基于氣候適宜度的水稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型

郝 玲，任曙霞，張 佩，董京銘，朱云鳳，何 玲，張亞?wèn)|

（1.江蘇省連云港市氣象局，江蘇 連云港 222006；2.江蘇省氣象局，江蘇 南京 210008）

0 引言

水稻是我國(guó)重要的糧食作物之一，氣候條件的適宜程度及變化情況會(huì)直接影響水稻的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成［1-5］，因此跟蹤氣候條件的變化，掌握氣候適宜程度對(duì)晚稻生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響，能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)者及時(shí)合理地開(kāi)展田間管理工作提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象為農(nóng)服務(wù)的重要組成部分［6-10］。

作物產(chǎn)量預(yù)報(bào)在我國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的研究和應(yīng)用，預(yù)報(bào)的基本方法也很多，這些方法為作物氣象產(chǎn)量預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)。但是這些方法多在固定時(shí)間對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)報(bào)，在動(dòng)態(tài)跟蹤預(yù)報(bào)方面的應(yīng)用則較少。近年來(lái)，許多學(xué)者開(kāi)展了作物產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)研究［11-16］。鄭昌玲等［17］利用作物產(chǎn)量歷史豐歉氣象影響指數(shù)對(duì)早稻產(chǎn)量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)效果較好，但是這種方法沒(méi)有考慮氣象因子量值的變化，從而影響了預(yù)報(bào)的穩(wěn)定性。帥細(xì)強(qiáng)等［18］利用水稻生長(zhǎng)模型對(duì)江南雙季稻的產(chǎn)量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，但是作物模擬模型所需的部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在實(shí)際中難以獲得，參數(shù)調(diào)整也較為困難，大范圍應(yīng)用的效果不夠理想。易雪等［19］利用氣候適宜指數(shù)對(duì)湖南的早稻產(chǎn)量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)，但未考慮生產(chǎn)措施和重大氣象災(zāi)害特別是成熟收獲階段氣象災(zāi)害對(duì)早稻產(chǎn)量的影響。上述動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)方法的預(yù)報(bào)結(jié)果都存在一定的不穩(wěn)定性，且它們的預(yù)報(bào)時(shí)段仍然較長(zhǎng)（一般在1個(gè)月以上），未做到真正的精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)。因此，隨著我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，原有的預(yù)報(bào)方法在預(yù)報(bào)時(shí)間等方面已經(jīng)不能滿足國(guó)家糧食安全預(yù)警和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。

本文在已有的水稻氣候適宜度研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)江蘇地區(qū)的氣候特點(diǎn)和水稻生長(zhǎng)發(fā)育特性，構(gòu)建了適用于江蘇地區(qū)的水稻降水、溫度及日照適宜度模型，并在此基礎(chǔ)上建立水稻氣候適宜指數(shù)，構(gòu)建了基于氣候適宜指數(shù)的水稻產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)（逐生育期、逐月、逐旬）預(yù)報(bào)方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇地處長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶，屬東亞季風(fēng)氣候區(qū)，處在亞熱帶和暖溫帶的氣候過(guò)渡地帶，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得天獨(dú)厚。江蘇的糧食單產(chǎn)在我國(guó)維持著較高水平，糧食總產(chǎn)量在全國(guó)各省（市）中始終位居前列，在平衡國(guó)內(nèi)糧食供應(yīng)、保障我國(guó)糧食安全方面作出了重要貢獻(xiàn)。水稻是江蘇省糧食的主體，也是江蘇農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，其產(chǎn)量形成是一個(gè)與氣象條件密切相關(guān)的動(dòng)態(tài)過(guò)程［20］。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用氣象資料包括江蘇省13個(gè)氣象觀測(cè)站的日最高溫度、日最低溫度、日平均溫度，以及逐日的日照時(shí)數(shù)和日降水量等地面氣象觀測(cè)資料；資料年份為1981─2016年。其中，1981─2014年氣象資料用于模型建立與模型的回代檢驗(yàn)，2015─2016年氣象資料用于模型預(yù)報(bào)檢驗(yàn)。各市水稻產(chǎn)量資料和氣象資料均來(lái)自江蘇省氣象信息中心。

