长发育与品质指标。但截至目前为止，国内外未见不同R/FR值对单头切花菊品质形成及其模拟模型的报道。本项目的特色与创新之处构建基于光质和出叶速率的温室切花菊叶面积子模型叶面积子模型是作物生长模型的核心部分之一，也是提高模型预测性和准确性关键环节。就人工控制温室而言，传统的积温法（GrowthDegreeDays，GDD法）由于未考虑辐射对叶面积消长的影响，导致误差较大；比叶面积法（SpecialLeafArea，SLA法）由于无法准确模拟肥水胁迫条件下SLA随生育期的变化，因而其应用受到一定限制。本研究将首次建立基于光质(R/FR值)和出叶速率的叶面积动态模型，可望大大提高菊花叶面积的模拟精度。开拓性和创新性的研究，可以克服前人模型中未考虑R/FR值影响的缺陷。构建基于光质响应的菊花品质模型本项目拟通过系统测定不同R/FR值处理下菊花的花芽分化进程、叶面积扩展、冠层光分布特征、群体干物质生产与分配和品质动态变化，探讨不同光质环境（R/FR值）对菊花发育速率、同化物“源-库”关系的影响机理，并通过测定和分析不同光质处理下菊花叶片的生理生态指标（营养物质含量、酶活性、内源赤霉素水平、光合特性和叶绿素荧光），提取菊花机理模型的有关参数。在自主研制的菊花模型的基础上，以试验数据为依据，对原有模型算法进行改进、完善，最终建立具有自主知识产权的基于光质响应的温室单头切花菊品质模拟模型。提出利用R/FR值调控温室切花菊花期和品质的量化指标本项目将菊花品质调控途径由传统的化学途径或单因素（温度或辐射）途径拓展到光质和多因子途径，即利用光质（R/FR值）和温度、光强、光周期等多因子综合调控花卉花期和品质。这一技术路线具有创新性，可望克服传统方法污染环境、耗能过多的缺陷，符合设施农业“环保、生态、低能、高效”的发展方向。拟采取的研究方案及可行性分析（1）切花菊温室栽培试验①试验设计拟于2011-2012年，在南京信息工程大学试验温室分不同批次进行切花菊栽培试验，以单头切花菊品种‘神马’(Jingba)为试材。营养生长期补光处理参考Oyaertetal（1999）方法，夜间（20:00-1:00）用200J·s-1高压钠灯（Philips，HPS，400W）补光5h。当株高达到60cm时，用黑色塑料膜遮光，进行短日处理，每日光照时间控制在10h(7:00-17:00)。②温室气象数据采集参考Lietal(2007）方法，温室气象数据由采集器（CR-10X,CampbellScientific，USA）自动采集，项目包括：温室内1.5m高处气温、菊花冠层上方光合有效辐射、空气相对湿度、CO2浓度、温室栽培基质0、20、40cm深处温度、基质相对湿度，采集频率1次/10s，存储每30min的平均值。

可行性分析（1）理论上可行

前人研究已证实，光质中不同波长的光谱与植物体内相关的色素作用影响植物体内的激素平衡，进而引发植物的生理或形态的变化。400～700nm波长范围的光是影响植物光合作用与生长发育的主要因素，其中600～700nm红光能降低植物体内赤霉素(GA)的含量，从而减少节间长度和植株高度……（2）技术上可行

