黑龍江省玉米春播期10cm地溫預(yù)測

閆平 季生太 紀(jì)仰慧 曲輝輝 于瑛楠 王銘 初征

摘要：玉米是黑龍江省第一大作物，因熱量資源的限制，搶前抓早播種是玉米高產(chǎn)的重要措施，而研究玉米地溫預(yù)測方法，進(jìn)而預(yù)測玉米適宜播種期，可以指導(dǎo)大田玉米科學(xué)早播，為玉米安全生產(chǎn)提供保障。利用2007—2017年黑龍江省80個(gè)氣象觀測站氣溫、地溫、風(fēng)速預(yù)報(bào)資料，采用多元回歸分析方法，構(gòu)建玉米春播期10 cm地溫逐日預(yù)測模型，并開發(fā)了玉米春播期日平均10 cm地溫預(yù)報(bào)系統(tǒng)。利用2007—2012年觀測數(shù)據(jù)及預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)開展回代檢驗(yàn)，利用2018—2020年觀測數(shù)據(jù)及預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)開展大田應(yīng)用檢驗(yàn)。結(jié)果表明：該系統(tǒng)預(yù)測的當(dāng)日地溫、未來1日地溫、未來2日地溫預(yù)報(bào)效果較好，雖然未來3日預(yù)報(bào)效果略差，但是預(yù)報(bào)升降溫趨勢準(zhǔn)確。根據(jù)預(yù)測模型開發(fā)的地溫預(yù)報(bào)系統(tǒng)，操作簡單，預(yù)報(bào)結(jié)果以圖形和表格2種方式存儲(chǔ)，應(yīng)用直觀方便，能夠滿足業(yè)務(wù)服務(wù)需求。

關(guān)鍵詞：玉米；地溫；多元回歸；模型；預(yù)測；系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S152.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：cjas2020-0221

Prediction of 10 cm Ground Temperature in Spring Sowing Period of Maize in Heilongjiang

Yan Ping1，2，3， Ji Shengtai4， Ji Yanghui3， Qu Huihui3， Yu Yingnan3， Wang Ming3， Chu Zheng3

（1Meteorological Academician Workstation of Heilongjiang Province， Harbin 150030， Heilongjiang， China； 2Innovation and Opening Laboratoryof Regional Eco-meteorology in Northeast， China Meteorological Administration， Harbin 150030， Heilongjiang， China；3Heilongjiang Province Institute of Meteorological Sciences， Harbin 150030， Heilongjiang， China；4Heilongjiang Ecometeorological Center， Harbin 150030， Heilongjiang， China）

Abstract： Maize is the most important crop in Heilongjiang Province， because of the limitation of heat resources， it is essential to sow early to achieve high yield. The study on the prediction method of maize ground temperature and the prediction of suitable maize sowing date could guide the early sowing of maize in field and guarantee maize safety production in the province. Based on the prediction data of temperature， ground temperature and wind speed of 80 weather stations in Heilongjiang from 2007 to 2017， we established a daily prediction model of 10 cm ground temperature in spring sowing period of maize by using multiple regression analysis method， and developed a 10 cm ground temperature prediction system. We used the observation data and forecast data from 2007 to 2012 to carry out the return test， and the observation data and forecast data from 2018 to 2020 to carry out the field application test. The results showed that the prediction of the ground temperature of the day， the next day and the next two days were relatively good. Although the prediction of the ground temperature of the next three days was slightly worse， the prediction of temperature rise and fall trend was accurate. The ground temperature prediction system developed according to the prediction model is easy to operate， and the prediction results could be stored in two ways of graph and table for easy application to business services.