1.3 江蘇省水稻氣候適宜度模型的建立

1.3.1 溫度適宜度 首先計(jì)算各站點(diǎn)的日溫度適宜度S（ti），公式為：

式（1）~式（2）中：S（ti）為氣象站點(diǎn)i的日溫度適宜度；ti表示站點(diǎn)i的日平均溫度，t1、t2、t0分別是水稻各生長(zhǎng)發(fā)育階段生長(zhǎng)發(fā)育的三基點(diǎn)溫度，即最低溫度、最高溫度和最適溫度，如表1所示。

表1 江蘇省水稻氣候適宜度動(dòng)態(tài)模型的參數(shù)值

然后計(jì)算所有站點(diǎn)的日溫度適宜度的平均值，得到各市的日溫度適宜度。同樣，計(jì)算所有市的日溫度適宜度的平均值，得到全省的日溫度適宜度，計(jì)算公式為：

式（3）中：S（t）為各市或全省的日溫度適宜度；n代表所屬區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)數(shù)量。

最后由日溫度適宜度算出旬溫度適宜度，計(jì)算公式為：

式（4）中：S（t旬）為各市或全省的旬溫度適宜度；m代表計(jì)算旬內(nèi)的天數(shù)。

1.3.2 日照適宜度 其計(jì)算公式為：

式（5）中：S（si）為氣象站點(diǎn)i的逐日日照適宜度；si為站點(diǎn)i的逐日日照時(shí)數(shù)；s0為站點(diǎn)逐日日照百分率為70%時(shí)的日照時(shí)數(shù)；s1為站點(diǎn)逐日日照百分率為30%時(shí)的日照時(shí)數(shù)；b為常數(shù)。

各市及全省的逐日日照適宜度S（s）及旬日照適宜度S（s旬）的計(jì)算公式 與式（3）~式（4）類似。

1.3.3 降水適宜度 其計(jì)算公式為：

式（6）~式（8）中：S（p旬）為站點(diǎn)的旬降水適宜度；p為站點(diǎn)的旬降水量；R為站點(diǎn)的多年（1981─2010年）旬平均降水量。

各市及全省的旬降水適宜度S（p旬）的計(jì)算公式與公式（4）類似。

1.3.4 氣候適宜度模型 為了綜合反映溫度、降水、日照這3個(gè)因素對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響，本文建立了作物氣候適宜度模型。

式（9）中：F（c旬）為各市或全省的旬氣候適宜度；S（t旬）、S（p旬）、S（s旬）分別為各市或全省的旬溫度適宜度、旬降水適宜度、旬日照適宜度。

1.4 基于氣候適宜指數(shù)建立產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型

1.4.1 趨勢(shì)產(chǎn)量的處理方法 作物產(chǎn)量的影響因素有很多，目前一般分為氣象因素、農(nóng)技措施因素和隨機(jī)“噪聲”三大類。其中農(nóng)技措施因素反映一定歷史時(shí)期社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展水平，主要包括耕作水平、施肥、病蟲害控制、品種特性及增產(chǎn)措施等，其相應(yīng)的產(chǎn)量分量稱為趨勢(shì)產(chǎn)量。模擬和預(yù)測(cè)趨勢(shì)產(chǎn)量的常用方法有：線性回歸、非線性回歸（正交多項(xiàng)式）、分段回歸、滑動(dòng)平均（包括直線滑動(dòng)平均）、指數(shù)平滑、調(diào)和權(quán)重等。采用不同方法模擬趨勢(shì)產(chǎn)量，所分離的氣象產(chǎn)量結(jié)果并不相同，甚至截然相反。一般來(lái)說(shuō)，采用非線性模擬方法可以取得較好的效果；但是在線性趨勢(shì)明顯時(shí)，采用各種方法的效果差異不大，而線性模擬計(jì)算最簡(jiǎn)便。

本研究分別采用線性分離、二次曲線、滑動(dòng)平均（3 a、5 a）及差值百分率等5種方法對(duì)趨勢(shì)產(chǎn)量進(jìn)行處理。

1.4.2 建立氣候適宜指數(shù) 由于作物在各個(gè)生育階段的生理、生態(tài)特征不同，因此其對(duì)周圍環(huán)境條件的需求也不同；同時(shí)，各個(gè)時(shí)段的環(huán)境因子對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的滿足程度亦有差異。因此，為了客觀地反映不同時(shí)期環(huán)境因子對(duì)作物的影響程度，有必要建立作物從播種至某一生育階段的氣候適宜指數(shù)。本研究采用加權(quán)集成的方法，構(gòu)建江蘇省水稻生育期內(nèi)從播種至任意時(shí)段的氣候適宜指數(shù)計(jì)算模型。

