農(nóng)業(yè)氣象學(xué)第六章

第六章農(nóng)業(yè)氣象模式簡(jiǎn)介本章重點(diǎn)：

●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(diǎn)：

●農(nóng)業(yè)氣象模式的建立方法本章重點(diǎn)與難點(diǎn)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(jiǎn)化形式。即對(duì)現(xiàn)實(shí)事件的內(nèi)在機(jī)制和事件之間關(guān)系的直觀、簡(jiǎn)潔的描述；能夠向人們表明事物結(jié)構(gòu)或過(guò)程的主要組成部分及其相互關(guān)系。

●廣義的模式包括文字?jǐn)⑹?、圖象描述、數(shù)學(xué)公式等；狹義的模式指詞語(yǔ)同圖象的結(jié)合。

●模型是把對(duì)象實(shí)體通過(guò)適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾,用適當(dāng)?shù)谋憩F(xiàn)規(guī)則描繪出的簡(jiǎn)潔的模仿品。通過(guò)這個(gè)模仿品,人們可以了解到所研究實(shí)體的本質(zhì),而且在形式上便于人們對(duì)實(shí)體進(jìn)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(huì)里的樓盤模型、房屋模型等實(shí)物模型；地圖、電路圖、分子結(jié)構(gòu)圖等經(jīng)過(guò)一定抽象的符號(hào)模型；還有艦艇模型、飛機(jī)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(duì)象或過(guò)程與氣象條件關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)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(jiǎn)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(wèn)題模型化。

門司—佐伯公式:

I=I0exp（-kF）式中，I0為冠層（群體頂部）的光強(qiáng)；I為各層的光強(qiáng)；k為群體葉層光強(qiáng)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度度溫溫

溫度三基點(diǎn)五基點(diǎn)七基點(diǎn)溫度作物三、五或七基點(diǎn)溫度范圍示意圖活動(dòng)溫度與下限溫度之差（Ti–B）稱為有效溫度。作物在某時(shí)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（Ti＞B；當(dāng)Ti≤B時(shí)，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(shí)的上、下限溫度，K、P和Q為大于零的經(jīng)驗(yàn)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(shí)期內(nèi)的降水量，Sg為毛管水上升量，K為該時(shí)期內(nèi)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(shí)期開始和終止時(shí)的土壤水分貯存量。Es+Ep稱為植物的蒸騰量。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，有些項(xiàng)可根據(jù)當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的具體情況略去。

大氣圈CO2生物圈CO2固定

土壤呼吸

溶解吸收

有機(jī)質(zhì)分解

交換釋放

風(fēng)化溶蝕

固定沉積

生物殘?bào)w歸還

生物有機(jī)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(fēng)化土壤圈水圈巖石圈碳循環(huán)簡(jiǎn)圖

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(shù)。

水稻葉齡積溫模式

N=a+bLn（ΣT）式中，N為水稻葉片數(shù)，ΣT為播種到該葉片出現(xiàn)時(shí)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)，ΣT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(shí)單位面積上水稻的總莖數(shù)，X為水稻移栽后10℃以上的有效積溫，其它為有關(guān)的常數(shù)和系數(shù)。干物質(zhì)增長(zhǎng)積溫模式

式中，W為干物重，ΣT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(dá)形式分類（1）文字（圖解）模式

事實(shí)上，文字模式是農(nóng)業(yè)氣象模式建立的準(zhǔn)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(dá)一些復(fù)雜的過(guò)程時(shí)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(shí)空分布模式

●作物生長(zhǎng)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(duì)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(shí)質(zhì)上是一個(gè)把描述各種關(guān)系、尺度不同的大大小小子模式有機(jī)組合而成的農(nóng)業(yè)氣象模式系統(tǒng)。4、按考慮時(shí)間因子的狀態(tài)分類

可分為靜態(tài)模式和動(dòng)態(tài)模式。

●靜態(tài)模式

式中，y為作為時(shí)間t函數(shù)的產(chǎn)量；為生育期或所選時(shí)段的平均農(nóng)業(yè)氣象條件的特征值。

●動(dòng)態(tài)模式式中，xi(t)為作為時(shí)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(shí)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(dāng)時(shí)作物的基礎(chǔ)和當(dāng)時(shí)（前期）條件以及農(nóng)業(yè)氣象條件的時(shí)間變化對(duì)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(dòng)態(tài)模擬是當(dāng)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(jī)制的程度分類●

經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模式

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立的回歸模式。

●

理論統(tǒng)計(jì)模式

實(shí)質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)模式。是在回歸統(tǒng)計(jì)模式中更充分地考慮到影響作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的物理和生理機(jī)理，屬半理論、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

●

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(guò)程比如光合作用、呼吸作用、蒸騰作用和營(yíng)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(shuō)，就是模擬作物群體的能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程?？傒椛涔饨孬@LAI潛在總光合產(chǎn)物實(shí)際總光合產(chǎn)物干物質(zhì)莖葉貯存器官根生長(zhǎng)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(xì)管上升實(shí)際蒸騰最大蒸騰土壤水分平衡子模型溫度作物生長(zhǎng)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(wèn)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(gè)合乎邏輯的算法；

●核對(duì)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(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)各種參數(shù)和因素的敏感性；●設(shè)計(jì)并進(jìn)行模式試驗(yàn)，檢查其結(jié)果；●分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模式；●用模式解決實(shí)際問(wèn)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(yùn)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(shí)例

一個(gè)簡(jiǎn)單的的農(nóng)業(yè)氣象模式介紹大同市近40年谷子產(chǎn)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(bào)模式的建立與檢驗(yàn)§1資料與方法

一、資料

谷子產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于山西省統(tǒng)計(jì)局1961～2000年歷年統(tǒng)計(jì)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(shí)數(shù)等氣象資料來(lái)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(huì)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(shì)產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量和隨機(jī)產(chǎn)量3部分。

其中，趨勢(shì)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(shí)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(fù)，具有脈動(dòng)的特點(diǎn)；隨機(jī)產(chǎn)量指由地震、社會(huì)變革等隨機(jī)因子影響的那部分產(chǎn)量，基本無(wú)規(guī)律可循，故不計(jì)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(shí)際產(chǎn)量，Yt

為趨勢(shì)產(chǎn)量，Yw

為氣象產(chǎn)量。

(二)

趨勢(shì)產(chǎn)量的分離為了客觀估算氣象因子對(duì)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(shì)項(xiàng)，即對(duì)產(chǎn)量序列進(jìn)行趨勢(shì)處理，通常把年序這類時(shí)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(shì)產(chǎn)量。

利用大同市1961～2000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(shì)產(chǎn)量方程，經(jīng)F檢驗(yàn)，置信度達(dá)0.01的顯著水平。

Yt=65.846+1.4413X(2)上式中，X為年序號(hào)，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(shí)際單產(chǎn)和時(shí)間趨勢(shì)產(chǎn)量

（三）氣象產(chǎn)量的計(jì)算與分析

獲得各年的趨勢(shì)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(jì)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(gè)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(gè)時(shí)段，分別求出氣象產(chǎn)量與全生育期、旬、月氣象因子的相關(guān)系數(shù)?！?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