随机天气发生器的可视化编程及其将来在农业生态学上的应用

 在实验室 (IPMist)多年来对天气模拟模型研究工作的基础上 ,又进行了天气发生器的可视化编程研究。本研究采用马尔可夫链、蒙特卡罗、波谱分析和弱平稳过程理论等方法 ,利用北京市地面气象站 4 0年的观测数据 ,以matlab6 .0作为开发工具 ,产生了常用的天气数据。其中包括 ,逐日最高温度、最低温度、降水量和太阳辐射量。使模拟的各功能参数实现了可视化编程 ,称之为可视化随机天气发生器 (visualprogrammingofstochasticweathergenerator ,VS WGEN)。同时又增加了 2 0个模型参数 ,使其对天气数据的模拟更为准确。天气模拟模型无论是在硬件方面 ,如控制人工气候室或温室等 ,还是在软件方面 ,如有害生物测报、管理和风险分析等都有着广阔的实用前景 ,对生态学理论研究和应用研究也是非常有用的工具。     

Software for estimating reference evapotranspiration using limited weather data

The FAO-56 Penman-Monteith combination equation (FAO-56 PM) has been recommended as the standard equation for estimating reference evapotranspiration (ET₀). The FAO-56 PM equation requires the numerous weather data that are not available in the most of the stations. The main goal of this paper is to present the software for estimating reference evapotranspiration, focusing on the feature of using limited weather data. This is simple Windows-based and user-friendly software provides methods to estimate extra-terrestrial radiation, maximum sunshine hours, daily net radiation and daily/monthly ET₀. The program is written in C# and includes comprehensive technical documentation. The software is available for free download.The weather data for this study were obtained from CIMIS for Davis weather station. The reduced-set FAO-56 PM approaches and adjusted Hargreaves equation were compared to the full-set FAO-56 PM equation. The FAO-56 reduced-set PM ET₀ estimates were in closest agreement with FAO-56 full-set PM ET₀ estimates. The adjusted Hargreaves equation (AHARG) was found to be in very good agreement with the full-set FAO-56 PM. This program is the first software facilitating calculation of ET₀ only with air temperature parameter.     

害虫种群动态的蝴蝶突变模型与分析

【目的】利用蝴蝶突变模型的性质分析害虫种群数量发生突变的条件和机理。【方法】在已有的害虫种群动态模型基础上添加农药影响因素,建立受天敌、气象环境因素、农药及植被状况影响的害虫种群动态蝴蝶突变模型,并对蝴蝶突变分歧点集所分各个控制区域的系统势函数和平衡点情况进行分析。【结果】建立了害虫种群动态的蝴蝶突变模型,并利用蝴蝶突变的性质描述了害虫种群数量变化中的突跳和滞后等现象,解释了害虫种群动态的蝴蝶突变特征。【结论】害虫种群动态蝴蝶突变模型可用于解释昆虫种群动态的蝴蝶突变特征。     

作物模拟中的常年气候数据生成子系统

以前人工作为基础，建立了常年逐日气温（包括平均，极端最高和最低气温），日照时数，降雨量，太阳辐射等气象要素的生成模型。并对降雨量和太阳辐射模型进行了改进，取得满意效果。采用VB6.0作为系统开发工具，研制成基于Windows操作平台的作物模拟中的常年气候数据生成了系统，利用南京40年和郑州30年的历史气候资料，分别对该系统进行检验。模拟值与实际情况相符，相关系数分别为0.93和0.89。     

小麦多病害综合防治中品种布局决策模型(VDDM)的研究

在国内已有的两个模拟模型 TXLX,SIMYR 的基础上,组建了小麦条锈病流行模拟模型 YRESM。此模型由三个子模型组成:寄主生长子模型,条锈病流行子模型和化学防治子模型。在寄主生长子模型中包括两个模块,叶片生长模块和产量形成模块。在条诱病流行子模型中,流行过程由侵染、潜育、病斑扩展和产孢完成。在化学防治子模型中,化防效果分别反应在降低各流行组份的速率上。模型分别用荷兰和北京两地系统观察资料做了合理性检验。文中在模型结构每一要点上,对 YRESM 和 TXLX,SIMYR 作了扼要比较,并就模型进一步向通用性(用于多病害模拟)发展,以及在决策支持系统中的作用做了讨沦。     

Time series analysis of soybean response to varying atmospheric conditions for precision agriculture

