農業氣象模式(Agromctcorological model )是為表征農業氣象系統各個複雜過程特徵及變化規律的文字及數學表達式，是農業氣象系統的高度抽象和簡化。
基本介紹
- 中文名：農業氣象模式
- 外文名：Agromctcorological model
- 呈現方式：數學表達式或文字邏輯圖式
定義,意義或作用,分類,研究歷史,研究方法,運用,
定義
農業氣象模式是指農業生產對象與氣象氣候和水文條件相互關係的數學表達式或文字邏輯圖式。前者是根據已知的農業生產與氣象條件的數量關係和各種理論假設，建立的由一些變數和常數組成的數學方程式；後者是由各種文字、符號構成的邏輯框圖。
意義或作用
1、模式可定量表示農業氣象研究中的各種關係，描述農業氣象研究中各個複雜過程特徵，認識和解釋各種農業氣象規律；
2、建立模式有助於進一步判斷研究所缺乏的知識和數據，能激起新的研究思路和方法。
3、建立模式可以縮減不必要的試驗，能更好地利用數據，並可匯集不同的資料和結果得出綜合性的概念。
4、模式可給出內插、外推和預測結果，給人們以決策的依據。
分類
按考慮時間因子的狀態分類
可分為靜態模式和動態模式。
● 靜態模式 
● 動態模式 
式中，y為作為時間t函式的產量；為生育期或所選時段的平均農業氣象條件的特徵值；xi(t)為作為時間函式研究的農業氣象條件的特徵值。
上述兩式的差異主要表現在：
第一式中時間因子間接考慮，且平均值平滑掉了許多有用的信息；
第二式則反映出了不同情況下的不同變化，即考慮了當時作物的基礎和當時（前期）條件以及農業氣象條件的時間變化對作物的影響，物理意義和生物學意義明顯。
因此，農業氣象條件的動態模擬是當前農業氣象模式研究中的主要方向。
按考慮物理和生理機制的程度分類
按考慮物理和生理機制的程度不同，可將農業氣象模式分為：
● 經驗統計模式：套用統計學方法建立的回歸模式。
● 理論統計模式：實質上是統計模式。是在回歸統計模式中更充分地考慮到影響作物生長發育和產量形成的物理和生理機理，屬半理論、半經驗模式。
● 理論模式
主要依據物理學和生物學規律，模擬作物最重要的生命過程如光合作用、呼吸作用、蒸騰作用和營養物質輸送、分配等，由此而確定作物生產系統的生產力水平。概括地說，就是模擬作物群體的能量和物質轉化過程。
研究歷史
中國關於農業氣象模式的研究大致始於70年代，主要集中於作物一天氣模式，特別是天氣一產量模式或農業氣象產量模式的研究。關於產量模式的研究情況已有許多文章作過專題介紹，而且還出版了幾種專著，如劉樹澤的《作物產量預報方法》，王馥棠主編的《我國糧食產量氣象預測預報研究》，張宏名等的《農作物遙感監測與估產》等等。
研究方法
系統分析方法
1、農業氣象系統的特徵
（1）系統和外界環境的複雜性
系統的複雜性主要體現在兩個方面。
一是在系統的中心環節農業群落中，活的組織可分為幾級：生物圈、生物地理群落、有機體、器官、細胞和亞細胞等，其結構的複雜性是顯而易見的。在低等級向高等級過渡時，某些特徵變得比較複雜，而某些特徵又會變得不太複雜和較少變化。
二是系統內的無生命成分即土壤和大氣同樣也有其複雜的內部結構。系統所處的外界環境的複雜性，首先體現在系統是受環境的多因子性（多維性）制約的。
一般而言，外界環境因子對農業群落的作用不是累加的，而是由於其影響的單優勢性、協同作用、拮抗作用、相關性等現象而複雜化。其次是外界環境的很多因子具有活動性，這種特性極端複雜，如時間變化特性等。
（2）系統的非定常性
非定常性是指系統對外界環境條件作用做出反應的性質在時間上的變化。系統的非定常性是由作物的生長發育造成的。在個體發育的過程中，作物對外界環境條件的要求和對外界環境條件影響的反應是呈現規律性變化的。在發育期間，其重要生理過程的基本點不是固定不變的。
作物的生長過程是以下列方式決定著系統的非定常性的：
