农业气象学之农业气象模式简介课件.ppt

第六章,农业气象模式简介,本章重点：农业气象模式的概念 农业气象模式的分类 农业气象模式的建立方法本章难点：农业气象模式的建立方法,本章重点与难点,一、农业气象模式的概念,1、模式或模型的概念 是理论的一种简化形式。即对现实事件的内在机制和事件之间关系的直观、简洁的描述；能够向人们表明事物结构或过程的主要组成部分及其相互关系。广义的模式包括文字叙述、图象描述、数学公式等；狭义的模式指词语同图象的结合。,模型是把对象实体通过适当的过滤,用适当的表现规则描绘出的简洁的模仿品。通过这个模仿品,人们可以了解到所研究实体的本质,而且在形式上便于人们对实体进行分析和处理。模型是人们十分熟悉的东西，例如：玩具、照片及房展会里的楼盘模型、房屋模型等实物模型；地图、电路图、分子结构图等经过一定抽象的符号模型；还有舰艇模型、飞机模型等物理模型。,2、农业气象模式 农业气象模式是表示农业生产对象或过程与气象条件关系的数学表达式或文字逻辑图式，是农业气象系统的高度抽象和简化。农业气象模拟就是把农业气象系统中的各种问题模型化。,门司 佐伯公式:,I=I0 exp（-kF）式中，I0为冠层（群体顶部）的光强；I为各层的光强；k为群体叶层光强衰减系数或群体消光系数；F为各层次以上部分的叶面积之和。,致 受 最 最 最 受 致 死 害 低 适 高 害 死 低 低 温 温 温 高 高 温 温 度 度 度 温 温 温度 三基点 五基点 七基点温度作物三、五或七基点温度范围示意图,活动温度与下限温度之差（Ti B）称为有效温度。作物在某时段内有效温度的总和称为有效积温（Ae），用下式表示：,有效积温,（TiB；当TiB时，Ti-B=0。）,温度与作物发育速度的非线性模式：,式中，1/n为发育速度，T为日平均气温，M、B为作物发育速度等于零时的上、下限温度，K、P和Q为大于零的经验参数。,固态、液态、气态水分子模型：,农田土壤水分平衡方程：Wh+（R+Sg+K）-（Es+Ep+q1+q2）=Wk式中，R为某时期内的降水量，Sg为毛管水上升量，K为该时期内的灌溉量，Es为土壤蒸发量，Ep为植物蒸腾量，q1为地表径流量，q2为地下径流量，Wh、Wk分别为该时期开始和终止时的土壤水分贮存量。Es+Ep称为植物的蒸腾量。实际应用时，有些项可根据当地当时的具体情况略去。,碳循环简图,小麦叶龄积温模式 X=a+bT 式中，X为叶龄，T为大于0的积温，a、b为待定系数。,水稻叶龄积温模式 N=a+b Ln（T）式中，N为水稻叶片数，T为播种到该叶片出现时大于10的积温，a、b为待定系数。,式中，Y为包括主茎在内的单株茎数，T为冬前积温，其它为有关的常数和系数。,小麦分蘖积温模式,水稻分蘖积温模式,式中，YX为积温X时单位面积上水稻的总茎数，X为水稻移栽后10以上的有效积温，其它为有关的常数和系数。,干物质增长积温模式,式中，W为干物重，T为积温，其它为有关的常数和系数。,二、农业气象模式分类,1、按表达形式分类（1）文字（图解）模式 事实上，文字模式是农业气象模式建立的准备工作。单纯文字模式有困难，特别是在定义一些复杂的关系或表达一些复杂的过程时有困难。（2）数学模式,2、按描述的内容分类 气象要素时空分布模式 作物生长发育模式 产量形成模式 光合作用模式 呼吸作用模式 同化物输送分配模式,3、按描述的对象和尺度分类 内容比较单一的子模式 内容比较复杂的模式系统 作物天气模式 土壤植物大气模式 土壤植物大气模式实质上是一个把描述各种关系、尺度不同的大大小小子模式有机组合而成的农业气象模式系统。,4、按考虑时间因子的状态分类 可分为静态模式和动态模式。静态模式 式中，y为作为时间t函数的产量；为生育期或所选时段的平均农业气象条件的特征值。,动态模式式中，xi(t)为作为时间函数研究的农业气象条件的特征值。,上述两式的差异主要表现在：第一式中时间因子间接考虑，且平均值平滑掉了许多有用的信息；第二式则反映出了不同情况下的不同变化，即考虑了当时作物的基础和当时（前期）条件以及农业气象条件的时间变化对作物的影响，物理意义和生物学意义明显。因此，农业气象条件的动态模拟是当前农业气象模式研究中的主要方向。,5、按考虑物理和生理机制的程度分类 经验统计模式 应用统计学方法建立的回归模式。理论统计模式 实质上是统计模式。