Four time-lapse cameras, Bushnell Nature View HD Camera (Bushnell, Overland Park, KS, USA) were installed in a soybean field to track the response of soybean plants to changing weather conditions. The purpose was to confirm if visible spectroscopy can provide useful data for tracking the condition of crops and, if so, whether game and trail time-lapse cameras can serve as reliable crop sensing and monitoring devices. Using the installed cameras, images were taken at 30-min intervals between July 22 and August 1, 2015. Using the RGBExcel software application developed in-house, image data from the R (red), G (green), and B (blue) bands were exported to Microsoft Excel for further processing and analysis. Daytime adjusted green red index data for the plant, based on the R and G data, were plotted against time of image acquisition and also regressed with selected weather parameters. The former showed a rise-and-fall trend with daily peaks around 13:00, while the latter showed a decreasing order of correlation with weather variables as follows: log of solar radiation?>?log of soil surface temperature?>?log of air temperature?>?log of soil temperature at 50-mm depth?>?log of relative humidity. Despite some low correlations, the potential for using game and trail cameras with time-lapse capability to track changes in crop vegetation response under varying conditions is established. The resulting data can be used to develop models that can aid precision agriculture applications. This can be further explored in future studies.     

基于WebGIS的水稻害虫自动预警系统

针对当前水稻害虫防治决策人为因素影响大、时效性差的状况,应用网络平台,结合公共气象信息,开发应用于生产的水稻害虫自动预警系统。系统包括基于积温函数的害虫发育模拟系统,能自动根据天气预报值预警多种害虫的发生期,并据此给用户提供参考;实时的气象信息包括气温和湿度等可随时提醒用户当前气候条件对害虫发生的适宜度,辅助用户决策害虫的发生趋势;基于WebGIS的病虫信息展示预警可提供宏观大范围的决策,纠正害虫防治决策中的工作失误。2012年该系统在江苏省范围内成功进行了灰飞虱、白背飞虱、褐飞虱和纵卷叶螟等害虫综合防治的决策,取得了明显的效果。系统基于Apache＋ PHP＋ MySQL＋ MapServer 架构,操作简单,实用性强,为病虫信息的信息化、标准化管理、精准化防治提供了技术支撑,为病虫预警决策提供了可靠的工具。     

浙江塘栖枇杷黄毛虫种群数量特征及预测模型

采用灯下诱蛾和田间幼虫系统调查相结合的方法,研究枇杷黄毛虫Melanographia flexilineata种群数量特征和消长动态,并建立其发生趋势预测模型。结果表明:2008-2013年灯下诱蛾越冬代成虫始见期在4月中旬至下旬(4月14日至29日),其中2010-2012年相对较迟,峰期持续时间、蛾量受当年气候等条件的影响呈相应的变化,2008年和2011年为最高峰期虫量,2013年明显低于历年同期;田间幼虫发生量也呈现出相似的趋势,年度间均以第2代幼虫危害最重,峰期主要出现在6月下旬,少数年份推迟至7月上旬,第4代灯下成虫与田间幼虫量均下降较快。在此基础上,以枇杷黄毛虫的田间系统监测资料及气温、相对湿度、降水量等气象因素作为预测因子,采用逐步回归分析法,筛选出了具有显著回归影响的24个因子进入回归模型,建立了第1代至第3代枇杷黄毛虫发生期和发生量预测模型,其中影响枇杷黄毛虫种群数量消长的关键因子为种群基数和降水量、气温和相对湿度。经检验,各代次发生期、发生量预测模型均达到99分以上的历史符合率和预测准确度,模型拟合值与实测值相符,能准确地预测出其发生量和发生高峰期。     

2010年3月成都一次寒潮天气过程分析

[目的]分析2010年3月成都一次寒潮天气过程。[方法]利用NECP 1°×1°的6 h分析资料和常规观测等资料,应用天气学分析和诊断方法,从前期环流背景、冷空气路径和预报着眼点等方面,对2010年3月21-24日成都地区出现的一次寒潮天气过程进行了分析。[结果]500高空冷槽、700-850 hPa低层切变、地面冷锋是此次寒潮主要影响系统;500 hPa巴尔克什湖至贝加尔湖为一脊区,过程前期受高压脊影响,前期增温明显,日平均气温较高;地面冷高压范围大,中心强度达1 043.0 hPa;冷空气强而深厚,与地面强降温中心相对应;冷空气从新疆经河套到陕甘的西风路径再折向沿东北回流路径进入四川盆地。巴尔克什湖至贝加尔湖强偏北气流、地面冷高压中心强度变化情况、南北海压差和温差、850 hPa温度变化、冷平流移动路径以及强度等可作为预报寒潮强度的参考因子。[结论]该研究为提高对寒潮天气的预报能力提供理论依据。     

