農業(yè)氣象學之農業(yè)氣象模式簡介課件

第六章農業(yè)氣象模式簡介第六章農業(yè)氣象模式簡介1本章重點：

●農業(yè)氣象模式的概念

●農業(yè)氣象模式的分類

●農業(yè)氣象模式的建立方法本章難點：

●農業(yè)氣象模式的建立方法本章重點與難點本章重點：本章重點與難點2一、農業(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。即對現實事件的內在機制和事件之間關系的直觀、簡潔的描述；能夠向人們表明事物結構或過程的主要組成部分及其相互關系。

●廣義的模式包括文字敘述、圖象描述、數學公式等；狹義的模式指詞語同圖象的結合。一、農業(yè)氣象模式的概念1、模式或模型的概念3

●模型是把對象實體通過適當的過濾,用適當的表現規(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,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，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、分子結構圖等經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?！衲Ｐ褪前褜ο髮嶓w通過適當的過濾,用適當的表現規(guī)則描42、農業(yè)氣象模式

●農業(yè)氣象模式是表示農業(yè)生產對象或過程與氣象條件關系的數學表達式或文字邏輯圖式，是農業(yè)氣象系統(tǒng)的高度抽象和簡化。

●農業(yè)氣象模擬就是把農業(yè)氣象系統(tǒng)中的各種問題模型化。2、農業(yè)氣象模式5

門司—佐伯公式:

I=I0exp（-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或群體消光系數；F為各層次以上部分的葉面積之和。門司—佐伯公式:I=I0exp（-k6致受最最最受致死害低適高害死

低低溫溫溫高高溫溫度度度溫溫

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致受最最最受致7活動溫度與下限溫度之差（Ti–B）稱為有效溫度。作物在某時段內有效溫度的總和稱為有效積溫（Ae），用下式表示：

有效積溫（Ti＞B；當Ti≤B時，Ti-B=0。）活動溫度與下限溫度之差（Ti–B）稱為有效溫度。8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為大于零的經驗參數。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9固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)水分子模型：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)水分子模型：10

農田土壤水分平衡方程：

Wh+（R+Sg+K）-（Es+Ep+q1+q2）=Wk式中，R為某時期內的降水量，Sg為毛管水上升量，K為該時期內的灌溉量，Es為土壤蒸發(fā)量，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。實際應用時，有些項可根據當地當時的具體情況略去。

農田土壤水分平衡方程：11大氣圈CO2生物圈CO2固定

土壤呼吸

溶解吸收

有機質分解

交換釋放

風化溶蝕

固定沉積

生物殘體歸還

生物有機體歸還

沉積固定

呼吸分解光合固定植物燃燒徑流攜帶化石燃料燃燒、火山爆發(fā)、巖石風化土壤圈水圈巖石圈碳循環(huán)簡圖大氣圈CO2生物圈CO2固定土壤呼吸溶解吸收有機質分12

小麥葉齡積溫模式X=a+bΣT式中，X為葉齡，ΣT為大于0℃的積溫，a、b為待定系數。小麥葉齡積溫模式13

水稻葉齡積溫模式

N=a+bLn（ΣT）式中，N為水稻葉片數，ΣT為播種到該葉片出現時大于10℃的積溫，a、b為待定系數。水稻葉齡積溫模式14式中，Y為包括主莖在內的單株莖數，ΣT為冬前積溫，其它為有關的常數和系數。小麥分蘗積溫模式式中，Y為包括主莖在內的單株莖數，ΣT為冬前積溫，其它為有關15

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，X為水稻移栽后10℃以上的有效積溫，其它為有關的常數和系數。水稻分蘗積溫模式式中，YX為積溫X時單位面積上水稻的16干物質增長積溫模式

式中，W為干物重，ΣT為積溫，其它為有關的常數和系數。

…………干物質增長積溫模式式中，W為干物重，ΣT為積溫，其它17二、農業(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系或表達一些復雜的過程時有困難。（2）數學模式二、農業(yè)氣象模式分類1、按表達形式分類182、按描述的內容分類

