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1、作物生长模拟模型在我国农业气象 业务中的应用研究进展及思考王石立 ? 马玉平( 中国气象科学研究院, 北京 100081)提? 要: 近年来我国农业气象科研和业务部门紧密结合, 开展了作物生长模拟模型应用于农业气象业务的研究和应用试验工作。基于国外作物生长模拟模型的应用进展以及我国农业气象业务的现状, 简要分析了农业气象业务中应用作物生长模拟模 型的必要性和紧迫性。针对单点理论模型能否在业务中应用的疑惑, 详细讨论了国外引进作物生长模型的本地化和单点理论模型在区域尺度上模拟应用等两个关键问题的重要性和技术方法。重点介绍了近年来我国气象系统农业气象科研和业务部门在推进作物生长模拟模型在农业气象业
2、务应用方面所做的工作, 即基于东北玉米、 华北小麦和江南双季稻生长模型的气象条件影响评价和产量动态预测方法等。最后从 改进完善作物生长模拟模型、 探讨区域模拟应用技术及稳健推进业务应用和实施等方面分析了目前存在和出现的问题, 以及可能的解决途径。关键词: 作物生长模拟模型 ? 农业气象业务? 应用The Progress in Application of Crop Growth Simulation Models to Agro?meteorological Services in ChinaWang Shili? Ma Yuping( Chinese Academy of meteorol
3、ogical Sciences, Beijing 100081)Abstract: The research and application of crop growth simulation models in agro?meteorologicalservices were carried out in recent years in China. The necessity of applying crop growth simula? tion models to agro?meteorological services was analyzed on the basis of rev
4、iewing application ofcrop growth simulation models around the world and the state of agro?meteorological services inChina. The methodology of localization research of foreign models and the approach of application? 中国气象局 2007 年多轨道业务建设项目? 中国农业气象灾害监测预警系统建设?和国家科技支撑计划课题? 农业重大气象灾害监测预警与调控技术研究?之? 北方农业干旱监测预
5、警技术研究?课题( 2006BAD04B01) 资助收稿日期: 2008 年 1月 17 日; ? 修定稿日期: 2008 年 3 月 18 日第 34卷, 第 6 期 2 0 0 8 年 6 月? ? ? ? ?气 ? ? 象 METEOROLOGICAL MONTHLY? ? ?Vol. 34? No. 6 ? ? ? June, 2008of model from single site to regional scale were discussed. It is focused on the progress in applica?tion of crop growth simula
6、tion models to agro?meteorological services in China, and effect assess?ment of meteorological condition on crops growth and dynamic forecasting of crop yield by using maize growth modal in North?East China, wheat growth model in North China and double crop?ping rice model in the middle Yangtze Rive
7、r valley. Finally, the existing problems and possibleresolution in applying crop growth simulation models were proposed from mechanism improve?ment, regional scale application, as well as operational implement. Key Words: crop growth simulation models? agro?meteorological services? application引? 言作物
8、生长动力模拟模型从系统科学的观 点出发, 遵循农业生态系统物质平衡和能量 守恒原理及物质能量转换原理, 以光、 温、 水、 土壤等条件为环境驱动变量, 运用数学物理 方法和计算机技术, 对作物生育期内光合、 呼 吸、 蒸腾等重要生理生态过程及其与气象、 土壤等环境条件的关系进行逐日动态数值模 拟, 再现农作物生长发育及产量形成过程。 它综合考虑大气、 土壤、 作物遗传特性和田间 管理等因素对作物生产的影响, 克服了传统 的作物- 天气统计模型的缺点, 是一种面向 生育过程, 机理性很强的数值模拟模型。 1990 年代以后, 随着需求的加大和技术的发 展, 作物生长模拟模型在世界各地得到了广 泛