Keywords： Maize； Ground Temperature； Multiple Regression； Model； Prediction； System

0引言

玉米是黑龍江省第一大作物，2018年玉米播種面積超過6.3×106hm2，玉米總產(chǎn)占全國15%左右[1]。黑龍江省玉米產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展對(duì)中國玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有舉足輕重的作用，承擔(dān)著保障國家糧食安全的重任。黑龍江省地處中國最北端，熱量資源是全國最匱乏的省份之一。但是從20世紀(jì)90年代以來，黑龍江省氣溫明顯增加。研究表明，黑龍江省≥10℃積溫20世紀(jì)90年代比80年代上升125℃，2000年后比80年代上升189℃[2]。氣溫增加直接導(dǎo)致地溫升高，玉米播種期提前。

玉米適時(shí)播種是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)，抓好播種關(guān)，可以使玉米在生育期內(nèi)充分利用有限的氣候資源，也為各項(xiàng)農(nóng)業(yè)耕作的技術(shù)措施發(fā)揮應(yīng)有的作用提供保障，具有十分重要的意義。黑龍江省玉米播種深度位于土層0～10 cm之間，地溫6℃以上可以播種，地溫8℃以上可以安全播種，因此準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地溫穩(wěn)定通過6、8℃日期，可以預(yù)報(bào)玉米播種期。

關(guān)于地溫預(yù)報(bào)，21世紀(jì)初，李毅[3]利用地氣溫的線性關(guān)系預(yù)報(bào)新疆玉米田8：00的剖面地溫，開啟了國內(nèi)地溫預(yù)測的廣泛研究。后期學(xué)者延續(xù)該地溫預(yù)報(bào)方法，多采用基于氣象觀測站點(diǎn)的地溫與其影響因子的單要素相關(guān)或雙要素回歸方法建立預(yù)測模型，地溫預(yù)測的研究也主要集中在東北地區(qū)，如陳鵬獅等[4]、宋曉巍等[5]通過地氣溫關(guān)系建立了遼寧省地溫預(yù)測模型；李帥[6]利用黑龍江省逐日氣溫、地溫資料，通過回歸建立春季淺層地溫預(yù)報(bào)模型；周斌[7]采用遼西地區(qū)氣象要素和土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，通過多元回歸分析建立了遼西地區(qū)的地溫預(yù)報(bào)模型；王萍[8]利用內(nèi)蒙古河套灌區(qū)氣溫、地溫等資料，采用回歸分析等方法，建立土壤溫度預(yù)報(bào)模型。2010年以來，隨著科技發(fā)展，新的預(yù)測方法開始運(yùn)用到地溫預(yù)測之中，如2018年桂沁園[9]運(yùn)用MATLAB軟件構(gòu)建了巢湖市基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)淺層最低地溫預(yù)報(bào)模型?？偨Y(jié)前人研究成果，利用多要素回歸方法建立地溫預(yù)報(bào)模型仍是準(zhǔn)確率較高的方法。目前黑龍江省地溫預(yù)報(bào)只考慮氣溫、地溫，影響因素不夠全面，因此嘗試考慮多因素影響，建立日平均10 cm地溫預(yù)測模型開展地溫預(yù)報(bào)，以期為玉米播種提供參考。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況

黑龍江省位于中國東北部，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬長夏短，四季分明。年平均氣溫2.6℃，年降水量515 mm，年日照時(shí)數(shù)2561 h，氣候特點(diǎn)決定作物種植制度一年一熟，作物生長季5—9月，玉米主產(chǎn)區(qū)4月下旬—5月上旬播種，9月成熟。

1.2資料與方法

本研究所用資料為黑龍江省2007—2020年80個(gè)氣象觀測站玉米春播期（4月中旬—5月上旬）逐日平均氣溫、平均10 cm地溫、平均風(fēng)速，資料來自黑龍江省氣象局。采用多元回歸分析方法[10-11]，以10 cm地溫作為預(yù)測對(duì)象，利用2007—2017年逐日氣溫、風(fēng)速、前一日平均10 cm地溫為預(yù)測因子建立預(yù)測方程，預(yù)測未來3天日平均10 cm地溫，利用2018—2020年資料進(jìn)行預(yù)測應(yīng)用檢驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.1春播期10 cm地溫預(yù)測模型

