农业气候资源的评估方法

第四节　农业气候资源的评估方法

一、气候资源的评估方法

气候资源是最重要的农业资源之一,它既是农业生产发展的基本条件,也是发展的制约因素。由于气候不断变化和市场经济的发展,针对农业需要动态地评估气候资源的有效性及其利用风险,对区域农业可持续发展有重要意义。

（一）单指标评价方法

气候资源评估最早主要以单个气候要素的数量大小、出现时间早晚、出现日数等来评价一个地区气候资源和灾害状况及对农业生产对象和过程的满足程度,有的采用平均值,有的情况下要考虑它们出现的概率或保证率。如年、季、月或其他时间尺度的平均或极端温度、积温、降水量、日照时数,以及界限温度起止或其他天气现象出现的日期等,在进行一般描述时多采用平均值。但在考虑农业生产对象的安全性时,通常需要考虑80%以上的保证率,如作物生长期所需积温、旱作农业所需降水量、水稻安全齐穗期等。单指标评价着重考虑关键因子、关键时期和气候保证率,简便易用,但只能反映某一方面的情形,实际应用时常需采用多个单指标或结合综合指标进行评价。

（二）综合指标评价方法

综合指标评估方法是指采用两个或者两个以上气候要素，计算出综合指标来评价气候状况。在所需评价的对象不能由单因素确定时就要用到综合指标评价方法。例如对风能的评估中包括平均风速、风功率密度、风切变指数和最大风速等指标；风速随高度变化在近地层中有显著的变化,变化原因是动力因素和热力因素,假设大气层皆为中性时,乱流将完全依靠动力原因来发展,这时风速随高度变化服从普朗特经验公式,经推导后可以得出幂定律公式：

式中:Z1、Zn：分别为测内塔不同高度；

Vn-Zn：高度处风速；

V1-Z1：高度处风速；

α—风切变指数，",根据风电场测风塔各高度的测风资料,求解可得,遵循以上指数曲线规.通过上述公式的计算可以得出各高度的风切变指数。最大风速可以有以下公式求出：

公式中Vn-max表示n年中遇到的最大风速；

u-分布位置参数；

α-分布尺度参数。

通过上述指标的计算就能对风能进行评估。

（三）基于地理信息系统和遥感的区域评估方法

地理信息系统（GIS）是指在计算机软硬件支持下的一种对空间数据及其属性特征进行贮存、操作、分析及辅助决策的计算机系统,它集成了数据管理、地理分析和制图等多种方法。区域内不同地点的气候数据包含空间和属性两种特征,可以用地理信息系统（GIS）方法来表达和处理。地理信息系统（GIS）可与多种内插计算方法结合进行分析和表达，也可与小网格方法相结合,利用地理特征与区域附近气候要素的关系对缺值区气候要素值进行估算和表达。根据地球对电磁波谱和光谱的反应原理,应用遥感技术及与其相应的散射系数法、表观热惯量法、绿度指数法等对地表温湿度、地面植被覆盖、冰雪和其他地表状况进行监测和反演,也能为缺少气象观测资料的地方进行气候资源评估提供依据。遥感与地理信息系统结合在一起,可以使二者优势互补,即遥感可作为GIS数据采集的一个工具,通过GIS采集有关数据可作为遥感信息模型构建和检验的辅助数据,共同参与建立区域资源监测与评价模型。因为缺少气象观测站点,采用等值线有时又难以反映实际情况,所以采用考虑地理位置和高度的GIS支持下的小网格法，并结合遥感和实地考察,能更好地对区域的气候资源进行评估。

（四）基于模型的评估方法

农业生产系统模型是指农业生产系统或作物生长发育过程的简化与计算机程序的表达,根据气候、土壤、作物类型或品种和管理措施等数据的输入,模拟作物生长发育或农田生产过程,得到作物生长发育和农田产量的结果。在土壤、作物和管理措施相同的条件下，可评价气候条件对作物生产的影响,可模拟不同作物品种和管理措施对相同气候的适应性,从而确定最优的作物品种和与之最相配置的管理措施。美国曾用DSSAT模型来评估气候变化对北美农业生产的影响,提出改变玉米种植品种、播种期和密度等与当地环境相适应得对策。目前DSSAT模型已经能对包含玉米、小麦、水稻、大麦、高梁、谷子、大豆、花生、干菜豆、木薯、马铃薯、鹰嘴豆、西红柿、向日葵和甘蔗等作物的生产进行评估。此外，许多国家均已研究了许多其他有针对性的作物模型，用来对作物的生产进行评估。作物模型可用于综合评估某地区特殊气候条件下的种植制度是否适宜、水分需足程度和产量水平高低，通过多次模拟还可获得利用气候资源的优化管理措施配置对策。例如，对热量资源的评估中，由于地形复杂和环境的不同,常规方法已不能客观、真实地反映某一地区气候资源分布状况，收集到的热量资源属性数据也不能直接反映该地区的气候资源分布状况，所以需要建立一套空间分析模型。如：