一是系統內部環境範圍的增大，即上界和下界的延伸。二是生物量（葉片、莖桿、根系）在充滿環境時，環境本身的特性也發生變化。這些變化同樣會改變作物對外界環境條件作用所做出的反應。
（3）系統的慣性
除了日常的氣象條件之外，農業群落生物量的增長是由許多慣性特徵 — 葉面積、根系大小、土壤根層含水量等所決定的。而另一些生物學慣性因素 — 有效分櫱數、每穗小穗數、小穗籽粒數也在很大程度上決定著籽粒的產量水平。
（4）系統的非線性性
決定著作物生產力的所有生物學過程與外界環境因子的關係是非線性的。
（5）系統的適應性
系統的重要特徵是行為的適應性。現代生物學把生物有機體看成是一個開放的自動調節和自我建設的動態系統，對正在變化的情況具有適應性，而且只有生物才具備這種特性。個體發育過程中起作用的調節原則有二。一是按照遺傳因子即發育的內部因子進行發育；二是發育與外界環境狀況相適應，即以外界因子為轉移。
2、系統分析
農業氣象系統是一個複雜的系統。系統的思想就是所說的系統觀點。
主要論點是：一個系統無論如何複雜龐大，總可以細分為一些單位，最後總是由若干簡單的單元（或元素、元件）組成，而這些單元是相互聯繫相互影響的。在研究某一專題時，總有其明確的目標，即系統內各單元之間的關係是為了達到統一的目標而分工合作的關係。
按照系統的思想來分析問題就是系統分析。系統分析不僅要研究清楚系統與環境之間、系統與其它系統之間、系統內部各部分之間定性和定量的關係，並且要用一個適當的表達方式來表示這種關係。這樣處理自有不少方案，而用系統的觀點，可求得一個最佳方案。最後，這個最佳方案拿到實驗中去驗證，檢驗是否達到預期效果。當然，必須注意，最佳方案是辯證的，是在一定時間、地點等具體條件下的產物。
農業氣象模式的建立
1、建立模式的步驟
● 明確建立模式的目的和要解決的問題；
● 收集和整理有關資料和數據；
● 形成概念模式；
● 以構想的函式為基礎，建立具體的模式；
● 形成一個合乎邏輯的算法；
● 核對算法；
● 編程；
● 用系統資料估算必要的參數；
● 調試程式；
● 檢驗模式對各種參數和因素的敏感性；
● 設計並進行模式試驗，檢查其結果；
● 分析實驗數據，驗證模式；
● 用模式解決實際問題。
2、建立模式應考慮的因素
● 輸入變數：與系統內部狀態無關，是作用於系統的外因。
● 輸出變數：是輸入變數對系統狀態變數的作用而產生的。
● 狀態變數：是表示系統特徵狀態變數，能直接引起輸出變數的變化。
● 比率變數：是由各種變數變化所引起的各種反應的比率，比率變數常稱為參數。
運用
科學研究方面
光、熱、水和CO:等天氣氣候條件對農作物光合、呼吸、蒸騰等生長發育和產量形成過程影響的生理機制，是農業氣象學研究的重點內容之一。198。年，美國的H. V.凱倫採用農作物光合、呼吸和蒸騰作用等模式，證明了增加外界空氣中CO2濃度的效應。他通過蘭種不同氣孔控制類型(不加控制的氣孔、氣孔腔內CO2濃度固定不變、氣孔腔內外CO2濃度比率不變)的農業氣象模式進行模擬分析:在同一CO2濃度水平下，日總淨同化量、蒸騰量均以不加控制的氣孔類型最高，氣孔腔內CO2濃度固定不變類型最低;但蒸騰與同化比率則以不加控制的氣孔類型最大，氣孔腔內CO:濃度固定不變類型最小，說明前者同化效率小，後者同化效率大。在不同的CO2濃度水平下，隨著外界空氣中CO2濃度增大，日總淨同化量除氣孔腔內C02濃度固定不變類型保持不變外，其餘兩種類型均相應增大;日總蒸騰量除不加控制類型保持不變外，其餘兩種類型均有所減小;蒸騰與同化比率，三種類型均相應減小，說明同化效率有所提高。因此，採用CO2施肥或大量使用化石肥料，以及把林地墾為耕地或草地，增加大氣中CO2濃度對農作物生長發育和產量形成的影響，完全取決於農作物的氣孔控制類型。
田間試驗方面