式（10）中：F（C）為作物從播種至某一生育階段的氣候適宜指數(shù)；Fi（c旬） 為區(qū)域內(nèi)的旬氣候適宜度；n為旬?dāng)?shù)；Ki為各旬氣候適宜度對(duì)產(chǎn)量的影響系數(shù)（即權(quán)重）。

目前，確定指標(biāo)權(quán)重的方法有專家咨詢法、因子分析法和相關(guān)系數(shù)法等。本研究采用相關(guān)系數(shù)法來(lái)確定水稻生育期內(nèi)各旬氣候適宜度的權(quán)重。具體計(jì)算方法：首先計(jì)算水稻生育期內(nèi)每一旬氣候適宜度與水稻氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)；然后計(jì)算每一旬相關(guān)系數(shù)占水稻生育期內(nèi)所有旬相關(guān)系數(shù)總和的比值，以此作為該旬的權(quán)重系數(shù)，即影響系數(shù)Ki由下式求得。

式（11）中：Ki為各旬氣候適宜度對(duì)產(chǎn)量的影響系數(shù)，其值位于［-1,1］；Ri為區(qū)域內(nèi)某旬氣候適宜度與氣象產(chǎn)量間的相關(guān)系數(shù)。

1.4.3 建立作物產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型

1.4.3.1 一元一次模型的建立 首先構(gòu)建作物氣象產(chǎn)量與氣候適宜指數(shù)的線性模型，即：

式（12）中：Yj為第j年的作物氣象產(chǎn)量；Fj（C）為第j年的作物氣候適宜指數(shù)；a0、a1為系數(shù)。

用式（12）計(jì)算出作物氣象產(chǎn)量的預(yù)測(cè)值后，再用下式計(jì)算氣象產(chǎn)量的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值Yj間的相關(guān)系數(shù)r：

最后用下式計(jì)算出作物的預(yù)報(bào)產(chǎn)量：

式（14）中：Y預(yù)報(bào)為作物的預(yù)報(bào)產(chǎn)量；Yt為從作物產(chǎn)量分離的農(nóng)業(yè)技術(shù)產(chǎn)量；Yj為作物的氣象產(chǎn)量。

模型對(duì)作物產(chǎn)量的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率用下式計(jì)算：

1.4.3.2 一元二次模型的建立 作物氣象產(chǎn)量Yj與氣候適宜指數(shù)Fj（C）間的一元二次模型（非線性模型）為：

式（16）中，b0、b1、b2為系數(shù)。

先用式（16）計(jì)算出氣象產(chǎn)量的預(yù)測(cè)值，然后計(jì)算作物的預(yù)報(bào)產(chǎn)量和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，計(jì)算公式同式（14）~式（15）。

計(jì)算全省的作物預(yù)報(bào)產(chǎn)量時(shí)，對(duì)13個(gè)市的作物預(yù)報(bào)產(chǎn)量進(jìn)行加權(quán)求和，權(quán)重為各參與計(jì)算的市水稻種植面積占全省水稻種植面積的比例（表2）。

表2 各市水稻種植面積占江蘇全省水稻種植面積的比例

2 結(jié)果與分析

2.1 5種處理方法下趨勢(shì)產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)效果

統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析了線性分離、二次曲線、滑動(dòng)平均（3 a、5 a）及差值百分率等5種處理方法下趨勢(shì)產(chǎn)量預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)效果，結(jié)果如表3所示。除了二次曲線法外，在其他4種處理方法下，水稻實(shí)際氣象產(chǎn)量與模型擬合氣象產(chǎn)量間的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，其中，采用5 a滑動(dòng)平均法的相關(guān)系數(shù)最高，其次是差值百分率法和3 a滑動(dòng)平均法，而采用線性分離法的相關(guān)系數(shù)最低。

表3 不同處理方法下實(shí)際氣象產(chǎn)量與模型擬合氣象產(chǎn)量間的相關(guān)系數(shù)