通常热量的气候学方程为：

T′=T(h,λ,φ)

式中:h为海拔高度；

λ为经度；

φ为纬度。

一般可简单表述为多元一次回归方程：

T′=b0+b1 h+b2λ+b3φ

式中:b0为常数项；

b1，b2，b3为回归系数。

鉴于所分析的气候要素特征和区域特点,首先采用单相关分析方法,对经纬度、海拔高度与热量指标进行相关分析,然后确定建模因子,最后,用前面所建立的热量资源数据库,借助EXCEL中的线性回归函数,构建各热量指标与地理参数的关系模型。通过模型可以对该地区的热量资源进行评估。

（五）聚类分析法

用数学方法确定各地之间气候资源的亲属关系，再按亲属程度分型划分，得出能反映各地气候资源亲属程度的分类系统。该方法研究对象是由m中气候资源来描述的“地点”。衡量指标有距离系数、相似系数、两向量夹角余弦等，最常用的是距离系数：

式中：d_ij为两地距离系数；

X_ij为i地的第k中气候资源；

同理X_jk，m为气候资源个数；

指数q=1称为绝对距离系数；

q=2称为欧氏距离系数。

d愈小，表示两地的气候资源愈相似；d为零，则两地气候资源完全相同。

二、农业气候资源的评估方法

农业气候资源既是气候资源，又属于农业资源，因此，农业气候资源的评估方法与农业资源和气候资源的评估方法，既有相同之处，也有自己的特色。

（一）统计分析法

统计分析一地的气候资源，涉及的内容广泛，要用的资源很多。但原始的气象、气候和农业资料，只能通过统计分析，才能变成农业气候资源资料，只有通过统计分析农、林、牧业生产的有关特征量及其相应的气候资源量值，才能阐明各地农业气候资源的丰富程度和时空分布规律。一般统计的内容如下：

1.农业气候资源各要素的年、月、日的平均量和总量

如年、月、日平均气温、地温、相对湿度、绝对湿度、有效风能以及太阳总辐射、直接辐射、日照数量、降水量等。

2.生长季农业界限温度持续日数及其间光、热、水资源的总量

如日平均气温≥0、5、10、15℃的间隔日数及其间的总辐射、直接辐射、散射辐射、光和有效辐射等。

3.光、热、水等资源的距平，极差、标准差、保证率等

它们反映农业气候资源的年内和年级变化，包括其极致出现对农业气候资源的影响。

4.采用等值线图法、曲线图法、直方图法及模式图法等手段，形象地反映农业气候资源的地理、时空分布及其相互间的关系。

5.随着数理统计方法不断向气候向气候领域扩展，相关分析、回归分析、正交多项式分析、模糊聚类分析、主成分分析等方法在农业气候资源评估中得到广泛的应用。

（二）计算模拟法

我国模拟评估研究还比较少，多处于定性统计阶段，也有重复的问题，信息化和定量化程度都不高。因此，引进和开展作物模拟评估研究，充分利用先进的计算机技术，将对我国的农业试验和生产产生重大影响。

气候变化对生态系统和农业影响的模式研究与农业气候资源的关系密切，在把气候模式与作物模式联系起来的过程中，首先要得到许多台站多年地面气候变量资料和作物生长资料。用这些资料作为模式的输入参数，根据单站的多年的生长季资料，由作物模式计算出产量分布。这种分布代表着由正常的天气气候变率引起的作物产量变化。把这套资料做适当的时空平均，所取的时空尺度要相当于大气环流控制模式输出量所代表的尺度，以此作为实验大气环流实验是否可靠的标准，确定大气环流模拟的好坏程度和扰动影响的能力。再把扰动的大气环流模拟结果和原始的站点资料送入转换函数，根据事先确定的规则，把大气环流模拟计算出的时间平均网格点的扰动值转换为单站的气候资料。如果在上下限之内，就可以根据这些扰动资料用作物模式来计算出第二种产量分布。由这两套基本的产量分布资料，就可以推论出气候变化对农业生产的影响，根据其影响采取合理的措施有效地利用农业气候资源。

（三）地理比较法

我国地域辽阔，地形复杂，气象观测站网点少，靠气象观测站获得的资料有限，理论计算也由于缺乏基础资料难以进行。为了满足农、林、牧生产发展的需要，在广泛开展调查的基础上，可以通过地理比较的方法，直接或者间接获取有关农业气候的资料。

植物是一面镜子，在没有气候资料的地方，通过比较植物的生态环境、种类、数量、生长发育以及物候期的早晚等，亦可以大致确定两地农业气候资源环境的相似程度。在此基础上，由一地的农业气候资源数量便可推测另一地的气候资源数量。

我国丘陵山地面积大，气象台站数量少，且代表性不够，用地理比较发来确定空白地区农业气候资源的相似性和差异性，今后亦将是一种常用的方法。