第6章農(nóng)業(yè)氣象模式簡介

第六章農(nóng)業(yè)氣象模式簡介主要內(nèi)容§1概述§2農(nóng)業(yè)氣象模式的研究方法§3作物氣象模式簡介本章重點：

●農(nóng)業(yè)氣象模式的概念與分類

●農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)的特征

●農(nóng)業(yè)氣象模式的研究方法本章重點與難點§1概述主要內(nèi)容：

●農(nóng)業(yè)氣象模式的定義

●農(nóng)業(yè)氣象模式的意義和作用

●農(nóng)業(yè)氣象模式的分類●農(nóng)業(yè)模型研究的發(fā)展歷程

一、農(nóng)業(yè)氣象模式的定義1、模式或模型●模式是對實體特征及變化規(guī)律的一種定量的抽象，而且是對所研究的特定特征的定量抽象，模式的重要特征可能是比真實的系統(tǒng)更便于理解或敘述的更充分。因此，模式一般是真實系統(tǒng)的簡化，即：對客觀事物（系統(tǒng)）的過程或關(guān)系的數(shù)學表達。

2、農(nóng)業(yè)氣象模式

●農(nóng)業(yè)氣象模式為表征農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)各種復雜過程特征及其變化規(guī)律的文字或數(shù)學表達式，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。

二、農(nóng)業(yè)氣象模式的意義和作用1、模式可定量地表示農(nóng)業(yè)氣象研究中的各種關(guān)系，描述農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)中各種復雜過程的特征，認識和解釋各種農(nóng)業(yè)氣象規(guī)律。2、建立模式有助于進一步判斷研究所缺乏的知識和數(shù)據(jù)，能夠激起新的研究思路和方法。3、建立模式可以縮減不必要的試驗，能夠更好地利用數(shù)據(jù)，并可以匯集不同的資料和結(jié)果得出綜合性的概念。4、模式可以給出內(nèi)插、外推和預(yù)測結(jié)果，給人們以決策的依據(jù)。

三、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雜的關(guān)系或表達一些復雜的過程時有困難。（2）數(shù)學模式與文字模式相比，數(shù)學模式的特征是可以提供符號邏輯，可以表達最復雜的思想和關(guān)系，可以保持簡單和最少的表達式。

●

數(shù)學模式的優(yōu)點是準確精煉，用邏輯方法傳遞信息，并可準確地做出預(yù)報。

●

數(shù)學模式的缺點是有時候會歪曲實際情況，歪曲的東西是不合適的要素。

因此，在農(nóng)業(yè)氣象工作中也要正確地對待其實用性特別是經(jīng)驗統(tǒng)計模式，要注意分析其物理意義和生物學意義是否明確。2、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。水分限制下作物生長模型框架3、按考慮物理和生理機制的程度分類

按考慮物理和生理機制的程度不同分為：

●

經(jīng)驗統(tǒng)計模式

應(yīng)用統(tǒng)計學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健?/p>

●

理論模式

主要是依據(jù)物理學和生物學規(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。四、農(nóng)業(yè)模型研究的發(fā)展歷程準備階段創(chuàng)始階段奠基階段發(fā)展階段（1）準備階段（18世紀起）積溫學說：法國科學家Reaumur1735年提出，認為植物完成其發(fā)育期的逐日平均溫度的累積之和為一常數(shù)。蒸發(fā)力：Penman1948年提出，用于計算水面蒸發(fā)或植物覆蓋農(nóng)田的蒸散速率。光合作用：Rabinowitch1951年提出光合作用對光通量密度與CO2濃度響應(yīng)模型。群體光分布：Monsi1953年提出植物群體內(nèi)光分布的計算公式。（2）創(chuàng)始階段（20世紀60年代）deWit(1924-1993)：農(nóng)業(yè)計算機模型的創(chuàng)始人。1969年提出作物生長過程中碳素平衡的計算機模擬模型：ELCROS(ElementaryCropSimulation)Duncan：1967年發(fā)表“玉米葉面積與葉片角度對群體光合作用影響的模擬”，是美國最早的作物計算機模擬學術(shù)論文。（3）奠基階段（20世紀70-80年代）一些最重要的農(nóng)業(yè)與作物模式和學術(shù)著作都誕生在這一時期。Thornley關(guān)于呼吸過程Chanter關(guān)于生長曲線Charles-Edwards關(guān)于干物質(zhì)分配Ritchie關(guān)于土壤蒸發(fā)各種作物模式相繼開發(fā)1974年11月，聯(lián)合國召開世界糧食大會，建議FAO建立糧食生產(chǎn)農(nóng)業(yè)信息早期預(yù)警系統(tǒng)；1977年WMO農(nóng)業(yè)氣象委員會決定成立農(nóng)業(yè)氣象模式及其在發(fā)展中國家應(yīng)用工作組典型模式CERES(CropEnvironmentResourceSynthesis),Ritchie指導（1976-84）SIMCOT(SimulatorofCotton，Duncan，1972）BACROS(Basiccropsimulator,deWit，1978)（4）發(fā)展階段（20世紀90年代-）機理性：Evans、Farquhar光合作用模擬研究；氣孔阻力模擬廣泛性：從作物的廣泛性發(fā)展到領(lǐng)域的廣泛性應(yīng)用性：CCSODS(Cropcultivationalsimulationoptimizationdecision-makingsystem)綜合性：從單一作物、單一功能到農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模擬高科技應(yīng)用：RS、GIS和GPS的應(yīng)用§2農(nóng)業(yè)氣象模式的研究方法主要內(nèi)容：

