作物生長(zhǎng)模擬模型在農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)中的應(yīng)用研究

孫雪

（遼寧省本溪市氣象局，本溪117000）

目前我國的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)在科學(xué)技術(shù)方面不斷提升，一些科學(xué)技術(shù)成果逐漸被應(yīng)用到農(nóng)作物生長(zhǎng)氣象條件的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)中。運(yùn)用有關(guān)的農(nóng)業(yè)氣象模型來評(píng)價(jià)農(nóng)作物的氣候年景，同時(shí)還要對(duì)作物的敏感性及對(duì)氣候的脆弱性加以注意，從而選擇出作物生長(zhǎng)期有效的數(shù)據(jù)和材料，綜合的運(yùn)用聚類的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，糧食安全始終是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定進(jìn)步所面臨的一個(gè)重要問題。極端氣象天氣的發(fā)生對(duì)我國可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)造成了比較嚴(yán)重的破壞。因此，政府和人民非常迫切的需要專業(yè)人員對(duì)氣象條件和災(zāi)害損失做出合理的評(píng)估。

1 應(yīng)用全新的農(nóng)作物模擬模型需要解決的幾點(diǎn)技術(shù)問題

1.1 國外作物生長(zhǎng)模擬模型引進(jìn)之后的國內(nèi)內(nèi)化問題

目前，在國際上大致可以將其分為荷蘭Wageningen大學(xué)系列模型、美國CERES系列模型、澳大利亞APSIM模型以及俄羅斯作物生長(zhǎng)模型等幾個(gè)類型。我國的模型是從國外引進(jìn)的，不管引進(jìn)的哪個(gè)國家的模擬模型，都需要首先考慮到模型本地化的問題。在使用這些模型過程中，首先應(yīng)該使用本地的農(nóng)業(yè)氣象材料對(duì)模型中的相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行調(diào)試和校對(duì)，然后在使用本地區(qū)的其他數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，從而切實(shí)保證能夠得到正確的校對(duì)結(jié)果?，F(xiàn)階段，對(duì)國外引進(jìn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試的方法多數(shù)都是采用少數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到設(shè)備參數(shù)大致的取值范圍，然后利用模型或者氣象服務(wù)部門設(shè)計(jì)好的優(yōu)化程序，在一定范圍內(nèi)不斷進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)數(shù)值在給定的誤差范圍之內(nèi)，得到最終參數(shù)就是比較合理的。但是，從實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)出發(fā)，只是做到了這一步還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，對(duì)于真正的農(nóng)作物模擬模型來說，因?yàn)椴煌霓r(nóng)作物在生長(zhǎng)過程中，其遺傳物質(zhì)和不同地區(qū)的生長(zhǎng)環(huán)境是不一樣的，當(dāng)將國外的模擬模型直接應(yīng)用到我國是各個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中就會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，更何況有些參數(shù)在調(diào)試過程中只是數(shù)字方面的意義，對(duì)農(nóng)作物的作用較少。在檢測(cè)過程中如果只是限于一個(gè)地區(qū)的單純的數(shù)值調(diào)試的話，就可能會(huì)導(dǎo)致部分的變量模擬效果較好，但是生物學(xué)意識(shí)或者科學(xué)意義存在不足的情況。因此，需要我們對(duì)各種作物模型的結(jié)構(gòu)內(nèi)容進(jìn)行全面的掌握和了解，利用完善的農(nóng)作物試驗(yàn)田對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的觀測(cè)，進(jìn)而對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的校準(zhǔn)，對(duì)一些過程或者模型中模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

