基于環(huán)流因子的遼寧省水稻適宜移栽期預(yù)報模型研究

王 婷 ，王 鵬 ，李雨鴻 ，周 斌 ，李琳琳 ，胡春麗 ，劉東明

（1.遼寧省氣象科學(xué)研究所，遼寧沈陽110166；2.遼寧省氣象服務(wù)中心，遼寧沈陽110166）

水稻是我國重要的糧食作物之一，種植面積占糧食作物總播種面積的30%，產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的40%以上[1]。遼寧省作為我國重要的水稻產(chǎn)區(qū)和商品水稻生產(chǎn)基地，水稻產(chǎn)量與該省乃至全國糧食安全密切相關(guān)[2]。移栽是水稻種植的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要根據(jù)適宜移栽秧齡大小，科學(xué)安排移栽期，水稻移栽期推遲，容易出現(xiàn)超秧齡的秧苗，使水稻有效分蘗期縮短，不利于前期發(fā)苗和保足穗、攻大穗，對水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量形成有較大影響[3]。因此，做好水稻移栽期預(yù)報，合理安排水稻移栽日期，及早做好茬口銜接，努力做到適期移栽是保證和提高水稻產(chǎn)量的基礎(chǔ)。做好水稻移栽期預(yù)報是現(xiàn)今農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報的重要任務(wù)之一，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理有著重要的指導(dǎo)作用。影響水稻移栽期的氣象因子主要有氣溫、降水和日照，其中氣溫對水稻的影響最大。而有效積溫更能反映水稻生育期對熱量的要求[4-5]，因此使用有效積溫可以對水稻生育期進(jìn)行預(yù)測[6-9]。

研究表明，大氣環(huán)流對區(qū)域氣候要素的變化有著直接和重要的影響[10]，本文旨在篩選出對有效積溫影響顯著的大氣環(huán)流因子，建立有效積溫預(yù)報模型，并通過有效積溫和水稻移栽期建立相關(guān)性，建立水稻適宜移栽期的長期預(yù)報模型，最終確定水稻適宜移栽的日期。

1 材料與方法

1.1 農(nóng)業(yè)資料

農(nóng)業(yè)資料來源于遼寧省5個農(nóng)業(yè)氣象觀測站（大洼、東港、新賓、開原、遼中）的1981—2016年水稻生育期資料。氣象資料來源于遼寧省氣象局以上5個站1981—2016年日平均氣溫。大氣環(huán)流因子采用國家氣候中心提供的74項(xiàng)環(huán)流指數(shù)。

1.2 建模方法

1.2.1 有效積溫的計算。每一種植物都有其生長的下限溫度。當(dāng)溫度高于下限溫度時，它才能夠發(fā)育和生長。但僅僅溫度達(dá)到所需還不足以完成發(fā)育和生長，因?yàn)檫€需要一定的時間，即需要一定的總熱量，稱為總積溫或者有效積溫。水稻的有效積溫是指對其生長發(fā)育起有效作用的溫度累加值，即日平均氣溫（ti）與對水稻生長無效的下限溫度（b0）之差的累加值，計算公式如下：

注：文中統(tǒng)計的是水稻播種至移栽期≥10℃的有效積溫，所以b0＝10℃，n為播種至移栽期天數(shù)。

1.2.2 水稻適宜移栽期模型建立。通過水稻適宜移栽期日序與水稻播種到移栽期有效積溫的高相關(guān)性建立適宜移栽期的回歸方程，然后利用國家氣候中心提供的74項(xiàng)環(huán)流指數(shù)，通過相關(guān)分析，得出有效積溫與前一年和當(dāng)年1—4月共74項(xiàng)環(huán)流指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，并篩選出通過0.05顯著性檢驗(yàn)且絕對值大于0.4的指數(shù)，并且遵循因子獨(dú)立性、連續(xù)性及物理意義明確等原則，選出影響有效積溫的主要環(huán)流因子，建立預(yù)報有效積溫的方程，最終建立水稻適宜移栽期的預(yù)報模型。為了檢驗(yàn)預(yù)報模型的效果，對模型進(jìn)行歷史擬合和預(yù)報檢驗(yàn)。

2 結(jié)果和分析

2.1 水稻適宜移栽期與播種到移栽期有效積溫的相關(guān)分析

從1981—2015年遼寧省水稻適宜移栽期的時間序列和有效積溫對比來看，兩者的年際變化基本同步，呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)（P＜0.01）。由此可見，利用有效積溫對適宜移栽期進(jìn)行預(yù)報是可行的，但由于遼寧省跨度較大，區(qū)域間存在較大差異，因此需要分區(qū)建立水稻移栽期的預(yù)報模型。

