黑龙江省玉米春播期10cm地温预测

时间：2024-05-24

闫平季生太纪仰慧曲辉辉于瑛楠王铭初征

摘要：玉米是黑龍江省第一大作物，因热量资源的限制，抢前抓早播种是玉米高产的重要措施，而研究玉米地温预测方法，进而预测玉米适宜播种期，可以指导大田玉米科学早播，为玉米安全生产提供保障。利用2007—2017年黑龙江省80个气象观测站气温、地温、风速预报资料，采用多元回归分析方法，构建玉米春播期10 cm地温逐日预测模型，并开发了玉米春播期日平均10 cm地温预报系统。利用2007—2012年观测数据及预报数据开展回代检验，利用2018—2020年观测数据及预报数据开展大田应用检验。结果表明：该系统预测的当日地温、未来1日地温、未来2日地温预报效果较好，虽然未来3日预报效果略差，但是预报升降温趋势准确。根据预测模型开发的地温预报系统，操作简单，预报结果以图形和表格2种方式存储，应用直观方便，能够满足业务服务需求。

关键词：玉米；地温；多元回归；模型；预测；系统

中图分类号：S152.8文献标志码：A论文编号：cjas2020-0221

Prediction of 10 cm Ground Temperature in Spring Sowing Period of Maize in Heilongjiang

Yan Ping1，2，3， Ji Shengtai4， Ji Yanghui3， Qu Huihui3， Yu Yingnan3， Wang Ming3， Chu Zheng3

（1Meteorological Academician Workstation of Heilongjiang Province， Harbin 150030， Heilongjiang， China； 2Innovation and Opening Laboratoryof Regional Eco-meteorology in Northeast， China Meteorological Administration， Harbin 150030， Heilongjiang， China；3Heilongjiang Province Institute of Meteorological Sciences， Harbin 150030， Heilongjiang， China；4Heilongjiang Ecometeorological Center， Harbin 150030， Heilongjiang， China）

Abstract： Maize is the most important crop in Heilongjiang Province， because of the limitation of heat resources， it is essential to sow early to achieve high yield. The study on the prediction method of maize ground temperature and the prediction of suitable maize sowing date could guide the early sowing of maize in field and guarantee maize safety production in the province. Based on the prediction data of temperature， ground temperature and wind speed of 80 weather stations in Heilongjiang from 2007 to 2017， we established a daily prediction model of 10 cm ground temperature in spring sowing period of maize by using multiple regression analysis method， and developed a 10 cm ground temperature prediction system. We used the observation data and forecast data from 2007 to 2012 to carry out the return test， and the observation data and forecast data from 2018 to 2020 to carry out the field application test. The results showed that the prediction of the ground temperature of the day， the next day and the next two days were relatively good. Although the prediction of the ground temperature of the next three days was slightly worse， the prediction of temperature rise and fall trend was accurate. The ground temperature prediction system developed according to the prediction model is easy to operate， and the prediction results could be stored in two ways of graph and table for easy application to business services.

Keywords： Maize； Ground Temperature； Multiple Regression； Model； Prediction； System

0引言

玉米是黑龙江省第一大作物，2018年玉米播种面积超过6.3×106hm2，玉米总产占全国15%左右[1]。黑龙江省玉米产业的健康发展对中国玉米产业发展具有举足轻重的作用，承担着保障国家粮食安全的重任。黑龙江省地处中国最北端，热量资源是全国最匮乏的省份之一。但是从20世纪90年代以来，黑龙江省气温明显增加。研究表明，黑龙江省≥10℃积温20世纪90年代比80年代上升125℃，2000年后比80年代上升189℃[2]。气温增加直接导致地温升高，玉米播种期提前。

玉米适时播种是实现稳产高产的基础，抓好播种关，可以使玉米在生育期内充分利用有限的气候资源，也为各项农业耕作的技术措施发挥应有的作用提供保障，具有十分重要的意義。黑龙江省玉米播种深度位于土层0～10 cm之间，地温6℃以上可以播种，地温8℃以上可以安全播种，因此准确预报地温稳定通过6、8℃日期，可以预报玉米播种期。