對(duì)2007—2017年春季日平均10 cm平均地溫與氣溫、前一日地溫、風(fēng)速進(jìn)行回歸分析，建立玉米春播期日平均10 cm地溫預(yù)測模型（表1～4）。

表1中Y為當(dāng)日平均10 cm地溫預(yù)測值（℃），x1為前一日平均10 cm地溫實(shí)際值（℃），x2為前一日平均氣溫（最高氣溫與最低氣溫和的一半，下同），x3為當(dāng)日平均氣溫（℃），x4為當(dāng)日平均風(fēng)速（m/s）。

表2中Y為未來1日平均10 cm地溫預(yù)測值（℃），x1為前一日平均10 cm地溫實(shí)際值（℃），x2為前一日平均氣溫（℃），x3為當(dāng)日平均氣溫（℃），x4為當(dāng)日平均風(fēng)速（m/s），x5為未來1日平均氣溫（℃），x6為未來1日平均風(fēng)速（m/s）。

表3中Y為未來2日平均10 cm地溫預(yù)測值（℃），x1為前一日平均10 cm地溫實(shí)際值（℃），x2為前一日平均氣溫（℃），x3為當(dāng)日平均氣溫（℃），x4為當(dāng)日平均風(fēng)速（m/s），x5為未來1日平均氣溫（℃），x6為未來1日平均風(fēng)速（m/s），x7為未來2日平均氣溫（℃），x8為未來2日平均風(fēng)速（m/s）。

表4中Y為未來3日平均10 cm地溫預(yù)測值（℃），x1為前一日平均10 cm地溫實(shí)際值（℃），x2為前一日平均氣溫（℃），x3為當(dāng)日平均氣溫（℃），x4為當(dāng)日平均風(fēng)速（m/s），x5為未來1日平均氣溫（℃），x6為未來1日平均風(fēng)速（m/s），x7為未來2日平均氣溫（℃），x8為未來2日平均風(fēng)速（m/s），x9為未來3日平均氣溫（℃），x10為未來3日平均風(fēng)速（m/s）。

2.2地溫預(yù)報(bào)系統(tǒng)

地溫預(yù)報(bào)系統(tǒng)面向黑龍江省春播期地溫預(yù)報(bào)需求研發(fā)，分為服務(wù)器端和客戶端，服務(wù)器端用于存放地溫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，采用SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，客戶端用于預(yù)報(bào)員操作，采用C/S架構(gòu)，將該系統(tǒng)集成在“黑龍江省生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象省、市、縣三級(jí)制作和發(fā)布一體化平臺(tái)”中，作為其中一個(gè)模塊，開展應(yīng)用（圖1），預(yù)報(bào)結(jié)果以圖形和表格兩種方式存儲(chǔ)。

2.2.1硬件支持環(huán)境

（1）SQL Server數(shù)據(jù)服務(wù)器：高性能數(shù)據(jù)服務(wù)器，采用Windows 2008操作系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供地溫觀測資料及氣象預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)支持。

（2）預(yù)報(bào)員客戶端：圖形工作站或高級(jí)臺(tái)式計(jì)算機(jī)，用于制作地溫預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

（3）網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議：采用通行的TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為千兆以太網(wǎng)（主干）和快速以太網(wǎng)（支線），支持農(nóng)業(yè)氣象信息數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.2軟件支持環(huán)境

（1）軟件框架：基于CAgMSS插件式框架技術(shù)[12]。

（2）操作系統(tǒng)平臺(tái)：數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用Windows Server 2008，應(yīng)用程序客戶端采用Windows7、windows8、windows10。

（3）開發(fā)環(huán)境：采用MS.NET程序設(shè)計(jì)語言，以及關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（SQL Server 2008）。