慈溪地区日光温室气温变化规律

为了探讨冬春季日光温室内气温的变化规律,合理调控日光温室气温,提高作物产量与品质,利用浙江省慈溪市气象局设施农业基地的标准塑料日光温室内外气温对比观测试验数据,对不同天气类型下温室内外气温变化规律进行分析。结果表明：（1）慈溪地区日光温室室内日平均气温均高于室外,温室内外气温总体变化趋势一致,温室内外气温差的日变化主要受太阳辐射影响;（2）室内气温不同天气类型日变化均呈“单峰”型,白天气温变化速度总体表现为：晴天＞多云＞阴天＞雨天,夜间各天气类型气温变化均较平稳;（3）不同天气类型下室内外气温的关系显著,两者相关性表现为：雨天>阴天>多云>晴天。     

气象要素(气温、太阳辐射、风速和相对湿度) 日变化进程的数理模拟

在建立植物生态生理模型（如光合作用、蒸腾作用数理模型）的过程中，气温、太阳辐射、风速、相对湿度等气象要素的日变化及瞬时资料是必不可少的。本文根据常规台站的日常观测资料，建立了气温、太阳辐射、风速、相对湿度等气象要素日变化的数理模型。并应用实测资料对所建模型进行了验证。实验表明：（1）描述气温日变化的正弦－指数模型通常其模拟结果不甚理想，但通过引用最高温度的时间延迟参数及惯性系数，可增加模拟结果的准确性。（2）根据日平均风速资料，应用两条正弦曲线模型可模拟的日变化及瞬时值，并可根据具体地点，确定日最小风速及两条正弦曲线的起至时间。（3）根据测量的太阳辐射日总量值以及太阳高度的日变化值等，可准确地模拟太阳辐射的日变化;(2)根据日平均风速资料，应用两条正弦曲线模型可模拟的日变化及瞬时值，并可根据具体地点，确定日最小风速及两条正弦曲线的起至时间.(3)根据测量的太阳辐射日总量值以及太阳高度的日变化值等，可准确地模拟太阳辐射的日变化；（4）根据露点温度和气温常规资料可准确模拟相对湿度的日变化。如果区域参数已知或被正常估计，上述方法可得到较为理想的气象要素日变化的模拟结果。     

四会市低温与霜冻气候变化特征分析

利用1961—2010年四会市气象观测站50年逐日观测资料,对四会市出现低温和霜冻的日数、年、月变化及其强度、初、终日期进行统计分析,并对出现低温、霜冻天气的前期气象要素的变化进行浅析,找出单站气象要素与出现低温、霜冻天气之间的联系。     

1971-2018年迁西县气温变化特征

利用迁西县1971-2018年逐日气象数据以及趋势分析、突变检验等统计方法,分析了该区域气温的变化,结果表明：迁西县气温呈升高的趋势,年变化幅度略小于全省平均水平；气温的年代际变化在1990年代达到最大之后除春季外又有所回落,但变化幅度不大；迁西县的气温在上世纪80年代至90年代存在时间序列的突变过程,其中年气温、春季气温、冬季气温在上世纪突变上升趋势明显。该研究可以为当地合理利用热能资源提供理论参考。     

区域气候模型数据修订方法及其在作物模拟中的应用

【目的】建立一种修订区域气候模型所生成数据的方法,为作物模型在未来气候情景下的应用研究提供技术支持。【方法】 选取徐州、淮安、郑州、潍坊、石家庄5个生态点,利用各地点1960—1993年的历史气象数据,对区域气候模型RegCM3所生成的1994—2010年降雨频率、逐日降雨量、太阳辐射、最高气温、最低气温等气象要素进行修订。【结果】与修订前的RegCM3数据相比,修订后的RegCM3月平均降雨量、温度、太阳辐射等气象要素与实际观测数据更加一致;修订后5个生态点1994—2010年的逐月降雨量、温度、太阳辐射等气象要素参数以及逐日降雨量、温度、太阳辐射等数据的概率分布,与实际观测数据更加吻合,尤其是RegCM3生成数据中的极端高温和高频率降水得到了较好的修正,反映降雨频率的连续干旱天数与实测数据也更趋一致。基于修订后RegCM3逐日气象数据在5个生态点的WheatGrow模型模拟产量与实测产量之间的决定系数和标准根均方差分别达0.72和10.5%,比修订前分别增加了0.35、降低8.2%左右。【结论】采用本研究所构建的方法来修订RegCM3生成的未来气象数据,并将修订后的气象数据输入作物模型,可以提高未来情景下作物模型预测的可靠性。     