是在回归统计模式中更充分地考虑到影响作物生长发育和产量形成的物理和生理机理，属半理论、半经验模式。,理论模式 主要是依据物理学和生物学规律，模拟作物最重要的生命过程比如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用和营养物质输送、分配等，由此而确定作物生产系统的生产力水平。概括地说，就是模拟作物群体的能量和物质转化过程。,总辐射,光截获,LAI,潜在总光合产物,实际总光合产物,干物质,茎,叶,贮存器官,根,生长呼吸,维持呼吸,Ta/Tm,降水,根区土壤含水量,渗透,蒸发,排水,毛细管上升,实际蒸腾,最大蒸腾,土壤水分平衡子模型,温度,作物生长模拟模型框架,灌溉,三、如何建立农业气象模式？,1、建立模式的步骤 明确建立模式的目的和要解决的问题；收集和整理有关资料和数据；形成概念模式；以设想的函数为基础，建立具体的模式；形成一个合乎逻辑的算法；核对算法；编程；,用系统资料估算必要的参数；调试程序；检验模式对各种参数和因素的敏感性；设计并进行模式试验，检查其结果；分析实验数据，验证模式；用模式解决实际问题。,2、模型的应用,输入天气数据土壤数据作物数据管理措施,运行农业气象模型,输出生育期器官干重叶面积产量与品质,实 例一个简单的的农业气象模式介绍,大同市近40年谷子产量与气象条件的关系分析,资料与方法谷子产量与气象条件的关系分析谷子产量预报模式的建立与检验,1 资料与方法,一、资料 谷子产量数据来源于山西省统计局19612000 年历年统计单产。谷子生育期的旬、月平均气温，旬、月降雨量和旬、月日照时数等气象资料来自山西省气象局。二、方法(一)产量的分解 影响谷子产量形成的主要因素可分为自然因素和社会因素两大类。按这两大类因素的影响，将谷子产量分为趋势产量、气象产量和随机产量3部分。,其中，趋势产量是由农业生产技术等非自然因素影响的那部分产量，通常表现为随时间的后延，产量不断提高；气象产量指由于天气气候的变化而影响的那部分产量，可正可负，具有脉动的特点；随机产量指由地震、社会变革等随机因子影响的那部分产量，基本无规律可循，故不计入方程中。因此，谷子的产量构成可表示为：Y=Yt+Yw(1)式中，Y为实际产量，Yt 为趋势产量，Yw 为气象产量。,(二)趋势产量的分离 为了客观估算气象因子对产量的影响，首先要从产量序列中分离出气象产量序列，去掉产量序列中的趋势项，即对产量序列进行趋势处理，通常把年序这类时间参数作为自变量，而以这种或那种函数关系去逼近模拟趋势产量。利用大同市19612000年谷子单产资料，以谷子单产(公斤/亩)为因变量，以年代为自变量，采用线性模拟，得出趋势产量方程，经F 检验，置信度达0.01 的显著水平。Yt=65.846+1.4413X(2)上式中，X为年序号，如：1960年，X=0；1961年，X=1；1962年，X=2；，2000年，X=40。,图1 大同市历年谷子实际单产和时间趋势产量,（三）气象产量的计算与分析 获得各年的趋势产量后，则相应的任意一年气象产量为:Yw=Y-Yt(3)根据（3）式，气象产量计算结果见如表1。表1 大同市1961-2000年谷子气象产量,一、谷子气象产量与生育期各气象因子的相关分析 谷子气象产量受多种气象因素的影响，这里主要考虑以下三个气象要素：温度-T，降水-R，光照-S。将大同市谷子全生育期（5月上旬9下旬）按旬分为15个时段，分别求出气象产量与全生育期、旬、月气象因子的相关系数。,2 谷子产量与气象条件关系分析,表2 谷子全生育期各气象要素总值及其与气象产量的相关系数,注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，带*表示通过0.05显著水平检验,表3 谷子生育期内各旬平均气温、降水量、日照时数与气象产量的相关系数,注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，r0.01=0.3932，带*表示通过0.05显著水平检验,表4 谷子生育期内各月平均气温、降水量、日照时数与气象产量的相关系数,注：df=38，r0.1=0.2573，r0.05=0.3044，r0.01=0.3932，带*表示通过0.05显著水平检验带*表示通过0.01显著水平检验,二、气温对谷子产量的影响 从谷子气象产量与气温的相关系数来看(表3和表4)，8月下旬平均气温、8月平均气温与谷子气象产量相关最为密切，均达0.05显著水平，是温度因子影响谷子产量的最关键时期。