●氣象要素時空分布模式

●作物生長發(fā)育模式

●產量形成模式

●光合作用模式

●呼吸作用模式

●同化物輸送分配模式………2、按描述的內容分類193、按描述的對象和尺度分類●

內容比較單一的子模式●

內容比較復雜的模式系統(tǒng)作物——天氣模式土壤——植物——大氣模式土壤——植物——大氣模式實質上是一個把描述各種關系、尺度不同的大大小小子模式有機組合而成的農業(yè)氣象模式系統(tǒng)。3、按描述的對象和尺度分類204、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函數的產量；為生育期或所選時段的平均農業(yè)氣象條件的特征值。4、按考慮時間因子的狀態(tài)分類21

●動態(tài)模式式中，xi(t)為作為時間函數研究的農業(yè)氣象條件的特征值?！駝討B(tài)模式22

上述兩式的差異主要表現在：

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和當時（前期）條件以及農業(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，農業(yè)氣象條件的動態(tài)模擬是當前農業(yè)氣象模式研究中的主要方向。上述兩式的差異主要表現在：235、按考慮物理和生理機制的程度分類●

經驗統(tǒng)計模式

應用統(tǒng)計學方法建立的回歸模式。

●

理論統(tǒng)計模式

實質上是統(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)育和產量形成的物理和生理機理，屬半理論、半經驗模式。5、按考慮物理和生理機制的程度分類24

●

理論模式

主要是依據物理學和生物學規(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)物質輸送、分配等，由此而確定作物生產系統(tǒng)的生產力水平。

概括地說，就是模擬作物群體的能量和物質轉化過程?！窭碚撃Ｊ?5總輻射光截獲LAI潛在總光合產物實際總光合產物干物質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壤水分平衡子模型溫度作物生長模擬模型框架灌溉總輻射光截獲LAI潛在總光合產物實際總光合產物干物質莖葉貯存26三、如何建立農業(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；

●收集和整理有關資料和數據；

●形成概念模式；

●以設想的函數為基礎，建立具體的模式；

●形成一個合乎邏輯的算法；

●核對算法；

●編程；三、如何建立農業(yè)氣象模式？1、建立模式的步驟27●用系統(tǒng)資料估算必要的參數；●調試程序；●檢驗模式對各種參數和因素的敏感性；●設計并進行模式試驗，檢查其結果；●分析實驗數據，驗證模式；●用模式解決實際問題。●用系統(tǒng)資料估算必要的參數；282、模型的應用輸入天氣數據土壤數據作物數據管理措施運行農業(yè)氣象模型輸出生育期器官干重葉面積產量與品質2、模型的應用輸入運行輸出29實例

一個簡單的的農業(yè)氣象模式介紹實例

一個簡單的的農業(yè)氣象模式介紹30大同市近40年谷子產量

與氣象條件的關系分析資料與方法谷子產量與氣象條件的關系分析谷子產量預報模式的建立與檢驗大同市近40年谷子產量

與氣象條件的關系分析資料與方法31§1資料與方法

一、資料

谷子產量數據來源于山西省統(tǒng)計局1961～2000年歷年統(tǒng)計單產。谷子生育期的旬、月平均氣溫，旬、月降雨量和旬、月日照時數等氣象資料來自山西省氣象局。

二、方法

(一)產量的分解

影響谷子產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，將谷子產量分為趨勢產量、氣象產量和隨機產量3部分。§1資料與方法一、資料32

其中，趨勢產量是由農業(yè)生產技術等非自然因素影響的那部分產量，通常表現為隨時間的后延，產量不斷提高；氣象產量指由于天氣氣候的變化而影響的那部分產量，可正可負，具有脈動的特點；隨機產量指由地震、社會變革等隨機因子影響的那部分產量，基本無規(guī)律可循，故不計入方程中。因此，谷子的產量構成可表示為：

Y=Yt+Yw

(1)

式中，Y為實際產量，Yt

為趨勢產量，Yw

為氣象產量。其中，趨勢產量是由農業(yè)生產技術等非自然33

(二)