（4）地理信息平臺(tái)：以ArcGIS10.2為支撐平臺(tái)。

2.3地溫預(yù)測回代檢驗(yàn)

選取2007—2012年4月中旬至5月上旬逐日氣溫和日平均10 cm地溫及預(yù)測氣溫、風(fēng)速代入上述模型，進(jìn)行回代檢驗(yàn)，結(jié)果見表5?；卮鷻z驗(yàn)中預(yù)測當(dāng)日準(zhǔn)確率最高，6年平均誤差在0.3℃之內(nèi)，預(yù)測未來1日，6年平均誤差在0.5℃之內(nèi)，預(yù)測未來2日，6年平均誤差在0.7℃之內(nèi)，預(yù)測未來3日，6年平均誤差在0.7℃之內(nèi)。

2.4地溫預(yù)報(bào)應(yīng)用檢驗(yàn)

將2018—2020年4月15—30日逐日氣溫和10 cm地溫及預(yù)報(bào)氣溫、風(fēng)速代入春季日平均10 cm地溫預(yù)測模型，預(yù)測逐日地溫，并計(jì)算其誤差。全省的檢驗(yàn)結(jié)果為6℃相差0～3天，8℃相差0～3天。具體是當(dāng)日平均10 cm地溫結(jié)果為：35%的日數(shù)預(yù)報(bào)誤差在0.5℃以內(nèi)， 62%的日數(shù)預(yù)報(bào)誤差在1.0℃以內(nèi)，91%的日數(shù)預(yù)報(bào)誤差在2.0℃以內(nèi)。預(yù)測未來1日平均10 cm地溫結(jié)果為：20%的日數(shù)預(yù)報(bào)誤差在0.5℃以內(nèi)，40%的日數(shù)預(yù)報(bào)誤差在1.0℃以內(nèi)，72%的日數(shù)預(yù)報(bào)誤差在2.0℃以內(nèi)。預(yù)測未來2日平均10 cm地溫結(jié)果為：19%的日數(shù)預(yù)報(bào)誤差在0.5℃以內(nèi)，36%的日數(shù)預(yù)報(bào)誤差在1.0℃以內(nèi)，66%的日數(shù)預(yù)報(bào)誤差在2.0℃以內(nèi)。預(yù)測未來3日平均10 cm地溫結(jié)果為：13%的日數(shù)預(yù)報(bào)誤差在0.5℃以內(nèi)，25%的日數(shù)預(yù)報(bào)誤差在1.0℃以內(nèi)，49%的日數(shù)預(yù)報(bào)誤差在2.0℃以內(nèi)。從預(yù)測準(zhǔn)確率來看，全省多數(shù)站點(diǎn)預(yù)測日平均10 cm地溫6℃和8℃相差2天以內(nèi)，可以為播種期預(yù)報(bào)產(chǎn)品提供參考。

表6為全省4月15—30日預(yù)報(bào)的平均絕對(duì)誤差，從表6可見，15天預(yù)報(bào)的誤差平均值為預(yù)報(bào)當(dāng)天-0.5℃，預(yù)報(bào)未來1日-1.1℃，預(yù)報(bào)未來2日-1.2℃，預(yù)報(bào)未來3日-1.9℃。

2.5哈爾濱2020年預(yù)報(bào)應(yīng)用檢驗(yàn)

表7為哈爾濱2020年4月15—30日預(yù)報(bào)的絕對(duì)誤差，從表7可見，16天預(yù)報(bào)當(dāng)日的誤差平均值是-0.1℃，預(yù)報(bào)最大誤差1.9℃；預(yù)報(bào)未來1日的誤差平均值是-1.2℃，預(yù)報(bào)最大誤差-2.6℃；預(yù)報(bào)未來2日的誤差平均值是-1.2℃，預(yù)報(bào)最大誤差-3.3℃，預(yù)報(bào)第3日的誤差平均值是-1.9℃，預(yù)報(bào)最大誤差-4.8℃。