本研究拟采用荧光灯和LED光源的不同组合产生不同R/FR值，并采用LI-1800

分光辐射仪对不同处理的R/FR值和辐射强度等加以控制……测定。温室气象数据由CR-10x自动采集，菊花品质指标可在本校省级应用气象实验中心和省级环境科学与工程实验教学示范中心化验、测定。年度计划①2011年在南京信息工程大学温室内开展试验，包括调整安装气象数据采集仪器，分批定植菊花苗，进行不同光质（R/FR值）处理；测定不同处理菊花花芽分化进程、叶片光合特性，分析不同R/FR值对发育速率、营养物质、内源赤霉素、光合特性、光系统活性、光能利用效率的影响；收集温室气象数据、测定不同处理植株的生长指标、器官干物质质量和菊花外观品质。②2012年继续在南京信息工程大学开展试验，采集温室气象数据、菊花生长发育和品质资料；分析整理数据，提取关键的生理生态参数，确定不同R/FR值与温室单头切花菊发育、干物质生产和品质性状的定量关系，初步建立切花菊生长发育和品质模型；利用建模以外的独立试验数据检验菊花品质模型，调整模型参数，进一步完善模型；撰写研究论文1-2篇。2、拟定试验计划（1）立项依据包括研究意义，国内外现状，技术关键，项目特色与创新之处。（2）研究内容、研究方法与技术路线包括研究与试验的方法，可行性论证，时间安排与进度。（3）工作基础与工作条件

过去的工作基础，本项目研究人员组成，已有工作成果和仪器设备条件。

实例研究基础

项目申请人长期从事设施农业气象保障、设施园艺作物生长模拟和设施环境调控技术的研究，2009年作为第二主持人主持公益性（气象）行业科研专项“设施农业及特色农产品气象保障关键技术研究”（GYHY200906023），在该项目中负责设施菊花生长发育模拟模型及环境调控决策支持系统的研究。2009年主持了中国气象局干旱气象科学基金“西北地区日光温室小气候形成机理和模拟模型的研究”

(IAM200901)。在2005-2008年期间参与国家“863”项目（2006AA10Z218）“温室主要果菜作物生长发育数字模拟模型系统研究”、上海市科技兴农四新项目（沪农科推字2003第1-2-1号）“菊花反季节栽培技术的应用和推广”的研究，上述项目的研究为本项目中建立基于光质的温室切花菊品质模型的研究积累了丰富经验。工作条件本研究依托设在南京信息工程大学校内的江苏省应用气象实验中心和省级环境科学与工程实验教学示范中心开展。江苏省应用气象实验中心拥有自动气象站、Li—6400光合作用测定系统、氨基酸测定仪、PMA—5稳态气孔计等先进仪器，为测定菊花光合特性和叶绿素荧光参数等提供了试验分析仪器和设备。省级环境科学与工程实验教学示范中心具有高效液相色谱-质谱联用仪WatersZQ400一台，可测定菊花器官的赤霉素含量。目前尚需要购买一些化学药剂以便对菊花生理指标进行分析测定。应用气象实验中心还拥有1台MPC—120型人工气候室（产地：加拿大），可精确调控温度、光照、水分、湿度、CO2浓度等环境因子。南京信息工程大学拥有600m2智能试验温室1座，标准塑大棚3个（面积750m2），能满足菊花不同光质处理栽培试验所需条件。目前尚需购买30根荧光灯和15m2的LED灯源以及1台环境数据采集仪（CR-10x）。研究人员素质具有扎实的专业理论基础和丰富的实践经验；熟悉并掌握着相关的试验方法；热爱专业、有强烈的事业心和开拓精神；实事求是、善于发现和解决问题。3、获取数据（重要的一步）3.1数据观测类型：(1)直接观测和间接观测直接观测是凭借人的感觉器官对事物现象进行描述（如太湖蓝藻）间接观测即仪器观测。提供可靠的计量标准和准确的记录手段，使科学研究水平显著提高。2、拟定试验计划1、选题四、试验研究的基本程序（重点）气相色谱仪高效液相色谱仪TOC分析仪(2)主动观测与自发观测主动观测是指根据研究方案的安排进行有目的的观测；自发观测是指试验中对某些未被列入方案的有价值的现象进行的观测。(3)定性观测和定量观测定性观测是指对事物或现象的性质和特征观测。如对天气现象的描述，雨、雪的有无；定量观测必须具备能表现事物特征可测量的概念和相应的计量方法与手段。借助仪器，如雨的等级(24h)：大雨（25-50mm）、中雨(10-25mm)、小雨（10mm）等。风向、风速、气温、相对湿度、气压、雨量和地温

