基于聚类分析的玉米发育期预报技术

张 莹 裴梓淇

(山西省河曲县气象局，山西 河曲 036500)

河曲县位于山西省西北部，地处黄土高原东部边缘，属大陆性季风气候。河曲县是一个农业县，玉米是当地的主要粮食作物之一。开展春播期预报是农业气象工作的重点服务项目之一，该项工作关系到河曲县农村经济发展、全年农业生产效益和全体农民利益，因此，加强玉米播种期预报对当地农业生产有重要意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

玉米播种期资料来自2000—2019 年河曲县气象局农气站观测资料和日平均气温稳定通过10 ℃的初日资料，土壤水分资料来源于河曲县自动土壤水分站观测资料，玉米出苗期至成熟期资料来源于2000—2019 年农气站观测资料与同期平均气温、降水量、日照时间等地面气象观测资料。

1.2 研究方法

第一，将每个发育期的日期相减，分别求出播种—出苗阶段、出苗—抽雄阶段、抽雄—成熟阶段的时间，如播种日期为5 月28 日、出苗日期为5 月10 日，则播种—出苗阶段为12 d。

第二，根据玉米各发育期日期，计算出各发育阶段的积温、降水量、降水时间、日照时间与总云量等，如2014 年播种—出苗阶段为12 d，积温为162.2 ℃，降水量为28.1 mm，降水时间为4 d，日照时间为89.1 h，总云量为4.6 层。

第三，运用SPSS 软件，对2000—2014 年玉米各发育阶段的积温、降水量、降水时间、日照时间和总云量进行聚类分析，将每个阶段分成3 种类型，并分别计算3种类型的平均积温、平均降水量、平均降水时间、平均日照时间、平均总云量与平均发育期时间，建立模型。

第四，将2015—2019 年预报的平均积温、平均降水、平均降水时间、平均日照时间、平均总云量和平均发育期时间分别与3 类预报模型进行对比分析，通过求最小欧氏距离，确定最相似类型，得到预报时间。欧氏距离计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 播种期预报

玉米播种的必要条件是5 cm 日平均地温稳定通过8 ～10 ℃或日平均气温稳定通过10 ℃，适宜土壤湿度为田间持水量的60%～70%［1］。根据河曲县气候特点，玉米播种时间主要受气温和土壤相对湿度双重影响，运用5 d滑动平均法确定日平均气温稳定通过10 ℃初日［2］，同时确定土壤相对湿度＞60%初日［3-5］，同时满足二者的初日为开始播种初始日期指标。

2.2 出苗期预报

2.2.1 出苗期预报模型建立。对2000—2014 年玉米播种—出苗阶段的数据进行聚类分析，从聚类谱系图可以看出，第1、2、4、5、6、7、8、9、10 年聚成第1类，第 3、11、13、14、15 年聚成第 2 类，第 12 年聚成第3 类（见图1）。同时，分别求出3 种类型的平均积温、平均降水、平均降水时间、平均日照时间、平均总云量和平均发育期时间，结果如表1 所示。

表1 玉米播种-出苗阶段聚类分析下3 种类型的平均值

图1 玉米播种-出苗阶段聚类谱系图

2.2.2 出苗期预报模型检验。将2015—2019 年玉米播种—出苗阶段的平均积温、平均降水量、平均降水时间、平均日照时间、平均总云量和平均发育期时间分别与3 类预报模型进行对比分析，通过求最小欧氏距离，确定最相似类型，得到预报时间，与实际时间进行比较，求出平均误差，平均误差时间为1.0 d（见图2）。

图2 玉米播种-出苗阶段预报模型检验结果

2.3 拔节期预报

2.3.1 拔节期预报模型建立。将2000—2014 年玉米出苗—拔节阶段数据进行聚类分析，从聚类谱系图可以 看 出，第 1、3、5、6、7、8、9、11、12、13、15 年聚成第1 类，第2、4、10 年聚成第2 类，第15 年聚成第3 类（见图3）。同时，分别求出3 种类型的平均积温、平均降水量、平均降水时间、平均日照时间、平均总云量和平均发育期时间，结果如表2 所示。

图3 玉米出苗—拔节阶段聚类谱系图

表2 玉米出苗-拔节阶段聚类分析下3 种类型的平均值

2.3.2 拔节期预报模型检验。将2015—2019 年玉米播种-出苗阶段的平均积温、平均降水量、平均降水时间、平均日照时间、平均总云量和平均发育期时间分别与3 类预报模型进行对比分析，通过求最小欧氏距离，确定最相似类型，得到预报时间，与实际时间进行比较，求出平均误差，平均误差时间为1.0 d（见图4）。

图4 玉米玉米出苗—拔节阶段预报模型检验结果

2.4 抽雄期预报

2.4.1 抽雄期预报模型建立。将2000—2014 年玉米拔节-抽雄阶段数据进行聚类分析，从聚类谱系图可以看出，第1、3、5、6、8、9、11、14 年聚成第1 类，第2、4、7、10、12、15 年聚成第 2 类，第 13 年聚成第 3 类（见图5）。同时，分别求出3 种类型的平均积温、平均降水量、平均降水时间、平均日照时间、平均总云量、平均发育期时间，结果如表3 所示。

表3 玉米拔节-抽雄阶段聚类分析下3 种类型的平均值

图5 玉米拔节-抽雄阶段聚类谱系图

2.4.2 抽雄期预报模型检验。将2015—2019 年玉米拔节-抽雄阶段的平均积温、平均降水量、平均降水时间、平均日照时间、平均总云量和平均发育期时间分别与3 类预报模型进行对比分析，通过求最小欧氏距离，确定最相似类型，得到预报时间，与实际时间进行比较，求出平均误差，误差时间为1.4 d（见图6）。