2.2 基于氣候適宜指數(shù)建立的水稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型

江蘇省長(zhǎng)江以北地區(qū)的水稻一般在5月上旬開(kāi)始播種，蘇南地區(qū)在5月中下旬開(kāi)始播種，均在10月中旬以后收獲。為了達(dá)到動(dòng)態(tài)滾動(dòng)預(yù)報(bào)水稻產(chǎn)量的目的，利用1981─2014年歷年氣候適宜度分別建立了江蘇省13個(gè)市及全省從播種到任意旬的產(chǎn)量氣象預(yù)報(bào)模型。

以7月中旬、8月中旬及9月中旬為例，建立的水稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型見(jiàn)表4。表4中Y7、Y8、Y9分別為7月中旬、8月中旬和9月中旬水稻氣象產(chǎn)量的預(yù)報(bào)值，X1、X2、X3分別為播種至7月上旬、播種至8月上旬、播種至9月上旬的氣候適宜指數(shù)。由表4可見(jiàn)，13個(gè)市的水稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型均通過(guò)了顯著性水平α=0.05、0.01或0.001的檢驗(yàn)。

表4 基于氣候適宜指數(shù)建立的江蘇省13個(gè)市的水稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型

2.3 水稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn)與應(yīng)用

分別對(duì)江蘇省13個(gè)市1981─2014年歷年水稻產(chǎn)量進(jìn)行歷史擬合檢驗(yàn)，結(jié)果表明：13個(gè)市歷年不同起報(bào)時(shí)刻的擬合準(zhǔn)確率最大值為99.99%，最小值為57.27%，平均值為95.05%；準(zhǔn)確率大于或等于95.0%的占62.75%，準(zhǔn)確率為90.0%~94.9%的占25.72%，準(zhǔn)確率為85.0%~89.9%的占7.54%，準(zhǔn)確率為80.0%~84.9%的占2.87%，準(zhǔn)確率為70.0%~79.9%的占1.06%，準(zhǔn)確率小于70.0%的占0.08%。

采用上述方法在2015、2016年的7月中旬、8月中旬和9月中旬分別對(duì)江蘇省各市的水稻產(chǎn)量進(jìn)行了預(yù)報(bào)應(yīng)用。由表5可見(jiàn)，在2 a間的3次預(yù)報(bào)中，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最大值為99.92%，最小值為78.01%，平均值為96.15%；預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率大于或等于95.0%的占71.08%，準(zhǔn)確率在90.0%～94.9%的占24.10%，準(zhǔn)確率小于90.0%的占4.82%；7月中旬、8月中旬和9月中旬開(kāi)始預(yù)報(bào)的平均準(zhǔn)確率分別為96.55%、95.80%和96.11%。

表5 2015和2016年不同時(shí)間對(duì)江蘇省各市水稻產(chǎn)量的預(yù)報(bào)結(jié)果

3 結(jié)論與討論

本文基于江蘇省13個(gè)市水稻的生理特性以及氣候條件，分別構(gòu)建了適于該省各市水稻的溫度、日照、降水適宜度模型，并根據(jù)氣候適宜度與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，確定了氣候適宜指數(shù)，從而建立了基于氣候適宜指數(shù)的江蘇省各市的水稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型。在此基礎(chǔ)上，采用加權(quán)集成方法，構(gòu)建了江蘇省水稻生育期內(nèi)從播種至任意時(shí)段的氣候適宜指數(shù)計(jì)算模型以及水稻產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型。采用5種方法對(duì)水稻的趨勢(shì)產(chǎn)量進(jìn)行處理，根據(jù)不同處理方法下實(shí)際氣象產(chǎn)量與模型擬合氣象產(chǎn)量間的相關(guān)系數(shù)，得出5 a滑動(dòng)平均法的處理效果最好。

利用1981─2014年歷年氣候適宜度分別建立了江蘇省13個(gè)市及全省從播種到任意旬的產(chǎn)量氣象預(yù)報(bào)模型，并對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行了歷史擬合檢驗(yàn)，擬合準(zhǔn)確率最大值為99.99%，最小值為57.27%，平均值為95.05%。用2015及2016年的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了預(yù)報(bào)應(yīng)用，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最大值為99.92%，最小值為78.01%，平均值為96.15%，達(dá)到了業(yè)務(wù)工作中水稻收獲前1個(gè)月準(zhǔn)確率95%以上的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明所構(gòu)建的水稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)效果較好，能夠應(yīng)用于實(shí)際工作中。