1.2 作物生長(zhǎng)模擬模型的應(yīng)用技術(shù)問題

首先，基于單點(diǎn)參數(shù)和模型模擬結(jié)果的作物模型區(qū)域的應(yīng)用。除實(shí)驗(yàn)室外，其余測(cè)定的各種生理參數(shù)不會(huì)隨著地點(diǎn)和品種發(fā)生改變，在很多作物生長(zhǎng)模擬模型中，一些從參數(shù)會(huì)隨著作物的生長(zhǎng)和發(fā)育而不斷地進(jìn)行改變，因此，在觀測(cè)過程中要依據(jù)具體的情況來進(jìn)行合理的確定。特別注意的是在固定好的區(qū)域內(nèi)，有很多代表性的作物，以這些為站點(diǎn)，在獲得單點(diǎn)參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)作物生長(zhǎng)模型進(jìn)行運(yùn)作，得出相應(yīng)的站點(diǎn)的結(jié)果，再運(yùn)用地理信息系統(tǒng)對(duì)離散站點(diǎn)的模擬結(jié)果進(jìn)行模擬，最終得到空間格點(diǎn)的分布情況。并合理的對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)整過程中，針對(duì)農(nóng)作物實(shí)際產(chǎn)量序列的發(fā)展趨勢(shì)，用時(shí)間趨勢(shì)對(duì)其進(jìn)行處理最終得到氣象產(chǎn)量，然后將其與最近5年的平均產(chǎn)量進(jìn)行加和，最終對(duì)實(shí)際產(chǎn)量進(jìn)行修訂和校正。從模擬的結(jié)果分析，訂正之后的地區(qū)性參數(shù)能夠很好地反映出地區(qū)尺度上的農(nóng)作物品種性質(zhì)，并能夠很好地對(duì)模擬區(qū)域的產(chǎn)量和變化趨勢(shì)進(jìn)行確定；其次，基于氣象要素空間插值和作物參數(shù)分區(qū)的作物模型區(qū)域的應(yīng)用。在農(nóng)作物模型分析一個(gè)具有較大空間的作物生長(zhǎng)情況時(shí)，分析者往往都想得到詳細(xì)的農(nóng)作物空間分布差異，而如果采用單點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)的話，其適應(yīng)性就不那么的明顯。例如，在對(duì)東北地區(qū)的玉米和水稻凍害預(yù)測(cè)研究過程中，在考慮到作物模型中驅(qū)動(dòng)變量氣象因子的空間屬性的基礎(chǔ)上，再借助插值方法，將臺(tái)站逐日氣象要素值插值為具有較高分辨率的格點(diǎn)輸入值，這樣就可以得到空間模擬結(jié)果，這種方法適合在較大區(qū)域范圍進(jìn)行觀測(cè)使用。

2 農(nóng)作物生長(zhǎng)模擬模型在我國農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)中研究和應(yīng)用

2.1 作物生長(zhǎng)模擬模型在農(nóng)業(yè)氣象條件影響評(píng)價(jià)方面的研究和應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，當(dāng)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)水平、農(nóng)業(yè)投入以及土壤肥沃程度不改變的前提下，影響作物產(chǎn)量和生長(zhǎng)發(fā)育最為直接的因素就是氣象條件。因此，只有很好的運(yùn)用氣象模型來對(duì)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)，才可以有效地應(yīng)用到作物生長(zhǎng)模擬模型這個(gè)領(lǐng)域。我國氣象部門最近幾年，通過大量的嘗試探索，研究出了基于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的平均氣溫狀態(tài)下的平均模擬生物量的確定方法，并對(duì)這種實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)制定了相應(yīng)的方法，在觀測(cè)過程中采用先模擬后平均的方法，以模型中作物發(fā)育階段作為比較評(píng)價(jià)的指標(biāo)，從而切實(shí)保證了從時(shí)間方面的可比性。然后在這個(gè)環(huán)節(jié)上，利用作物生長(zhǎng)模擬模型和實(shí)時(shí)的逐日氣象資料，通過對(duì)作物模擬的蓄積量和同期作物歷史發(fā)育程度模擬數(shù)值進(jìn)行有效的對(duì)比，來確定當(dāng)前氣象條件對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響。在評(píng)價(jià)過程中，考慮到我國北方地區(qū)農(nóng)業(yè)在發(fā)展過程中可能會(huì)出現(xiàn)干旱的天氣，因此，在對(duì)華北地區(qū)例如對(duì)冬小麥模型進(jìn)行評(píng)價(jià)過程中，可以根據(jù)評(píng)價(jià)的需要按照上中下3旬時(shí)間段，給出華北地區(qū)農(nóng)作物干旱的評(píng)價(jià)指標(biāo)。而對(duì)于嚴(yán)寒的東三省地區(qū)像玉米、水稻的生長(zhǎng)模型中，在東北地區(qū)出現(xiàn)水分脅迫時(shí)，同樣可以按照上中下3旬時(shí)間段給出水分脅迫對(duì)農(nóng)作生長(zhǎng)量的產(chǎn)生的影響。

