基于聚類分析的玉米發(fā)育期預報技術

張 瑩 裴梓淇

(山西省河曲縣氣象局，山西 河曲 036500)

河曲縣位于山西省西北部，地處黃土高原東部邊緣，屬大陸性季風氣候。河曲縣是一個農(nóng)業(yè)縣，玉米是當?shù)氐闹饕Z食作物之一。開展春播期預報是農(nóng)業(yè)氣象工作的重點服務項目之一，該項工作關系到河曲縣農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展、全年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和全體農(nóng)民利益，因此，加強玉米播種期預報對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

玉米播種期資料來自2000—2019 年河曲縣氣象局農(nóng)氣站觀測資料和日平均氣溫穩(wěn)定通過10 ℃的初日資料，土壤水分資料來源于河曲縣自動土壤水分站觀測資料，玉米出苗期至成熟期資料來源于2000—2019 年農(nóng)氣站觀測資料與同期平均氣溫、降水量、日照時間等地面氣象觀測資料。

1.2 研究方法

第一，將每個發(fā)育期的日期相減，分別求出播種—出苗階段、出苗—抽雄階段、抽雄—成熟階段的時間，如播種日期為5 月28 日、出苗日期為5 月10 日，則播種—出苗階段為12 d。

第二，根據(jù)玉米各發(fā)育期日期，計算出各發(fā)育階段的積溫、降水量、降水時間、日照時間與總云量等，如2014 年播種—出苗階段為12 d，積溫為162.2 ℃，降水量為28.1 mm，降水時間為4 d，日照時間為89.1 h，總云量為4.6 層。

第三，運用SPSS 軟件，對2000—2014 年玉米各發(fā)育階段的積溫、降水量、降水時間、日照時間和總云量進行聚類分析，將每個階段分成3 種類型，并分別計算3種類型的平均積溫、平均降水量、平均降水時間、平均日照時間、平均總云量與平均發(fā)育期時間，建立模型。

第四，將2015—2019 年預報的平均積溫、平均降水、平均降水時間、平均日照時間、平均總云量和平均發(fā)育期時間分別與3 類預報模型進行對比分析，通過求最小歐氏距離，確定最相似類型，得到預報時間。歐氏距離計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 播種期預報

玉米播種的必要條件是5 cm 日平均地溫穩(wěn)定通過8 ～10 ℃或日平均氣溫穩(wěn)定通過10 ℃，適宜土壤濕度為田間持水量的60%～70%［1］。根據(jù)河曲縣氣候特點，玉米播種時間主要受氣溫和土壤相對濕度雙重影響，運用5 d滑動平均法確定日平均氣溫穩(wěn)定通過10 ℃初日［2］，同時確定土壤相對濕度＞60%初日［3-5］，同時滿足二者的初日為開始播種初始日期指標。

2.2 出苗期預報

2.2.1 出苗期預報模型建立。對2000—2014 年玉米播種—出苗階段的數(shù)據(jù)進行聚類分析，從聚類譜系圖可以看出，第1、2、4、5、6、7、8、9、10 年聚成第1類，第 3、11、13、14、15 年聚成第 2 類，第 12 年聚成第3 類（見圖1）。同時，分別求出3 種類型的平均積溫、平均降水、平均降水時間、平均日照時間、平均總云量和平均發(fā)育期時間，結果如表1 所示。

表1 玉米播種-出苗階段聚類分析下3 種類型的平均值

圖1 玉米播種-出苗階段聚類譜系圖

2.2.2 出苗期預報模型檢驗。將2015—2019 年玉米播種—出苗階段的平均積溫、平均降水量、平均降水時間、平均日照時間、平均總云量和平均發(fā)育期時間分別與3 類預報模型進行對比分析，通過求最小歐氏距離，確定最相似類型，得到預報時間，與實際時間進行比較，求出平均誤差，平均誤差時間為1.0 d（見圖2）。