关于地温预报，21世纪初，李毅[3]利用地气温的线性关系预报新疆玉米田8：00的剖面地温，开启了国内地温预测的广泛研究。后期学者延续该地温预报方法，多采用基于气象观测站点的地温与其影响因子的单要素相关或双要素回归方法建立预测模型，地温预测的研究也主要集中在东北地区，如陈鹏狮等[4]、宋晓巍等[5]通过地气温关系建立了辽宁省地温预测模型；李帅[6]利用黑龙江省逐日气温、地温资料，通过回归建立春季浅层地温预报模型；周斌[7]采用辽西地区气象要素和土壤水分数据，通过多元回归分析建立了辽西地区的地温预报模型；王萍[8]利用内蒙古河套灌区气温、地温等资料，采用回归分析等方法，建立土壤温度预报模型。2010年以来，随着科技发展，新的预测方法开始运用到地温预测之中，如2018年桂沁园[9]运用MATLAB软件构建了巢湖市基于BP神经网络浅层最低地温预报模型。总结前人研究成果，利用多要素回归方法建立地温预报模型仍是准确率较高的方法。目前黑龙江省地温预报只考虑气温、地温，影响因素不够全面，因此尝试考虑多因素影响，建立日平均10 cm地温预测模型开展地温预报，以期为玉米播种提供参考。

1资料与方法

1.1研究区概况

黑龙江省位于中国东北部，属寒温带大陆性季风气候，冬长夏短，四季分明。年平均气温2.6℃，年降水量515 mm，年日照时数2561 h，气候特点决定作物种植制度一年一熟，作物生长季5—9月，玉米主产区4月下旬—5月上旬播种，9月成熟。

1.2资料与方法

本研究所用资料为黑龙江省2007—2020年80个气象观测站玉米春播期（4月中旬—5月上旬）逐日平均气温、平均10 cm地温、平均风速，资料来自黑龙江省气象局。采用多元回归分析方法[10-11]，以10 cm地温作为预测对象，利用2007—2017年逐日气温、风速、前一日平均10 cm地温为预测因子建立预测方程，预测未来3天日平均10 cm地温，利用2018—2020年资料进行预测应用检验。

2结果与分析

2.1春播期10 cm地温预测模型

对2007—2017年春季日平均10 cm平均地温与气温、前一日地温、风速进行回归分析，建立玉米春播期日平均10 cm地温预测模型（表1～4）。

表1中Y为当日平均10 cm地温预测值（℃），x1为前一日平均10 cm地温实际值（℃），x2为前一日平均气温（最高气温与最低气温和的一半，下同），x3为当日平均气温（℃），x4为当日平均风速（m/s）。

表2中Y为未来1日平均10 cm地温预测值（℃），x1为前一日平均10 cm地温实际值（℃），x2为前一日平均气温（℃），x3为当日平均气温（℃），x4为当日平均风速（m/s），x5为未来1日平均气温（℃），x6为未来1日平均风速（m/s）。

表3中Y为未来2日平均10 cm地温预测值（℃），x1为前一日平均10 cm地温实际值（℃），x2为前一日平均气温（℃），x3为当日平均气温（℃），x4为当日平均风速（m/s），x5为未来1日平均气温（℃），x6为未来1日平均风速（m/s），x7为未来2日平均气温（℃），x8为未来2日平均风速（m/s）。

表4中Y为未来3日平均10 cm地温预测值（℃），x1为前一日平均10 cm地温实际值（℃），x2为前一日平均气温（℃），x3为当日平均气温（℃），x4为当日平均风速（m/s），x5为未来1日平均气温（℃），x6为未来1日平均风速（m/s），x7为未来2日平均气温（℃），x8为未来2日平均风速（m/s），x9为未来3日平均气温（℃），x10为未来3日平均风速（m/s）。

2.2地温预报系统

地温预报系统面向黑龙江省春播期地温预报需求研发，分为服务器端和客户端，服务器端用于存放地温实时数据及预报数据，采用SQL Server关系型数据库，客户端用于预报员操作，采用C/S架构，将该系统集成在“黑龙江省生态与农业气象省、市、县三级制作和发布一体化平台”中，作为其中一个模块，开展应用（图1），预报结果以图形和表格两种方式存储。

2.2.1硬件支持环境

（1）SQL Server数据服务器：高性能数据服务器，采用Windows 2008操作系统，为系统提供地温观测资料及气象预报的数据支持。

（2）预报员客户端：图形工作站或高级台式计算机，用于制作地温预报产品。

（3）网络通讯协议：采用通行的TCP/IP协议，网络结构为千兆以太网（主干）和快速以太网（支线），支持农业气象信息数据传输。

2.2.2軟件支持环境

（1）软件框架：基于CAgMSS插件式框架技术[12]。

（2）操作系统平台：数据库服务器采用Windows Server 2008，应用程序客户端采用Windows7、windows8、windows10。

（3）开发环境：采用MS.NET程序设计语言，以及关系型数据库（SQL Server 2008）。

（4）地理信息平台：以ArcGIS10.2为支撑平台。

2.3地温预测回代检验

选取2007—2012年4月中旬至5月上旬逐日气温和日平均10 cm地温及预测气温、风速代入上述模型，进行回代检验，结果见表5。回代检验中预测当日准确率最高，6年平均误差在0.3℃之内，预测未来1日，6年平均误差在0.5℃之内，预测未来2日，6年平均误差在0.7℃之内，预测未来3日，6年平均误差在0.7℃之内。