圖1 遼寧省水稻移栽期和播種到移栽期有效積溫的時間變化曲線

2.2 基于環(huán)流指數(shù)的水稻適宜移栽期預(yù)報模型建立

通過水稻適宜移栽期與播種到移栽期的有效積溫的高相關(guān)性建立一元回歸方程（表1），然后通過播種到移栽期有效積溫與大氣環(huán)流指數(shù)74項(xiàng)特征值的相關(guān)分析，篩選出與遼寧水稻有效積溫發(fā)生有顯著關(guān)系的大氣環(huán)流指數(shù)因子，采用逐步回歸方法建立有效積溫預(yù)報模型（表2）。影響大洼有效積溫的環(huán)流因子：前一年6月北半球極渦中心位置（H11），前一年 8 月亞洲經(jīng)向環(huán)流指數(shù)（H12），前一年10月東亞槽強(qiáng)度（H13），前一年3月南方濤動指數(shù)（H14）；影響東港有效積溫的環(huán)流因子：前一年4月西太平洋副高脊線（H21），前一年10月西太平洋副高北界（H22），當(dāng)年 3 月北半球極渦中心位置（H23），當(dāng)年4月東亞槽位置（H24）；影響新賓有效積溫的環(huán)流因子：前一年7月西太平洋副高面積指數(shù)（H31），前一年10月東亞槽位置（H32），前一年10月東亞槽強(qiáng)度（H33），當(dāng)年 2 月西藏高原（H34）；影響開原有效積溫的環(huán)流因子：前一年3月北半球極渦中心位置（H41），前一年9月大西洋歐洲環(huán)流型W（H42），前一年3月大西洋歐洲環(huán)流型C（H43），前一年9月東亞槽位置（H44），前一年 2 月東亞槽強(qiáng)度（H45），當(dāng)年 3月西太平洋副高面積指數(shù)（H46），當(dāng)年1月西太平洋副高北界（H47），當(dāng)年 2月亞洲緯向環(huán)流指數(shù)（H48）；影響遼中有效積溫的環(huán)流因子：前一年4月亞洲區(qū)極渦強(qiáng)度指數(shù)（H51），前一年 7 月西藏高原（H52），當(dāng)年4月東亞槽位置（H53）。

表1 遼寧水稻適宜移栽期與播種到移栽有效積溫的回歸方程

表2 利用大氣環(huán)流指數(shù)因子建立遼寧省水稻播種到移栽期有效積溫的預(yù)報模型

2.3 水稻適宜移栽期和有效積溫預(yù)報模型的效果檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)表1和表2中預(yù)報模型的擬合效果，利用表2中的預(yù)報模型可由前期大氣環(huán)流指數(shù)因子預(yù)報出當(dāng)年的播種到移栽期有效積溫，然后利用表1的回歸方程預(yù)報當(dāng)年的適宜移栽期日序，將實(shí)際值和模擬值進(jìn)行對比（圖2），可以看到模擬出的有效積溫和適宜移栽期都非常接近實(shí)際值。大洼、東港、新賓、開原、遼中5個站點(diǎn)的適宜移栽期預(yù)報準(zhǔn)確率分別為98.0%、98.0%、98.4%、98.7%、97.1%。移栽期的模擬偏差主要在4 d以內(nèi)，模型通過0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，擬合效果較好。利用2016年資料進(jìn)行試報檢驗(yàn)，表3為移栽期預(yù)報結(jié)果和實(shí)際移栽期對比，大洼、東港、新賓、遼中的誤差是在1～2 d，開原移栽期預(yù)報比實(shí)際值偏早6 d。

圖2 遼寧省水稻適宜移栽期和播種到移栽期有效積溫預(yù)報模型擬合檢驗(yàn)

表3 2016年遼寧水稻適宜移栽期預(yù)報模型的試報檢驗(yàn)

3 結(jié)論與討論

本文根據(jù)有效積溫和環(huán)流因子的相關(guān)關(guān)系，篩選出對有效積溫影響顯著的大氣環(huán)流因子，通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，建立有效積溫預(yù)報模型，并通過有效積溫和水稻移栽期之間的相關(guān)性，建立水稻適宜移栽期的長期預(yù)報模型。結(jié)果表明：

1)遵循因子連續(xù)性和獨(dú)立性原則，篩選出對有效積溫影響較大的環(huán)流因子作為預(yù)報因子，基于多元線性回歸建立有效積溫預(yù)報模型，考慮到遼寧跨度較大，農(nóng)業(yè)氣候存在差異，因此分區(qū)選取代表站建立了模型。

2)遼寧省水稻適宜移栽期與播種到移栽≥10℃有效積溫存在極為顯著的線性正相關(guān)，可以利用有效積溫建立適宜移栽期的預(yù)報模型。預(yù)報模型歷史擬合效果較好，準(zhǔn)確率基本在95%以上，預(yù)報檢驗(yàn)誤差基本在1～2 d，預(yù)報準(zhǔn)確率較高，可以在業(yè)務(wù)中使用，預(yù)報結(jié)果對水稻種植具有重要的實(shí)用價值，可以提升農(nóng)業(yè)氣象的專業(yè)服務(wù)能力。

水稻的適宜移栽期除了受氣溫直接影響外，還應(yīng)考慮品種、降水、日照、土壤、社會因素等影響，本文僅通過有效積溫確定移栽期，還需兼顧其他因素繼續(xù)深入研究，以進(jìn)一步提高預(yù)報模型的準(zhǔn)確性。

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