9、应用。模型研究人员在机理性和应用性并 重、 作物模型与其他学科模型结合、 模拟技术 与其他信息技术相结合等方面做了很多工 作1?2。作为一种工具, 作物生长模拟模型在区域和全球尺度上的环境、 资源、 可持续发 展以及气候变化影响、 作物生长监测、 产量预 测、 农业生产决策管理等方面发挥着重要作 用3。欧盟各国已将 WOFOST 模型成功应 用于作物生长监测和农业产量预测等日常业 务4。自 1990 年代初作物模拟技术引入我国以来, 相关领域和相关部门的众多学者对 作物生长模拟模型进行了大量深入细致的研 究, 并在气候变化影响评估、 作物栽培模拟优化决策、 农业管理决策支持系统、 精准农业和
10、农业气象服务系统等方面积极开展了推广应 用, 取得了许多有意义的成果5 ?12。 ? ? 近年来我国农业气象服务业务的科技含 量有所提高, 一些科研成果陆续应用于农作物生长气象条件评价和产量预测业务。利用 农业气象指标进行作物气候年景评价 13; 考 虑农业气象灾害的作物敏感性、 气候脆弱性 和灾害影响权重因素的农作物产量灾害损失业务评估 14; 选取作物生长期内逐旬气温、 降水和日照时数资料, 运用综合聚类方法动 态预测产量15 ?16等均已投入实际业务。 ? ? 但是, 我国是农业大国, 国家粮食安全始终是我国经济发展与社会和谐面临的重大问 题, 气候变化引发的极端气候事件频繁发生 直接影
11、响着农业可持续发展。政府和公众对 及时准确的农业气象条件评价、 灾害损失评 估及产量动态预测的需求十分迫切。但是, 目前我国农业气象服务业务中对农作物生长 气象条件评价的科学定量程度和动态跟踪能 力还很不够, 已有的一些气象影响评价模型多以统计手段为主, 亟待进一步改进; 产量预 测仍然沿用传统的统计预测模型, 机理性不 足, 而且存在统计模型固有的拟合较好, 外推 效果较差的局限性。业务服务人员已经深感 产量预报模型有待于机理化和动态化 17。 因此, 积极引进国外先进的作物生长数值模拟技术, 在传统统计方法的基础上, 逐步发展 可在业务中应用的机理性较强的新一代农业 气象数值模拟模型, 增
12、强农业气象服务能力,4? ? ? ? ? ? ? ? ? 气? 象? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 第 34 卷?已成为我国农业气象业务发展的必然趋势。1? 区域尺度应用作物模拟模型需要解决的 关键科学技术问题? ? 由于作物生长模拟模型复杂, 一些参数 需要从田间试验数据中获取, 加之模拟结果 与作物生长实况尚有一定出入, 因此常常被 认为只是供研究使用的单点理论模型。近年 来的研究实践表明, 只要设法解决国外引进 生长模型的本地化和单点试验研制的作物模 型在区域尺度上的应用等关键问题, 作物模 型是有可能逐步应用于农业气象服务业务 的。1?1? 国外引进作物生长模型的本地
13、化目前国际上的作物生长模拟模型很多, 大体上可分为荷兰 Wageningen 大学系列模 型、 美国 CERES 系列模型、 澳大利亚 APSIM 模型以及俄罗斯作物生长模型等几个类型。 但不管引进使用哪一类模型, 在使用这些模 型前, 首先要用本地实测资料对模型中的一 些重要参数( 如遗传参数、 土壤参数等) 进行 调试或校准, 然后再用另一批数据进行检验, 以保证得到较好的模拟结果。这些工作对于 界面友好、 具备参数优化功能的作物模型都 是比较容易的。目前一些做法就是以少数试 验数据得到的参数大致取值范围, 利用模型 或自己开发的优化程序, 在此范围内反复调 试参数, 直至模拟的发育期和生
14、物量数值与 观测值的误差在给定的允许误差范围内, 最 终得到比较合理的参数。然而, 对于真正的 模式研究和应用来说, 只做到这一步显然是 不够的。因为各种模型描述的作物生长过 程、 遗传特性以及各地的生态气候类型不尽 相同, 直接用于我国农业气候条件下的农作 物品种时, 往往会出现偏差。况且有些参数 调试过程只是纯数学意义上的多变量优化算 法。如果只利用有限地点、 有限年份的观测 资料单纯调试参数, 就有可能出现部分变量模拟效果较好, 但其生物学意义或科学意义 有纰漏的现象。因此应当熟悉掌握作物模型 的结构内容, 利用详尽的作物田间试验观测 数据对一些参数进行校准, 对一些过程或模 块进行适应
15、性修改。例如荷兰 WOFOST 小 麦模型主要针对欧洲小麦的品种生态类型, 对于冬季生长过程的处理仅以夜间最低温度 7日滑动平均值低于 0? 表示不再有同化物 生成。但是我国季风气候明显, 华北冬季严 寒, 冬小麦生育期间存在较长的越冬休眠期。 直接使用该阈值模拟的小麦停止生长和返青 日期 与 实 际 观 测 相 差 很 大。因 此, 对 WOFOST 模型本地化的研究从华北冬小麦 停止生长和返青期气象指标( 日平均气温) 入 手, 确定华北不同地区日平均气温与最低温 度的对应关系, 以计算得到的各地停止生长 和返青期最低温度作为 WOFOST 模型判断 越冬开始和终止的指标, 就有可能较好地
16、解 决直接应用 WOFOST 模型模拟发育进程误 差太大的问题 18。1?2? 作物生长模型的区域尺度应用技术鉴于环境变量( 如天气、 土壤) 和管理变 量的非均匀性, 在将假设环境均匀的单点、 田 块或小区水平的作物生长动力模型应用于更 大空间尺度和更高级系统水平时, 面临的最 大问题是升尺度连接( scaling?up) 。 ( 1) 基于单点参数和模型模拟结果的作 物模型区域应用 除了实验室测定, 不随时间地点品种而 变的生理性参数外, 作物生长模拟模型中有 些参数随作物发育期而变, 因品种、 地区而 异, 使用模式时需要根据实际情况加以确定。 值得提出的是, 有些研究选择研究区域 内有一定代表性的较多数量的站点, 在获得 单点参数的基础上运行作物模型, 给出站点 模拟结果, 或者再利用地理信息系统对离散 点的模拟结果进行插值得到空间格点分 布 19。也有研究考虑到模型应用对象的需 要, 分别用不同地点的实际产量序列对由田5?第 6 期? ? ? ? ? 王石立等: 作物生长模拟模型在我国农业气象业务中