气象观测站气象侦察兵无人机除了可提前预测极端天气，还可用于风暴损失评估、洪灾、干旱和森林野火的空中拍摄。卫星地面接收站中国第一颗地球静止气象卫星FY-2A于1997年6月10日，利用长征三号火箭在西昌卫星发射中心发射成功，6月17日定点于105E赤道上空，由此开始了我国地球静止气象卫星在轨运行的时代。第一代地球静止气象卫星风云2号（FY-2）3.2数据观测的基本方法要有积极的思维过程，只有积极思维才具有创造性。观测要做详尽的记录并借助文字、绘画、摄影等手段帮助观测。观测必须严密，结果应当是可靠的。观测应抓住特点，特别应注意事物之间及事物与已有知识之间有任何启发或联系的现象。应避免先入为主的干扰3.3数据观测的基本原则客观性：实事求是，保证资料确实可靠。全面性：避免片面（如针对不同季节、不同生育期等进行全面观测）典型性：代表性3、获取数据2、拟定试验计划1、选题4、分析结果、获取结论逻辑思维：指用多学科的基础理论和技术，考虑观测数据所表达的信息，找到数据的内在规律。借鉴比较：指了解相关的研究结论，比较相互异同，推动研究的发展。四、试验研究的基本程序（重点）3、获取数据2、拟定试验计划1、选题4、分析结果、获取结论四、试验研究的基本程序（重点）5、实践应用与验证

试验研究成果必须放到生产实践中去验证和应用。除将成果直接应用于生产实践以外，以情报、预报或信息形式向各级部门提供服务，指导生产，计划生产也是一种重要的应用形式。论文发表、交流或论文成果的引用也是一种实践应用的形式。参见《农业气象试验研究方法》P13（1）目的性明确观测内容要明确、所用仪器设备要齐全，预期结果要心中有数。（2）试验条件要有代表性试验条件要与将来准备推广应用区域的自然、生产和气候条件一致；必须考虑试验结果能否适应农业发展的新形势。（3）试验结果应具有重演性或重现性重演性是指在相同试验条件下重复试验结果的一致性；发表论文时对“材料与方法”写作的要求：要体现出你所做的研究不是偶然的，是可以重演或重现的。§2.应用气象试验研究的基本要求以农业气象试验研究为例：研究的对象非农作物非气象条件，而是二者依存或制约、促进或危害的数量关系；研究周期较长；受多种因素影响，研究若不能及时见效，极易失去应用价值；农业气象是边缘科学，研究难度较大。§3.应用气象试验研究的基本特点（1）研究应遵循平行观测的原则一方面进行气象或应用气象要素观测;一方面进行农作物和畜、禽、林木的生长发育和产量观测。并对各要素的变化规律进行分析，找出相互间的数量关系。“为了农业的目的，气象观测一定要在记载植物生活和农业工作的同一地段上进行，否则把物候观测和气象观测进行比较可能得出完全错误的结论”。

——П.И.伯罗乌诺夫据此，归结应用气象试验研究的基本特点：（2）根据试验研究的需要采用综合有效的试验研究方法分期播种法每隔一定时期播种一批种子，观测不同批次的作物生长发育和品质指标，目的在于确定适宜播期，研究不同气象条件与作物生长发育的关系。实例试验1于2005年4—8月进行，供试材料为相对短日型夏菊品种‘优香’(Yuuka)。4月22日定植，种植密度42株·m-2。4月28日摘心，离地面4cm高处摘心去顶，分别保留1、2和3个侧芽培育单杆、双杆和三杆，使单位面积杆数分别为42、84和126杆·m-2。6月16日开始短日处理，8月5日收获。试验2于2005年5—9月进行，供试材料为‘优香’(Yuuka)。5月20日定植，5月30日摘心，7月12日开始短日处理，9月4日收获。种植密度和摘心方法同试验1。试验3于2005年7—11月进行，供试材料为绝对短日型秋菊品种‘神马’(Jingba)。8月22日定植，种植密度64株·m-2，单杆