四会市近56年气温变化特征分析

利用四会市地面气象观测站1960—2015年逐日气温资料,采用数理统计方法,分析平均气温以及各种气温极值、极端气候事件的变化特征。结果表明,近56年四会市年平均气温总体呈上升趋势,气候倾向率为0.013℃/a;20世纪60—80年代气温较低,90年代后气温明显上升,近10年气温上升剧烈;各季、各月平均气温均呈上升趋势。极端最高气温、极端最低气温增温趋势显著;高温天气日数在逐年增多,低温天气日数在逐年减少。     

影响阿拉善地区沙尘暴特征的气象因素分析

本文以内蒙古阿拉善盟范围内的巴彦浩特、拐子湖等9个气象台站1961年~2004年的沙尘暴逐次统计数据和气象资料为依据,利用Excel和SAS数据处理软件,采用线性趋势估计、相关分析、多元回归等方法,对大风、降水、气温等主要气象因子与沙尘暴发生的次数和强度的关系进行了系统研究,结果表明阿拉善地区沙尘暴发生的日数与大风日数呈显著正相关;沙尘暴日数与年降水量呈显著负相关;沙尘暴发生日数与气温相关性最弱,呈负相关。     

葫芦河流域百公里西芹产业带气候条件聚类分析

应用宁夏西吉县国家基本站1981～2010年气候资料,对葫芦河流域3个区域自动气象站近年作物生长期气象资料进行回归分析后,对西芹产业带气候条件用SPSS进行分层聚类分析。结果表明,葫芦河流域西芹产业带划分为2个种植区:偏南部兴隆-硝河暖热多雨早熟区、偏北部吉强-新营温冷少雨晚熟区,4个亚区:兴隆暖热早产、硝河暖温偏早产、吉强冷温中产、新营冷凉晚产;每个种植亚区按气候层次结合生育期观测再聚类划分为积温播种期、低温出苗期、外叶适温生长期、心叶高温生长期、适时收获期5个不同阶段。这些工作,对市场经济条件下西芹覆膜压沙种植采取不同播期、水肥方案、病虫害防治、上市时间等具有参考价值。     

安康地区森林火险天气预测预报研究

安康地区森林火险程度不仅受当日14时气温、相对湿度、降雨、风速、24h蒸发量等气象要素控制,而且与前期的温度、相对湿度、降雨及风速均值有关;研究还考虑了季节变化和地面积雪对森林火险的影响。经综合分析,利用true BASIC编写了回归计算程序,得出了3种不同的预报模型。经历史资料检验表明,建立的预报模型适合于安康地区的特点,提出的火险级和预防对策可供生产上采用。     

山地环境日气温PRISM空间插值研究

山地环境气象因子空间分布是生态环境过程模拟的基础,对于提高生态环境保护管理水平具有重要意义。本文基于坡面回归插值模型(PRISM)原理,综合考虑海拔、坡向等影响因子,设计开发了山地日气温插值模型。以北京西部山地自动气象站数据与DEM数据为基础,采用交叉验证法对该模型插值有效性进行检验,并与常用的反距离权重(IDW)插值、克里金(Kriging)插值、样条(Spline)函数插值的结果进行比较。研究表明,无论日平均气温,还是日最高气温、日最低气温,本文提出的插值模型的预测结果均优于其他方法。      

不同天气条件下日光温室内温度和相对湿度的变化特征

在春季的4-6月份和秋季的9-11月份,运用ZDR-20型自记仪,对日光温室内外的温度和湿度进行连续的观察记录和分析研究。结果表明,不同的天气条件下,温室内外的温度和湿度的日变化趋势比较一致。晴天时,温室内外温度和相对湿度的差异最大,昙天次之,阴雨天最小。运用数理统计分析得知,不同天气条件下,温室内外的日平均气温、最高气温、最低气温和日平均相对湿度具有显著的相关性。