農(nóng)業(yè)氣象學(xué)第六章

第六章農(nóng)業(yè)氣象模式簡介本章重點：

●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：

●農(nóng)業(yè)氣象模式的建立方法本章重點與難點一、農(nóng)業(yè)氣象模式的概念1、模式或模型的概念

●是理論的一種簡化形式。即對現(xiàn)實事件的內(nèi)在機制和事件之間關(guān)系的直觀、簡潔的描述；能夠向人們表明事物結(jié)構(gòu)或過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；狹義的模式指詞語同圖象的結(jié)合。

●模型是把對象實體通過適當(dāng)?shù)倪^濾,用適當(dāng)?shù)谋憩F(xiàn)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(zhì),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(jié)構(gòu)圖等經(jīng)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。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)對象或過程與氣象條件關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式或文字邏輯圖式，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。

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(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

溫度三基點五基點七基點溫度作物三、五或七基點溫度范圍示意圖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(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，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)育速度等于零時的上、下限溫度，K、P和Q為大于零的經(jīng)驗參數(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為某時期內(nèi)的降水量，Sg為毛管水上升量，K為該時期內(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(yīng)用時，有些項可根據(jù)當(dāng)?shù)禺?dāng)時的具體情況略去。

大氣圈CO2生物圈CO2固定

土壤呼吸

溶解吸收

有機質(zhì)分解

交換釋放

風(fēng)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(fēng)化土壤圈水圈巖石圈碳循環(huán)簡圖

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(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)系或表達一些復(fù)雜的過程時有困難。（2）數(shù)學(xué)模式2、按描述的內(nèi)容分類

●氣象要素時空分布模式

●作物生長發(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——大氣模式實質(zhì)上是一個把描述各種關(guān)系、尺度不同的大大小小子模式有機組合而成的農(nóng)業(yè)氣象模式系統(tǒng)。4、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(dāng)時作物的基礎(chǔ)和當(dāng)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(xué)意義明顯。

因此，農(nóng)業(yè)氣象條件的動態(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制的程度分類●

經(jīng)驗統(tǒng)計模式

應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)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(xué)和生物學(xué)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?？傒椛涔饨孬@LAI潛在總光合產(chǎn)物實際總光合產(chǎn)物干物質(zhì)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(xì)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、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)實例

一個簡單的的農(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)報模式的建立與檢驗§1資料與方法

一、資料

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

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)量分為趨勢產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量和隨機產(chǎn)量3部分。

其中，趨勢產(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)，具有脈動的特點；隨機產(chǎn)量指由地震、社會變革等隨機因子影響的那部分產(chǎn)量，基本無規(guī)律可循，故不計入方程中。因此，谷子的產(chǎn)量構(gòu)成可表示為：

Y=Yt+Yw

(1)

式中，Y為實際產(chǎn)量，Yt

為趨勢產(chǎn)量，Yw

為氣象產(chǎn)量。

(二)

趨勢產(chǎn)量的分離為了客觀估算氣象因子對產(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)量序列中的趨勢項，即對產(chǎn)量序列進行趨勢處理，通常把年序這類時間參數(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，得出趨勢產(chǎn)量方程，經(jīng)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。

圖1大同市歷年谷子實際單產(chǎn)和時間趨勢產(chǎn)量

（三）氣象產(chǎn)量的計算與分析

獲得各年的趨勢產(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(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