圖2 玉米播種-出苗階段預報模型檢驗結果

2.3 拔節(jié)期預報

2.3.1 拔節(jié)期預報模型建立。將2000—2014 年玉米出苗—拔節(jié)階段數(shù)據(jù)進行聚類分析，從聚類譜系圖可以 看 出，第 1、3、5、6、7、8、9、11、12、13、15 年聚成第1 類，第2、4、10 年聚成第2 類，第15 年聚成第3 類（見圖3）。同時，分別求出3 種類型的平均積溫、平均降水量、平均降水時間、平均日照時間、平均總云量和平均發(fā)育期時間，結果如表2 所示。

圖3 玉米出苗—拔節(jié)階段聚類譜系圖

表2 玉米出苗-拔節(jié)階段聚類分析下3 種類型的平均值

2.3.2 拔節(jié)期預報模型檢驗。將2015—2019 年玉米播種-出苗階段的平均積溫、平均降水量、平均降水時間、平均日照時間、平均總云量和平均發(fā)育期時間分別與3 類預報模型進行對比分析，通過求最小歐氏距離，確定最相似類型，得到預報時間，與實際時間進行比較，求出平均誤差，平均誤差時間為1.0 d（見圖4）。

圖4 玉米玉米出苗—拔節(jié)階段預報模型檢驗結果

2.4 抽雄期預報

2.4.1 抽雄期預報模型建立。將2000—2014 年玉米拔節(jié)-抽雄階段數(shù)據(jù)進行聚類分析，從聚類譜系圖可以看出，第1、3、5、6、8、9、11、14 年聚成第1 類，第2、4、7、10、12、15 年聚成第 2 類，第 13 年聚成第 3 類（見圖5）。同時，分別求出3 種類型的平均積溫、平均降水量、平均降水時間、平均日照時間、平均總云量、平均發(fā)育期時間，結果如表3 所示。

表3 玉米拔節(jié)-抽雄階段聚類分析下3 種類型的平均值

圖5 玉米拔節(jié)-抽雄階段聚類譜系圖

2.4.2 抽雄期預報模型檢驗。將2015—2019 年玉米拔節(jié)-抽雄階段的平均積溫、平均降水量、平均降水時間、平均日照時間、平均總云量和平均發(fā)育期時間分別與3 類預報模型進行對比分析，通過求最小歐氏距離，確定最相似類型，得到預報時間，與實際時間進行比較，求出平均誤差，誤差時間為1.4 d（見圖6）。

圖6 玉米拔節(jié)-抽雄階段預報模型檢驗結果

2.5 乳熟期預報

2.5.1 乳熟期預報模型建立。將2000—2014 年玉米抽雄—乳熟階段數(shù)據(jù)進行聚類分析，從聚類譜系圖可以看出，第 1、2、3、6、7、10、11、14 年聚成第 1 類，第 4、5、8、9、13 年聚成第 2 類，第 12、15 年聚成第3 類（見圖7）。同時，分別求出3 種類型的平均積溫、平均降水量、平均降水時間、平均日照時間、平均總云量、平均發(fā)育期時間，結果如表4 所示。

表4 玉米抽雄-乳熟階段聚類分析下3 種類型的平均值

圖7 玉米抽雄-乳熟階段聚類譜系圖

2.5.2 乳熟期預報模型檢驗。將2015—2019 年玉米抽雄—乳熟階段的平均積溫、平均降水量、平均降水時間、平均日照時間、平均總云量和平均發(fā)育期時間分別與3 類預報模型進行對比分析，通過求最小歐氏距離，確定最相似類型，得到預報時間，與實際時間進行比較，求出平均誤差，誤差時間為3.0 d（見圖8）。

圖8 玉米抽雄-乳熟階段預報模型檢驗結果

2.6 成熟期預報

2.6.1 成熟期預報模型建立。將2000—2014 年玉米乳熟-成熟階段數(shù)據(jù)進行聚類分析，從聚類分析譜系圖可以看出，第 1、4、5、6、9、10、11、14、15 年聚成第 1 類，第 2、8 年聚成第 2 類，第 7、12、13 年聚成第3 類（見圖9）。同時，分別求出3 種類型的平均積溫、平均降水量、平均降水時間、平均日照時間、平均總云量、平均發(fā)育期時間，結果如表5 所示。