3結(jié)論

黑龍江省春季10 cm地溫穩(wěn)定通過6、8℃日期對(duì)于玉米播種非常重要。通過多元回歸分析方法構(gòu)建了日平均10 cm地溫逐日預(yù)測模型，并進(jìn)行了檢驗(yàn)，得到結(jié)論如下。

玉米春播期日平均10 cm地溫預(yù)測模型對(duì)未來1日地溫預(yù)報(bào)效果較好，歷史回代絕對(duì)誤差平均為0.2～ 0.5℃，實(shí)際應(yīng)用預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差平均為1.0～1.4℃，哈爾濱最小誤差是0.2℃，最大預(yù)報(bào)誤差是2.6℃。玉米春播期日平均10 cm地溫預(yù)測模型對(duì)未來2日地溫預(yù)報(bào)效果較好，歷史回代絕對(duì)誤差平均為0.1～0.7℃，實(shí)際應(yīng)用預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差平均為1.0～1.5℃，哈爾濱最小誤差是0.1℃，最大預(yù)報(bào)誤差是3.3℃。玉米春播期日平均10 cm地溫預(yù)測模型對(duì)未來3日地溫預(yù)報(bào)效果略差，歷史回代絕對(duì)誤差平均為0.0～0.7℃，實(shí)際應(yīng)用預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差平均為1.5～2.4℃，哈爾濱最小誤差是0.0℃，最大預(yù)報(bào)誤差是4.8℃。玉米春播期日平均10 cm地溫預(yù)測模型中當(dāng)日、未來1日、未來2日預(yù)報(bào)效果較好，雖然未來3日預(yù)報(bào)效果略差，但是預(yù)報(bào)升降溫趨勢準(zhǔn)確。根據(jù)預(yù)測模型開發(fā)的地溫預(yù)報(bào)系統(tǒng)，操作簡單，預(yù)報(bào)結(jié)果直接出圖，直觀方便。

4討論

氣溫與地溫雖然關(guān)系密切[13-16]，地溫變化主要是氣溫變化引起的，但是地溫的波動(dòng)幅度與氣溫存在較大差異，玉米種子播在土壤5～10 cm土層，不能根據(jù)氣溫預(yù)報(bào)指導(dǎo)玉米播種。如2008年4月23—26日出現(xiàn)降溫過程，肇源日平均氣溫為2～7℃，日平均10cm地溫為3～6℃，部分地塊由于持續(xù)低溫導(dǎo)致玉米粉籽、爛籽[17]，2017年5月6日出現(xiàn)了降溫過程，肇源日平均氣溫為5℃，日平均10 cm地溫為8℃，玉米種子未遭受冷害。因此，日平均10 cm地溫預(yù)報(bào)對(duì)春季玉米播種意義重大，本研究日平均10 cm地溫預(yù)測模型回代檢驗(yàn)和預(yù)報(bào)檢驗(yàn)平均誤差小于2.4℃。預(yù)測模型精度能夠滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，可用于春季玉米播種期地溫預(yù)測，進(jìn)而對(duì)玉米適宜播種期進(jìn)行預(yù)報(bào)。

針對(duì)10 cm地溫預(yù)測部分結(jié)果精度不高的問題，分析誤差偏大原因，研究結(jié)果表明，預(yù)測效果差的日期均是出現(xiàn)劇烈升溫或降溫情況，本研究受到地溫資料限制，對(duì)玉米春播期劇烈升溫、降溫考慮不充分，預(yù)測偏差略大。后期將繼續(xù)補(bǔ)充地溫觀測資料，重點(diǎn)開展春季劇烈升溫、降溫的地氣溫度關(guān)系研究，同時(shí)考慮大風(fēng)、陰雨、霧霾等特殊天氣條件下的地氣溫度變化規(guī)律，完善10cm地溫預(yù)測模型，指導(dǎo)玉米春播生產(chǎn)。

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