图6 玉米拔节-抽雄阶段预报模型检验结果

2.5 乳熟期预报

2.5.1 乳熟期预报模型建立。将2000—2014 年玉米抽雄—乳熟阶段数据进行聚类分析，从聚类谱系图可以看出，第 1、2、3、6、7、10、11、14 年聚成第 1 类，第 4、5、8、9、13 年聚成第 2 类，第 12、15 年聚成第3 类（见图7）。同时，分别求出3 种类型的平均积温、平均降水量、平均降水时间、平均日照时间、平均总云量、平均发育期时间，结果如表4 所示。

表4 玉米抽雄-乳熟阶段聚类分析下3 种类型的平均值

图7 玉米抽雄-乳熟阶段聚类谱系图

2.5.2 乳熟期预报模型检验。将2015—2019 年玉米抽雄—乳熟阶段的平均积温、平均降水量、平均降水时间、平均日照时间、平均总云量和平均发育期时间分别与3 类预报模型进行对比分析，通过求最小欧氏距离，确定最相似类型，得到预报时间，与实际时间进行比较，求出平均误差，误差时间为3.0 d（见图8）。

图8 玉米抽雄-乳熟阶段预报模型检验结果

2.6 成熟期预报

2.6.1 成熟期预报模型建立。将2000—2014 年玉米乳熟-成熟阶段数据进行聚类分析，从聚类分析谱系图可以看出，第 1、4、5、6、9、10、11、14、15 年聚成第 1 类，第 2、8 年聚成第 2 类，第 7、12、13 年聚成第3 类（见图9）。同时，分别求出3 种类型的平均积温、平均降水量、平均降水时间、平均日照时间、平均总云量、平均发育期时间，结果如表5 所示。

图9 玉米乳熟-成熟阶段聚类谱系图

表5 玉米乳熟-成熟阶段聚类分析下3 种类型的平均值

2.6.2 成熟期预报模型检验。将2015—2019 年玉米乳熟-成熟阶段的平均积温、平均降水量、平均降水时间、平均日照时间、平均总云量和平均发育期时间分别与3 类预报模型进行对比分析，通过求最小欧氏距离，确定最相似类型，得到预报时间，与实际时间进行比较，求出平均误差，误差时间为3.2 d（见图10）。

图10 玉米乳熟—成熟阶段预报模型检验结果

3 结论与讨论

河曲县春玉米播种-出苗期3 种类型下的平均积温分别为211.4、173.8、251.7 ℃，平均降水量分别为4.7、16.0、29.4 mm，平均降水时间分别为 2.8、4.0、2.0 d，平均日照时间分别为109.8、80.0、92.9 h，平均总云量分别为4.8、5.0、5.2 层，平均发育期时间分别为13.1、11.4、12.0 d；出苗-拔节期3 种类型下的平均积温分别为1 080.6、1 234.7、884.0 ℃，平均降水量分别为79.8、55.8、52.9 mm，平 均 降 水 时 间 分 别 为 20.4、22.3、14.0 d，平均日照时间分别为 418.2、517.9、169.5 h，平均总云量分别为4.9、4.8、5.9 层，平均发育期时间分别为47.4、58.3、41.5 d；拔节-抽雄期3 种类型下的平均积温分别为601.5、471.5、577.1 ℃，平均降水量分别为36.5、38.3、211.7 mm，平均降水时间分别为10.8、10.7、10.0 d，平均日照时间分别为198.3、127.1、179.5 h，平均总云量分别为5.2、6.0、6.4 层，平均发育期时间分别为24.8、19.5、24.0 d；抽雄-乳熟期3 种类型下的平均积温分别为731.1、623.4、638.6 ℃，平均降水量分别为84.7、153.0、66.9 mm，平均降水时间分别为15.6、15.2、12.5 d，平均日照时间分别为230.8、197.3、143.3 h，平均总云量分别为5.4、4.9、5.8 层，平均发育期时间分别为31.4、28.0、28.5 d；乳熟-成熟期3 种类型下的平均积温分别为484.4、428.7、352.6 ℃，平均降水量分别为58.2、131.7、23.6 mm，平 均 降 水 时 间 分 别 为 11.0、10.0、7.5 d，平均日照时间分别为181.5、151.5、147.9 h，平均总云量分别为4.7、5.8、4.7 层，平均发育期时间分别为29.0、22.5、21.8 d。应用2015—2019 年积温、降水量、降水时间、日照时数、总云量和发育期时间分别与3 类预报模型进行对比分析，通过求最小欧氏距离，确定最相似类型，得到预报时间。结果显示，河曲县春玉米播种-出苗期实际时间与预报时间平均误差为1.0 d，出苗-拔节期实际时间与预报时间平均误差为1.0 d，拔节-抽雄期实际时间与预报时间平均误差为1.4 d，抽雄-乳熟期实际时间与预报时间平均误差为3.0 d，乳熟-成熟期实际时间与预报时间平均误差为3.2 d，玉米发育期各阶段误差均小于3.5 d ，说明预报值有意义，可以应用到农业气象业务工作中。

但是，该文没有采用开花期与吐丝期数据，是由于抽雄、开花、吐丝日期相邻较短，有些年份在同一天出现。之所以玉米成熟期误差时间为3.2 d，是由于玉米后期对气温与降水需求减少，只要有充足日照就能基本满足玉米成熟需求，所以误差相较于其他发育期较大。另外，米播种期只考虑了日平均气温和土壤相对湿度，不够精细准确，有待进一步提升预测水平。