趨勢產量的分離為了客觀估算氣象因子對產量的影響，首先要從產量序列中分離出氣象產量序列，去掉產量序列中的趨勢項，即對產量序列進行趨勢處理，通常把年序這類時間參數作為自變量，而以這種或那種函數關系去逼近模擬趨勢產量。

利用大同市1961～2000年谷子單產資料，以谷子單產(公斤/畝)為因變量，以年代為自變量，采用線性模擬，得出趨勢產量方程，經F檢驗，置信度達0.01的顯著水平。

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。

(二)趨勢產量的分離34圖1大同市歷年谷子實際單產和時間趨勢產量

圖1大同市歷年谷子實際單產和時間趨勢產量35

（三）氣象產量的計算與分析

獲得各年的趨勢產量后，則相應的任意一年氣象產量為:

Yw=Y-Yt(3)根據（3）式，氣象產量計算結果見如表1。表1

大同市1961-2000年谷子氣象產量（三）氣象產量的計算與分析36一、谷子氣象產量與生育期各氣象因子的相關分析谷子氣象產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，分別求出氣象產量與全生育期、旬、月氣象因子的相關系數?！?谷子產量與氣象條件關系分析

一、谷子氣象產量與生育期各氣象因子的相關分析§2谷子產量與37表2谷子全生育期各氣象要素總值及其與氣象產量的相關系數

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2谷子全生育期各氣象要素總值及其與氣象產量的相關系數38表3谷子生育期內各旬平均氣溫、降水量、日照時數與氣象產量的相關系數

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3谷子生育期內各旬平均氣溫、降水量、39表4谷子生育期內各月平均氣溫、降水量、日照時數與氣象產量的相關系數

注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，r0.01=0.3932，帶*表示通過0.05顯著水平檢驗帶**表示通過0.01顯著水平檢驗表4谷子生育期內各月平均氣溫、降水量、40二、氣溫對谷子產量的影響

從谷子氣象產量與氣溫的相關系數來看(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量相關最為密切，均達0.05顯著水平，是溫度因子影響谷子產量的最關鍵時期。

8月下旬平均氣溫與谷子氣象產量呈顯著負相關，回歸方程為：

Yw1=129.81-6.90T1(6)

F=5.64>F0.05=4.08，通過信度0.05效果檢驗。從方程中可以看出，這一時段平均氣溫每增加1℃，谷子產量減少6.9公斤/畝。說明這一時段大同市的平均氣溫對谷子產量影響較大。二、氣溫對谷子產量的影響41

8月下旬正值谷子灌漿前期，莖葉制造的營養(yǎng)物質要向籽粒輸送，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，導致農田水分虧缺加劇，粒重下降，嚴重影響最終產量。這一點也可以從該時段的降水量與谷子產量呈正相關，而日照時數與谷子產量呈負相關中得到證實。

8月平均氣溫與谷子氣象產量呈顯著負相關，回歸方程為：

Yw2=198.66-9.88T2(7)

F=4.09>F0.05=4.08，通過信度0.05效果檢驗。從方程中可以看出，這一時段平均氣溫每增加1℃，谷子產量減少9.88公斤/畝。8月下旬正值谷子灌漿前期，莖葉制42

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，水分蒸發(fā)加快，若遇到“卡脖旱”，就會嚴重影響最終產量。

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量的次關鍵時期，對谷子產量也有一定影響。8月正值谷子抽穗-開花期，一方面谷43三、降水量對谷子產量的影響

從谷子氣象產量與降水量的相關系數來看(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量相關最為密切，均達0.05顯著水平，是降水因子影響谷子產量的關鍵時期。

6月下旬降水量與谷子氣象產量呈顯著正相關，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1mm，谷子產量增加0.68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)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。

三、降水量對谷子產量的影響44

7月上旬降水量與谷子氣象產量呈顯著正相關，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量呈顯著負相關，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，谷子產量減少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,從而導致谷子減產。