圖9 玉米乳熟-成熟階段聚類譜系圖

表5 玉米乳熟-成熟階段聚類分析下3 種類型的平均值

2.6.2 成熟期預報模型檢驗。將2015—2019 年玉米乳熟-成熟階段的平均積溫、平均降水量、平均降水時間、平均日照時間、平均總云量和平均發(fā)育期時間分別與3 類預報模型進行對比分析，通過求最小歐氏距離，確定最相似類型，得到預報時間，與實際時間進行比較，求出平均誤差，誤差時間為3.2 d（見圖10）。

圖10 玉米乳熟—成熟階段預報模型檢驗結果

3 結論與討論

河曲縣春玉米播種-出苗期3 種類型下的平均積溫分別為211.4、173.8、251.7 ℃，平均降水量分別為4.7、16.0、29.4 mm，平均降水時間分別為 2.8、4.0、2.0 d，平均日照時間分別為109.8、80.0、92.9 h，平均總云量分別為4.8、5.0、5.2 層，平均發(fā)育期時間分別為13.1、11.4、12.0 d；出苗-拔節(jié)期3 種類型下的平均積溫分別為1 080.6、1 234.7、884.0 ℃，平均降水量分別為79.8、55.8、52.9 mm，平 均 降 水 時 間 分 別 為 20.4、22.3、14.0 d，平均日照時間分別為 418.2、517.9、169.5 h，平均總云量分別為4.9、4.8、5.9 層，平均發(fā)育期時間分別為47.4、58.3、41.5 d；拔節(jié)-抽雄期3 種類型下的平均積溫分別為601.5、471.5、577.1 ℃，平均降水量分別為36.5、38.3、211.7 mm，平均降水時間分別為10.8、10.7、10.0 d，平均日照時間分別為198.3、127.1、179.5 h，平均總云量分別為5.2、6.0、6.4 層，平均發(fā)育期時間分別為24.8、19.5、24.0 d；抽雄-乳熟期3 種類型下的平均積溫分別為731.1、623.4、638.6 ℃，平均降水量分別為84.7、153.0、66.9 mm，平均降水時間分別為15.6、15.2、12.5 d，平均日照時間分別為230.8、197.3、143.3 h，平均總云量分別為5.4、4.9、5.8 層，平均發(fā)育期時間分別為31.4、28.0、28.5 d；乳熟-成熟期3 種類型下的平均積溫分別為484.4、428.7、352.6 ℃，平均降水量分別為58.2、131.7、23.6 mm，平 均 降 水 時 間 分 別 為 11.0、10.0、7.5 d，平均日照時間分別為181.5、151.5、147.9 h，平均總云量分別為4.7、5.8、4.7 層，平均發(fā)育期時間分別為29.0、22.5、21.8 d。應用2015—2019 年積溫、降水量、降水時間、日照時數(shù)、總云量和發(fā)育期時間分別與3 類預報模型進行對比分析，通過求最小歐氏距離，確定最相似類型，得到預報時間。結果顯示，河曲縣春玉米播種-出苗期實際時間與預報時間平均誤差為1.0 d，出苗-拔節(jié)期實際時間與預報時間平均誤差為1.0 d，拔節(jié)-抽雄期實際時間與預報時間平均誤差為1.4 d，抽雄-乳熟期實際時間與預報時間平均誤差為3.0 d，乳熟-成熟期實際時間與預報時間平均誤差為3.2 d，玉米發(fā)育期各階段誤差均小于3.5 d ，說明預報值有意義，可以應用到農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務工作中。

但是，該文沒有采用開花期與吐絲期數(shù)據(jù)，是由于抽雄、開花、吐絲日期相鄰較短，有些年份在同一天出現(xiàn)。之所以玉米成熟期誤差時間為3.2 d，是由于玉米后期對氣溫與降水需求減少，只要有充足日照就能基本滿足玉米成熟需求，所以誤差相較于其他發(fā)育期較大。另外，米播種期只考慮了日平均氣溫和土壤相對濕度，不夠精細準確，有待進一步提升預測水平。