●農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)分析

●農(nóng)業(yè)氣象模式的建立一、農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)分析

1、農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)的特征（1）系統(tǒng)和外界環(huán)境的復雜性系統(tǒng)的復雜性主要體現(xiàn)在兩個方面。一是在系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)農(nóng)業(yè)群落中，活的組織可以分為幾級：生物圈、生物地理群落、有機體、器官、細胞和亞細胞等等，其結(jié)構(gòu)的復雜性顯而易見。在低等級向高等級過渡時，某些特征變得比較復雜，而某些特征又會變得不太復雜和較少變化。

二是系統(tǒng)內(nèi)的無生命成分即土壤和大氣同樣也有其復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)所處的外界環(huán)境的復雜性，首先體現(xiàn)在系統(tǒng)是受環(huán)境的多因子性（多維性）制約的。

一般而言，外界環(huán)境因子對農(nóng)業(yè)群落的作用不是累加的，而是由于其影響的單優(yōu)勢性、協(xié)同作用、拮抗作用、相關(guān)性等現(xiàn)象而復雜化。其次是外界環(huán)境的很多因子具有活動性，這種特性極端復雜，如時間變化特性等。

（2）系統(tǒng)的非定常性

非定常性是指系統(tǒng)對外界環(huán)境條件作用做出反應(yīng)的性質(zhì)在時間上的變化。系統(tǒng)的非定常性是由作物的生長發(fā)育造成的。

在個體發(fā)育的過程中，作物對外界環(huán)境條件的要求和對外界環(huán)境條件影響的反應(yīng)呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。在發(fā)育期間，其重要生理過程的基本點不是固定不變的。

作物的生長過程是以下列方式?jīng)Q定著系統(tǒng)的非定常性的：

一是系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境范圍的增大，即向上界和下界的延伸。

二是生物量（葉片、莖桿、根系）在充滿環(huán)境時，環(huán)境本身的特性也發(fā)生變化。

這些變化同樣會改變作物對外界環(huán)境條件作用所做出的反應(yīng)。（3）系統(tǒng)的慣性除了日常的氣象條件之外，農(nóng)業(yè)群落生物量的增長是由許多慣性特征—葉面積、根系大小、土壤根層含水量等所決定的。而另一些生物學慣性因素—有效分蘗數(shù)、每穗小穗數(shù)、小穗籽粒數(shù)也在很大程度上決定著籽粒的產(chǎn)量水平。（4）系統(tǒng)的非線性性決定著作物生產(chǎn)力的所有生物學過程與外界環(huán)境因子的關(guān)系是非線性的。

（5）系統(tǒng)的適應(yīng)性

系統(tǒng)的重要特征是行為的適應(yīng)性?，F(xiàn)代生物學把生物有機體看成是一個開放的自動調(diào)節(jié)和自我建設(shè)的動態(tài)系統(tǒng)，對正在變化的情況具有適應(yīng)性，而且只有生物才具備這種特性。

個體發(fā)育過程中起作用的調(diào)節(jié)原則有二。一是按照遺傳因子即發(fā)育的內(nèi)部因子進行發(fā)育；二是發(fā)育與外界環(huán)境狀況相適應(yīng)，即以外界因子為轉(zhuǎn)移。