8月下旬平均气温与谷子气象产量呈显著负相关，回归方程为：Yw1=129.81-6.90T1(6)F=5.64F0.05=4.08，通过信度0.05效果检验。从方程中可以看出，这一时段平均气温每增加1，谷子产量减少6.9公斤/亩。说明这一时段大同市的平均气温对谷子产量影响较大。,8月下旬正值谷子灌浆前期，茎叶制造的营养物质要向籽粒输送，保证灌浆，仍然需要充足的水分，而气温偏高，蒸发、蒸腾加大，导致农田水分亏缺加剧，粒重下降，严重影响最终产量。这一点也可以从该时段的降水量与谷子产量呈正相关，而日照时数与谷子产量呈负相关中得到证实。8月平均气温与谷子气象产量呈显著负相关，回归方程为：Yw2=198.66-9.88T2(7)F=4.09F0.05=4.08，通过信度0.05效果检验。从方程中可以看出，这一时段平均气温每增加1，谷子产量减少9.88公斤/亩。,8月正值谷子抽穗-开花期，一方面谷子开花对温度和湿度比较敏感，温度过高和湿度过低都不利于花粉的发育；另一方面该时段的需水量仅次于拔节-抽穗期，而温度偏高，水分蒸发加快，若遇到“卡脖旱”，就会严重影响最终产量。此外，7月平均气温和9月上旬平均气温是温度因子影响谷子产量的次关键时期，对谷子产量也有一定影响。,三、降水量对谷子产量的影响 从谷子气象产量与降水量的相关系数来看(表3和表4)，6月下旬降水量、7 月上旬降水量、9月降水量与谷子气象产量相关最为密切，均达0.05显著水平，是降水因子影响谷子产量的关键时期。6月下旬降水量与谷子气象产量呈显著正相关，回归方程为：Yw5=-14.56+0.68R1(10)F=5.59 F0.05=4.08，通过信度0.05效果检验。从方程中可以看出，这一时段降水量每增加1 mm，谷子产量增加0.68公斤/亩。说明这一时段大同市的降水量不能满足谷子生长的需求。此时正值谷子拔节期，是茎叶迅速分化的发育时期，需水量大，若此时降水增加，将有利于谷子增产。,7月上旬降水量与谷子气象产量呈显著正相关，回归方程为：Yw6=-15.44+0.41R2(11)从方程中可以看出，这一时段降水量每增加1mm，谷子产量增加0.41公斤/亩。说明这一时段大同市的降水量不能满足谷子生长的需求。此时正值谷子拔节-抽穗期，是谷子需水最多时期，降水量增多会有利于谷子生殖生长。9月降水量与谷子气象产量呈显著负相关，回归方程为 Yw7=18.17-0.39R3(12)从方程中可以看出，这一时段降水量每增加1mm，谷子产量减少0.39公斤/亩。此时正值谷子灌浆期，谷子的需水量较少，喜晒怕涝，若此时遇到多雨特别是连阴雨天气，常会造成贪青晚熟，或因光照不足形成大量秕谷,从而导致谷子减产。,四、日照时数对谷子产量的影响 从谷子气象产量与日照时数的相关系数来看(表4和表5)，9月日照时数与谷子气象产量相关最为密切，达0.01极显著水平，是光照因子影响谷子产量的最关键时期。9月日照时数与谷子气象产量呈极显著正相关，回归方程为 Yw8=-114.900.50S1(13)F=8.20 F0.01=7.31，通过信度0.01效果检验。从方程中可以看出，这一时段日照时数每增加1h，谷子产量增加0.5公斤/亩。此时正值谷子灌浆成熟期，日照时数长有利于干物质的形成，促使籽粒饱满丰硕。此外，6月下旬日照时数和与9月中旬日照时数是光照因子影响谷子产量的次关键时期，对谷子产量也有影响。,3 谷子产量预报模式的建立与检验 将大同市谷子气象产量与各气象因子的相关系数达0.05以上显著水平的6个关键气象因子作为预报因子，建立气象产量多元线性回归方程。该方程为：Yw=-29.608+0.281R1+0.284R2-7.847T1+3.65T2-0.087R3+0.396S(16)式中，Yw为气象产量估计值；R1为6月下旬降水量；R2为7月上旬降水量；T1为8月下旬平均气温；T2为8月平均气温；R3为9月降水量；S为9月日照时数。对该方程进行回归检验F=3.58 F0.01=3.47，置信度达0.01的显著水平。