2.2 作物生長(zhǎng)模型在農(nóng)作物產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方面的研究和應(yīng)用

對(duì)于作物產(chǎn)量的預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法主要對(duì)農(nóng)作物的最終產(chǎn)量與生長(zhǎng)發(fā)育期間的氣象條件的統(tǒng)計(jì)來評(píng)估其關(guān)系，沒有考慮到作物自身生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。作物的產(chǎn)量主要是通過農(nóng)作物在生長(zhǎng)過程中通過營養(yǎng)物質(zhì)的積累而形成的。農(nóng)作物的產(chǎn)量與前期生物量存在著正比例的關(guān)系，這時(shí)的氣象條件對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量和農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的持續(xù)性影響。因此，在對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行研究過程中，可以考慮從動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)角度出發(fā)，根據(jù)模型中，模擬到的農(nóng)作物其中后期各種營養(yǎng)物質(zhì)積累的數(shù)量進(jìn)行最終的預(yù)測(cè)，而最簡(jiǎn)單和最直接的方法就是根據(jù)實(shí)時(shí)的氣象材料和后期天氣的平均值組成農(nóng)作物整個(gè)生育期完整氣象數(shù)據(jù)信息，然后再運(yùn)行這個(gè)作物模型，在不同的時(shí)間段動(dòng)態(tài)對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)。在預(yù)測(cè)過程中還有一種方法就是利用作物生長(zhǎng)模型和前期的實(shí)時(shí)條件對(duì)作物的產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，也就是確定作物生長(zhǎng)中后期營養(yǎng)物質(zhì)積累和最終產(chǎn)量之間的相互關(guān)系，并建立動(dòng)態(tài)性的統(tǒng)計(jì)型作物產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，當(dāng)農(nóng)作物生長(zhǎng)到中后期之后，利用這個(gè)動(dòng)態(tài)模型中前期模型積累的營養(yǎng)物質(zhì)動(dòng)態(tài)對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量進(jìn)行氣象預(yù)測(cè)。為了與農(nóng)作物生長(zhǎng)模型模擬的生物量的含義有效地進(jìn)行匹配，模型建立過程中所使用的產(chǎn)量為歷史產(chǎn)量除去趨勢(shì)產(chǎn)量之后所剩下的余波部分，這部分就是氣象產(chǎn)量。