生長過程中生物量積累的自動調(diào)節(jié)涉及到各種水平的植物組織。

而調(diào)節(jié)生物量積累速度的基本原則是：將可塑性物質(zhì)分配（甚至再分配）至處于最困難條件下的那個器官，以改善其供應(yīng)能力。

了解和掌握農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)的這些特征是非常重要的，它可使我們所建的模式更加完善，更準確的表述這個系統(tǒng)內(nèi)的機制、狀態(tài)和過程的相互關(guān)系，更深入的揭示農(nóng)業(yè)氣象規(guī)律。

2、系統(tǒng)分析

農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)。系統(tǒng)的思想就是所說的系統(tǒng)觀點。

主要論點是：一個系統(tǒng)無論如何復雜龐大，總可以細分為一些單位，最后總是由若干簡單的單元（或元素、元件）組成，而這些單元是相互聯(lián)系相互影響的。在研究某一專題時，總有其明確的目標，即系統(tǒng)內(nèi)各單元之間的關(guān)系是為了達到統(tǒng)一的目標而分工合作的關(guān)系。

按照系統(tǒng)的思想來分析問題就是系統(tǒng)分析。

系統(tǒng)分析不僅要研究清楚系統(tǒng)與環(huán)境之間、系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間定性和定量的關(guān)系，并且要用一個適當?shù)谋磉_方式來表示這種關(guān)系。這樣處理自有不少方案，而用系統(tǒng)的觀點，可求得一個最佳方案。最后，這個最佳方案拿到實驗中去驗證，檢驗是否達到預(yù)期效果。當然，必須注意，最佳方案是辯證的，是在一定時間、地點等具體條件下的產(chǎn)物。

二、農(nóng)業(yè)氣象模式的建立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、建立模式應(yīng)考慮的因素

●輸入變量與系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)無關(guān)，是作用于系統(tǒng)的外因。

●輸出變量是輸入變量對系統(tǒng)狀態(tài)變量的作用而產(chǎn)生的。

●狀態(tài)變量是表示系統(tǒng)特征狀態(tài)變量，能直接引起輸出變量的變化。

●比率變量是由各種變量變化所引起的各種反應(yīng)的比率，比率變量常稱為參數(shù)。

§3作物氣象模式簡介

一、經(jīng)驗統(tǒng)計模式

二、理論統(tǒng)計模式

三、理論模式

一、經(jīng)驗統(tǒng)計模式

早在農(nóng)業(yè)氣象學研究之始，統(tǒng)計學方法即在實際應(yīng)用中得到重視，蘇聯(lián)Y．M·奧布霍夫和美國R·費希爾(Fisher)的工作具有奠基的性質(zhì)。奧布霍夫首先廣泛地應(yīng)用多元回歸法分析氣象條件對作物產(chǎn)量的影響，其線性回歸模式如下：式中，Y為估測產(chǎn)量，a為常數(shù)項，Bi(i到n)為系數(shù)，Xi為n個影響產(chǎn)量的因子。這些因子包括氣象因子、作物的某些生育狀況（如高度、密度、葉面積等）以及農(nóng)業(yè)技術(shù)措施。

R·費希爾提出積分回歸方法用以研究氣象條件對小麥產(chǎn)量的影響。多元積分回歸的模式為：二、理論統(tǒng)計模式

為了克服經(jīng)驗統(tǒng)計模式的缺點，從七十年代以來，許多學者提出一些新的模式。這類模式的特點是在回歸統(tǒng)計模式中更充分地考慮到影響作物生育和產(chǎn)量形成的物理和生理上的機理，實質(zhì)上形成了半理論半經(jīng)驗?zāi)Ｊ健?/p>

貝爾的作物產(chǎn)量形成的階乘模式就是一例。假定作物產(chǎn)量主要依賴于三個農(nóng)業(yè)氣象變量：能量，溫度和土壤濕度(或蒸散)。這三個變量可以相互改變化，但在其生活周期中任一天都對其最終產(chǎn)量有正或負的影響，因此，作物-天氣分析模式的基本方程為：

從生物氣象時間t=0到t=m每日V值的總和V1、V2、V3為所選自變量的函數(shù)。每個V函數(shù)的一般形式：

這類半理論半經(jīng)驗?zāi)Ｊ接性S多。如：水稻空殼率與光、溫關(guān)系模式：式中：s為處理期間每天實際平均日照時數(shù)，Ps為在s小時日照條件下的空殼率，t為處理期間的平均溫度，P0為完全遮光下的最大空殼率，a，b，c為統(tǒng)計參數(shù)。

冬小麥越冬死苗率(y)