,把(2)式和(16)式代入(1)式，得到由时间趋势产量和气象产量组成的产量预报模式为：Y=(65.846+1.4413X)+(-29.608+0.281R1+0.284R2-7.847T1+3.65T2-0.087R3+0.396S)(17)利用(17)式计算每年谷子理论产量，并与实际产量进行比较，发现除了1975、1984、1985、1990这四年丰产年和1962、1972、1999这三年减产年出现较大误差之外，其余的年份差异不显著；理论产量与实际产量的相关系数r=0.7416*，达极显著水平，表明用此模式拟合的谷子理论产量与实际产量有较好的吻合程度（如图2所示）。,图2 用产量预报模式预报谷子理论产量与实际产量的比较,5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。10、山有封顶，还有彼岸，慢慢长途，终有回转，余味苦涩，终有回甘。11、人生就像是一个马尔可夫链，你的未来取决于你当下正在做的事，而无关于过去做完的事。12、女人，要么有美貌，要么有智慧，如果两者你都不占绝对优势，那你就选择善良。13、时间，抓住了就是黄金，虚度了就是流水。理想，努力了才叫梦想，放弃了那只是妄想。努力，虽然未必会收获，但放弃，就一定一无所获。14、一个人的知识，通过学习可以得到;一个人的成长，就必须通过磨练。若是自己没有尽力，就没有资格批评别人不用心。开口抱怨很容易，但是闭嘴努力的人更加值得尊敬。15、如果没有人为你遮风挡雨，那就学会自己披荆斩棘，面对一切，用倔强的骄傲，活出无人能及的精彩。5、人生每天都要笑，生活的下一秒发生什么，我们谁也不知道。所以，放下心里的纠结，放下脑中的烦恼，放下生活的不愉快，活在当下。人生喜怒哀乐，百般形态，不如在心里全部淡然处之，轻轻一笑，让心更自在，生命更恒久。积极者相信只有推动自己才能推动世界，只要推动自己就能推动世界。6、人性本善，纯如清溪流水凝露莹烁。欲望与情绪如风沙袭扰，把原本如天空旷蔚蓝的心蒙蔽。但我知道，每个人的心灵深处，不管乌云密布还是阴淤苍茫，但依然有一道彩虹，亮丽于心中某处。7、每个人的心里，都藏着一个了不起的自己，只要你不颓废，不消极，一直悄悄酝酿着乐观，培养着豁达，坚持着善良，只要在路上，就没有到达不了的远方！8、不要活在别人眼中，更不要活在别人嘴中。世界不会因为你的抱怨不满而为你改变，你能做到的只有改变你自己！9、欲戴王冠，必承其重。哪有什么好命天赐，不都是一路披荆斩棘才换来的。10、放手如拔牙。牙被拔掉的那一刻，你会觉得解脱。但舌头总会不由自主地往那个空空的牙洞里舔，一天数次。不痛了不代表你能完全无视，留下的那个空缺永远都在，偶尔甚至会异常挂念。适应是需要时间的，但牙总是要拔，因为太痛，所以终归还是要放手，随它去。11、这个世界其实很公平，你想要比别人强，你就必须去做别人不想做的事，你想要过更好的生活，你就必须去承受更多的困难，承受别人不能承受的压力。12、逆境给人宝贵的磨炼机会。只有经得起环境考验的人，才能算是真正的强者。自古以来的伟人，大多是抱着不屈不挠的精神，从逆境中挣扎奋斗过来的。13、不同的人生，有不同的幸福。去发现你所拥有幸运，少抱怨上苍的不公，把握属于自己的幸福。你，我，我们大家都可以经历幸福的人生。14、给自己一份坚强，擦干眼泪；给自己一份自信，不卑不亢；给自己一份洒脱，悠然前行。轻轻品，静静藏。为了看阳光，我来到这世上；为了与阳光同行，我笑对忧伤。15、总不能流血就喊痛，怕黑就开灯，想念就联系，疲惫就放空，被孤立就讨好，脆弱就想家，不要被现在而蒙蔽双眼，终究是要长大，最漆黑的那段路终要自己走完。5、从来不跌倒不算光彩，每次跌倒后能再站起来，才是最大的荣耀。6、这个世界到处充满着不公平，我们能做的不仅仅是接受，还要试着做一些反抗。7、一个最困苦、最卑贱、最为命运所屈辱的人，只要还抱有希望，便无所怨惧。8、有些人，因为陪你走的时间长了，你便淡然了，其实是他们给你撑起了生命的天空；有些人，分开了，就忘了吧，残缺是一种大美。9、照自己的意思去理解自己，不要小看自己，被别人的意见引入歧途。10、没人能让我输，除非我不想赢！11、花开不是为了花落，而是为了开的更加灿烂。12、随随便便浪费的时间，再也不能赢回来。13、不管从什么时候开始，重要的是开始以后不要停止；不管在什么时候结束，重要的是结束以后不要后悔。14、当你决定坚持一件事情，全世界都会为你让路。15、只有在开水里，茶叶才能展开生命浓郁的香气。,