7月上旬降水量與谷子氣象產量呈顯著正相關，回45

四、日照時數對谷子產量的影響

從谷子氣象產量與日照時數的相關系數來看(表4和表5)，9月日照時數與谷子氣象產量相關最為密切，達0.01極顯著水平，是光照因子影響谷子產量的最關鍵時期。9月日照時數與谷子氣象產量呈極顯著正相關，回歸方程為

Yw8=-114.90＋0.50S1(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，這一時段日照時數每增加1h，谷子產量增加0.5公斤/畝。此時正值谷子灌漿－成熟期，日照時數長有利于干物質的形成，促使籽粒飽滿豐碩。

此外，6月下旬日照時數和與9月中旬日照時數是光照因子影響谷子產量的次關鍵時期，對谷子產量也有影響。

四、日照時數對谷子產量的影響46§3谷子產量預報模式的建立與檢驗

將大同市谷子氣象產量與各氣象因子的相關系數達0.05以上顯著水平的6個關鍵氣象因子作為預報因子，建立氣象產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。

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?！?谷子產量預報模式的建立與檢驗47把(2)式和(16)式代入(1)式，得到由時間趨勢產量和氣象產量組成的產量預報模式為：Y=(65.846+1.4413X)+(-29.608+0.281R1+0.284R2-7.847T1+3.65T2-0.087R3+0.396S)(17)利用(17)式計算每年谷子理論產量，并與實際產量進行比較，發(fā)現除了1975、1984、1985、1990這四年豐產年和1962、1972、1999這三年減產年出現較大誤差之外，其余的年份差異不顯著；理論產量與實際產量的相關系數r=0.7416**，達極顯著水平，表明用此模式擬合的谷子理論產量與實際產量有較好的吻合程度（如圖2所示）。

把(2)式和(16)式代入(1)式，得到由時間48圖2用產量預報模式預報谷子理論產量與實際產量的比較

圖2用產量預報模式預報谷子理論產量與實際產量的比較495、世上最美好的事是：我已經長大，父母還未老;我有能力報答，父母仍然健康。

6、沒什么可怕的，大家都一樣，在試探中不斷前行。

7、時間就像一張網，你撒在哪里，你的收獲就在哪里。紐扣第一顆就扣錯了，可你扣到最后一顆才發(fā)現。有些事一開始就是錯的，可只有到最后才不得不承認。

8、世上的事，只要肯用心去學，沒有一件是太晚的。要始終保持敬畏之心，對陽光，對美，對痛楚。

9、別再去抱怨身邊人善變，多懂一些道理，明白一些事理，畢竟每個人都是越活越現實。

10、山有封頂，還有彼岸，慢慢長途，終有回轉，余味苦澀，終有回甘。

11、人生就像是一個馬爾可夫鏈，你的未來取決于你當下正在做的事，而無關于過去做完的事。

12、女人，要么有美貌，要么有智慧，如果兩者你都不占絕對優(yōu)勢，那你就選擇善良。

13、時間，抓住了就是黃金，虛度了就是流水。理想，努力了才叫夢想，放棄了那只是妄想。努力，雖然未必會收獲，但放棄，就一定一無所獲。

14、一個人的知識，通過學習可以得到;一個人的成長，就必須通過磨練。若是自己沒有盡力，就沒有資格批評別人不用心。開口抱怨很容易，但是閉嘴努力的人更加值得尊敬。

15、如果沒有人為你遮風擋雨，那就學會自己披荊斬棘，面對一切，用倔強的驕傲，活出無人能及的精彩。5、人生每天都要笑，生活的下一秒發(fā)生什么，我們誰也不知道。所以，放下心里的糾結，放下腦中的煩惱，放下生活的不愉快，活在當下。人生喜怒哀樂，百般形態(tài)，不如在心里全部淡然處之，輕輕一笑，讓心更自在，生命更恒久。積極者相信只有推動自己才能推動世界，只要推動自己就能推動世界。

6、人性本善，純如清溪流水凝露瑩爍。欲望與情緒如風沙襲擾，把原本如天空曠蔚藍的心蒙蔽