2.4地温预报应用检验

将2018—2020年4月15—30日逐日气温和10 cm地温及预报气温、风速代入春季日平均10 cm地温预测模型，预测逐日地温，并计算其误差。全省的检验结果为6℃相差0～3天，8℃相差0～3天。具体是当日平均10 cm地温结果为：35%的日数预报误差在0.5℃以内， 62%的日数预报误差在1.0℃以内，91%的日数预报误差在2.0℃以内。预测未来1日平均10 cm地温结果为：20%的日数预报误差在0.5℃以内，40%的日数预报误差在1.0℃以内，72%的日数预报误差在2.0℃以内。预测未来2日平均10 cm地温结果为：19%的日数预报误差在0.5℃以内，36%的日数预报误差在1.0℃以内，66%的日数预报误差在2.0℃以内。预测未来3日平均10 cm地温结果为：13%的日数预报误差在0.5℃以内，25%的日数预报误差在1.0℃以内，49%的日数预报误差在2.0℃以内。从预测准确率来看，全省多数站点预测日平均10 cm地温6℃和8℃相差2天以内，可以为播种期预报产品提供参考。

表6为全省4月15—30日预报的平均绝对误差，从表6可见，15天预报的误差平均值为预报当天-0.5℃，预报未来1日-1.1℃，预报未来2日-1.2℃，预报未来3日-1.9℃。

2.5哈尔滨2020年预报应用检验

表7为哈尔滨2020年4月15—30日预报的绝对误差，从表7可见，16天预报当日的误差平均值是-0.1℃，预报最大误差1.9℃；预报未来1日的误差平均值是-1.2℃，预报最大误差-2.6℃；预报未来2日的误差平均值是-1.2℃，预报最大误差-3.3℃，预报第3日的误差平均值是-1.9℃，预报最大误差-4.8℃。

3结论

黑龙江省春季10 cm地温稳定通过6、8℃日期对于玉米播种非常重要。通过多元回归分析方法构建了日平均10 cm地温逐日预测模型，并进行了检验，得到结论如下。

玉米春播期日平均10 cm地温预测模型对未来1日地温预报效果较好，历史回代绝对误差平均为0.2～ 0.5℃，实际应用预报绝对误差平均为1.0～1.4℃，哈尔滨最小误差是0.2℃，最大预报误差是2.6℃。玉米春播期日平均10 cm地温预测模型对未来2日地温预报效果较好，历史回代绝对误差平均为0.1～0.7℃，实际应用预报绝对误差平均为1.0～1.5℃，哈尔滨最小误差是0.1℃，最大预报误差是3.3℃。玉米春播期日平均10 cm地温预测模型对未来3日地温预报效果略差，历史回代绝对误差平均为0.0～0.7℃，实际应用预报绝对误差平均为1.5～2.4℃，哈尔滨最小误差是0.0℃，最大预报误差是4.8℃。玉米春播期日平均10 cm地温预测模型中当日、未来1日、未来2日预报效果较好，虽然未来3日预报效果略差，但是预报升降温趋势准确。根据预测模型开发的地温预报系统，操作简单，预报结果直接出图，直观方便。

4讨论

气温与地温虽然关系密切[13-16]，地温变化主要是气温变化引起的，但是地温的波动幅度与气温存在较大差异，玉米种子播在土壤5～10 cm土层，不能根据气温预报指导玉米播种。如2008年4月23—26日出现降温过程，肇源日平均气温为2～7℃，日平均10cm地温为3～6℃，部分地块由于持续低温导致玉米粉籽、烂籽[17]，2017年5月6日出现了降温过程，肇源日平均气温为5℃，日平均10 cm地温为8℃，玉米种子未遭受冷害。因此，日平均10 cm地温预报对春季玉米播种意义重大，本研究日平均10 cm地温预测模型回代检验和预报检验平均误差小于2.4℃。预测模型精度能够满足业务应用标准，可用于春季玉米播种期地温预测，进而对玉米适宜播种期进行预报。

針对10 cm地温预测部分结果精度不高的问题，分析误差偏大原因，研究结果表明，预测效果差的日期均是出现剧烈升温或降温情况，本研究受到地温资料限制，对玉米春播期剧烈升温、降温考虑不充分，预测偏差略大。后期将继续补充地温观测资料，重点开展春季剧烈升温、降温的地气温度关系研究，同时考虑大风、阴雨、雾霾等特殊天气条件下的地气温度变化规律，完善10cm地温预测模型，指导玉米春播生产。

参考文献

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