當天氣一作物或天氣‘土壤一作物等農業氣象模式被充分證實有效時，就可用來檢驗迄今尚不清楚的農作物生長特性。這方面的套用可以1978年由荷蘭、以色列、秘魯聯合在秘魯南部大草原進行FAPROCAF計畫研製的BACROS模式為例。這項計畫的目的在於研究影響該地區飼料和糧食作物生產力的因素，採用了當地既作為人們口糧、又作為牲畜飼料的玉米作物進行試驗，以確定其在當地水分、養分供應保持最佳水平時的產量潛力。結果表明:田間作物實際生長速率遠遠低於模式給出的最低值。但當試驗的土壤'M河谷地帶擴大到底層為砂質壤土的南美大章京時，模擬分析的可能生長速率是能達到的，因為底層為砂質的壤土促進了作物被}}#}C永分和養分的活力。而這些水分和養分在拔節、抽雄等關鍵發育期是大量需要的。
土地利用方面
為了儘可能有效地利用現有土地，一般都將其分為上、中、下或好、中、差等級來處理。’在這種等級處理中，產量水平是主要變數，它取決於氣候、土壤和作物生理特性等綜合影響。對於不同的技術水平，有關的物質輸入、生產過程中需要的勞動量以及可進行的勞動天數等來說，迄今所作的土地利用分析已經形成了包括每種作物、每個地區、每種開墾程度的產量水平等內容的表格。:·在這些表格和有關田間資料基礎上，就能進行改善農業生產系統和土地合理利用的分析。從生物技術觀點看，可以回答下列問題:
(1)能夠最大限度利用有效勞動的農場規模；
(2)一年當中勞動效率受到限制的時期廠；
(3)最佳的機械數量和輪作制度等。
在聯合國糧農組織的農業生態地帶計畫中，提供了有關土地利用潛力方面的類似分析，其中天氣一作物模式常被用來估算地區範圍的各種農作物產量和各個地區植物群體密度的上限。
栽培管理方面
根據模式，通過計算機計算，可以幫助作出栽培管理的決定。例如原由荷蘭研製、‘目前多數西歐國家都在運用的冬小麥病蟲預報和防治系統EPIPRE模式，包括每塊農田的地點、土壤類型、前茬、本茬播種期、播種密度、當前生長狀況、施肥、噴藥以及經過連續校正的病蟲影響和嚴重程度等基本資料。定期觀測病蟲動態後，及時將觀測結果輸入系統中心的計算機;按照預定的模式程式可以計算出末來病蟲害發生髮展及流行程度、預計減產損失以及防治對策，並列印出來，在4天以內寄到每塊農田主人的手裡，分別不同情況，具體建議:，、
(1)如果預計減產損失將超過防治費用時，則建議積極進行防治，包括選用藥劑種類奮噴灑時間和次數；
(2)一如果田塊處在病蟲發生的邊緣地區，則建議在指定時間內定期為該系統提供病蟲動態變化觀測資料;
(3)如果沒有所預料的危害情況發生，則建議注意抑制病蟲活動。
1982年，英、法和瑞典等國在試驗基礎上，進一步擴展充實了這個系統，把施肥、灌溉等栽培管理措施也包括在內。目前，這種經過擴展充實的農業氣象模式，正指導著以色列的棉花生產，產量較前提高20-30，而成本卻較前降低15-20 % ,.農場主和農民非常滿意。
農作物產量預測方面
農作物產量預測對於各國政府編制國民經濟計畫、指導進出口貿易等均具有十分重要的意義。1975年，H. V.凱倫提供了第一個半乾早條件下自然植被產量模式套用實例。1977年在非洲撒哈拉地區研究計畫的準備階段，D. V.彭寧和B.希姆斯特將撒哈拉地區有關天氣和土壤資料代入上述模式計算，結果獲得了該地區產量潛力的基本印象。在撒哈拉地區的天氣和土壤條件下，其南側延伸部分(年降水量540mm左右)天然牧草乾物質產量潛力可增至每公頃9噸左右，大約相當於地中海天氣條件下年降水量一半的情況。這種差異主要是由於撒哈拉地區夏季強烈的光合有效輻射和高溫低濕，導致蒸騰與乾物質產量的比率，大致比地中海地區高一倍造成的。
1975-198。年在撒哈拉南部邊緣—馬利共和國試驗的結果進一步證實了上述產量潛力預測值的正確性。在直接模擬試驗的基礎上，原來每公頃年產乾物質只有1, 500-3, 000公斤的山地，施用N, P肥以後，只要年降水量>360mm，即可獲得每公頃8, 00。公斤以上的產量，增產2-4倍。