3 作物生長(zhǎng)模擬模型在我國氣象業(yè)務(wù)中的應(yīng)用思考

3.1 積極改進(jìn)作物生長(zhǎng)模擬模型

首先，要增強(qiáng)引進(jìn)的作物生長(zhǎng)模型的適應(yīng)性，讓其可以適應(yīng)本地的氣象條件。在運(yùn)用模型時(shí)，要集中注意觀察被研究的作物，并大量積極的收集相關(guān)的農(nóng)業(yè)信息資源、田間示范資料以及地區(qū)長(zhǎng)期的氣候和物質(zhì)資源材料等，并要進(jìn)行多點(diǎn)、長(zhǎng)序列的資料驗(yàn)證和校對(duì)工作。在模擬過程中還要全面分析農(nóng)作物品種變化所帶來的產(chǎn)量差異性。參數(shù)調(diào)整和過程改建都需要小心謹(jǐn)慎的進(jìn)行，在調(diào)整過程不要只是關(guān)注數(shù)字和參數(shù)，避免小范圍驗(yàn)證而大范圍使用的亂象發(fā)生，避免材料過于單一，避免模型調(diào)試后沒有經(jīng)過全面驗(yàn)證就推廣使用；其次，農(nóng)作物生長(zhǎng)模擬模型的應(yīng)用和推廣應(yīng)該密切結(jié)合本地區(qū)農(nóng)作物品種的生長(zhǎng)特性和農(nóng)業(yè)氣象問題等因素，有針對(duì)性地對(duì)農(nóng)作物模型進(jìn)行改善，從而不斷發(fā)展出全新的模塊和全新的方法，力求發(fā)展具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的作物生長(zhǎng)模擬模型；最后，要每時(shí)每刻地提醒自己，作物的生長(zhǎng)模擬模型不是萬能的，只不過是在模擬模型中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水平、農(nóng)作物的品種類型都是特定的，這樣，在不斷變化的氣象條件下，作物就會(huì)逐漸的生長(zhǎng)發(fā)育，但是在設(shè)定的氣象因素中，模型很難描述與分析一些極端惡劣的或者導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的氣象。即便是在一些模型的描述過程中對(duì)于一些干旱和高溫的描述都比較確切，但是這些描述在各個(gè)地區(qū)的適應(yīng)方面還存在一定的經(jīng)驗(yàn)性和局限性。因此，在模擬模型進(jìn)行模擬過程中，我們要考慮到極端惡劣氣象造成的災(zāi)害。通過大量收集當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)惡劣氣象造成的災(zāi)害的資料進(jìn)行研究，得出的研究成果可以對(duì)模擬出的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充，這樣就可以更好改進(jìn)作物生長(zhǎng)模擬的模型，使之能夠客觀準(zhǔn)確的模擬出本地區(qū)作物生生長(zhǎng)發(fā)育的情況以及和產(chǎn)量之間的關(guān)系。

3.2 穩(wěn)步推進(jìn)作物生長(zhǎng)模型在農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

首先，要對(duì)影響評(píng)估與作物產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的方法做出進(jìn)一步的改進(jìn)?；谧魑锬M模型的產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，從而依據(jù)本地的不同氣象預(yù)報(bào)作物產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，這樣可以補(bǔ)充在大規(guī)模統(tǒng)計(jì)時(shí)的不足，且具有很大的可行性。但是，就現(xiàn)今的技術(shù)水平，所得出的預(yù)測(cè)結(jié)果在進(jìn)度與效果上還不是很精準(zhǔn)，需要我們積極的探索更好的解決方法。鑒于此，我們要在后續(xù)的評(píng)價(jià)中把不同氣象災(zāi)害的動(dòng)態(tài)損失和作物產(chǎn)量結(jié)合起來，再進(jìn)行預(yù)報(bào)；其次，有關(guān)的各類實(shí)施方案必須經(jīng)過國家的全面落實(shí)，才可執(zhí)行。由于目前我國氣象系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與傳輸方面具有一定的局限性，致使當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)氣象資料不能得到及時(shí)地掌握，從而得不到及時(shí)的處理解決。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段在我國在系統(tǒng)中已經(jīng)存在的一些評(píng)價(jià)模型多數(shù)情況下都是以計(jì)數(shù)模式為主，需要我們及時(shí)地對(duì)這些不合理的評(píng)價(jià)方式進(jìn)行改進(jìn)。因此，就需要我們積極的引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)和理念，在我國氣象業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展和應(yīng)用全新的農(nóng)業(yè)氣象數(shù)值模式模型，從而切實(shí)增強(qiáng)農(nóng)業(yè)氣象部門對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的服務(wù)能力。