基于环流因子的辽宁省水稻适宜移栽期预报模型研究

王 婷 ，王 鹏 ，李雨鸿 ，周 斌 ，李琳琳 ，胡春丽 ，刘东明

（1.辽宁省气象科学研究所，辽宁沈阳110166；2.辽宁省气象服务中心，辽宁沈阳110166）

水稻是我国重要的粮食作物之一，种植面积占粮食作物总播种面积的30%，产量占粮食总产量的40%以上[1]。辽宁省作为我国重要的水稻产区和商品水稻生产基地，水稻产量与该省乃至全国粮食安全密切相关[2]。移栽是水稻种植的关键环节，要根据适宜移栽秧龄大小，科学安排移栽期，水稻移栽期推迟，容易出现超秧龄的秧苗，使水稻有效分蘖期缩短，不利于前期发苗和保足穗、攻大穗，对水稻生长发育和产量形成有较大影响[3]。因此，做好水稻移栽期预报，合理安排水稻移栽日期，及早做好茬口衔接，努力做到适期移栽是保证和提高水稻产量的基础。做好水稻移栽期预报是现今农业气象预报的重要任务之一，对农业生产管理有着重要的指导作用。影响水稻移栽期的气象因子主要有气温、降水和日照，其中气温对水稻的影响最大。而有效积温更能反映水稻生育期对热量的要求[4-5]，因此使用有效积温可以对水稻生育期进行预测[6-9]。

研究表明，大气环流对区域气候要素的变化有着直接和重要的影响[10]，本文旨在筛选出对有效积温影响显著的大气环流因子，建立有效积温预报模型，并通过有效积温和水稻移栽期建立相关性，建立水稻适宜移栽期的长期预报模型，最终确定水稻适宜移栽的日期。

1 材料与方法

1.1 农业资料

农业资料来源于辽宁省5个农业气象观测站（大洼、东港、新宾、开原、辽中）的1981—2016年水稻生育期资料。气象资料来源于辽宁省气象局以上5个站1981—2016年日平均气温。大气环流因子采用国家气候中心提供的74项环流指数。

1.2 建模方法

1.2.1 有效积温的计算。每一种植物都有其生长的下限温度。当温度高于下限温度时，它才能够发育和生长。但仅仅温度达到所需还不足以完成发育和生长，因为还需要一定的时间，即需要一定的总热量，称为总积温或者有效积温。水稻的有效积温是指对其生长发育起有效作用的温度累加值，即日平均气温（ti）与对水稻生长无效的下限温度（b0）之差的累加值，计算公式如下：

注：文中统计的是水稻播种至移栽期≥10℃的有效积温，所以b0＝10℃，n为播种至移栽期天数。

1.2.2 水稻适宜移栽期模型建立。通过水稻适宜移栽期日序与水稻播种到移栽期有效积温的高相关性建立适宜移栽期的回归方程，然后利用国家气候中心提供的74项环流指数，通过相关分析，得出有效积温与前一年和当年1—4月共74项环流指数的相关系数，并筛选出通过0.05显著性检验且绝对值大于0.4的指数，并且遵循因子独立性、连续性及物理意义明确等原则，选出影响有效积温的主要环流因子，建立预报有效积温的方程，最终建立水稻适宜移栽期的预报模型。为了检验预报模型的效果，对模型进行历史拟合和预报检验。

2 结果和分析

2.1 水稻适宜移栽期与播种到移栽期有效积温的相关分析

从1981—2015年辽宁省水稻适宜移栽期的时间序列和有效积温对比来看，两者的年际变化基本同步，呈现极显著的正相关（P＜0.01）。由此可见，利用有效积温对适宜移栽期进行预报是可行的，但由于辽宁省跨度较大，区域间存在较大差异，因此需要分区建立水稻移栽期的预报模型。

图1 辽宁省水稻移栽期和播种到移栽期有效积温的时间变化曲线

2.2 基于环流指数的水稻适宜移栽期预报模型建立

通过水稻适宜移栽期与播种到移栽期的有效积温的高相关性建立一元回归方程（表1），然后通过播种到移栽期有效积温与大气环流指数74项特征值的相关分析，筛选出与辽宁水稻有效积温发生有显著关系的大气环流指数因子，采用逐步回归方法建立有效积温预报模型（表2）。影响大洼有效积温的环流因子：前一年6月北半球极涡中心位置（H11），前一年 8 月亚洲经向环流指数（H12），前一年10月东亚槽强度（H13），前一年3月南方涛动指数（H14）；影响东港有效积温的环流因子：前一年4月西太平洋副高脊线（H21），前一年10月西太平洋副高北界（H22），当年 3 月北半球极涡中心位置（H23），当年4月东亚槽位置（H24）；影响新宾有效积温的环流因子：前一年7月西太平洋副高面积指数（H31），前一年10月东亚槽位置（H32），前一年10月东亚槽强度（H33），当年 2 月西藏高原（H34）；影响开原有效积温的环流因子：前一年3月北半球极涡中心位置（H41），前一年9月大西洋欧洲环流型W（H42），前一年3月大西洋欧洲环流型C（H43），前一年9月东亚槽位置（H44），前一年 2 月东亚槽强度（H45），当年 3月西太平洋副高面积指数（H46），当年1月西太平洋副高北界（H47），当年 2月亚洲纬向环流指数（H48）；影响辽中有效积温的环流因子：前一年4月亚洲区极涡强度指数（H51），前一年 7 月西藏高原（H52），当年4月东亚槽位置（H53）。

表1 辽宁水稻适宜移栽期与播种到移栽有效积温的回归方程

表2 利用大气环流指数因子建立辽宁省水稻播种到移栽期有效积温的预报模型

2.3 水稻适宜移栽期和有效积温预报模型的效果检验

为了检验表1和表2中预报模型的拟合效果，利用表2中的预报模型可由前期大气环流指数因子预报出当年的播种到移栽期有效积温，然后利用表1的回归方程预报当年的适宜移栽期日序，将实际值和模拟值进行对比（图2），可以看到模拟出的有效积温和适宜移栽期都非常接近实际值。大洼、东港、新宾、开原、辽中5个站点的适宜移栽期预报准确率分别为98.0%、98.0%、98.4%、98.7%、97.1%。移栽期的模拟偏差主要在4 d以内，模型通过0.01的显著性水平检验，拟合效果较好。利用2016年资料进行试报检验，表3为移栽期预报结果和实际移栽期对比，大洼、东港、新宾、辽中的误差是在1～2 d，开原移栽期预报比实际值偏早6 d。

图2 辽宁省水稻适宜移栽期和播种到移栽期有效积温预报模型拟合检验

表3 2016年辽宁水稻适宜移栽期预报模型的试报检验

3 结论与讨论

本文根据有效积温和环流因子的相关关系，筛选出对有效积温影响显著的大气环流因子，通过0.05的显著性检验，建立有效积温预报模型，并通过有效积温和水稻移栽期之间的相关性，建立水稻适宜移栽期的长期预报模型。结果表明：

1)遵循因子连续性和独立性原则，筛选出对有效积温影响较大的环流因子作为预报因子，基于多元线性回归建立有效积温预报模型，考虑到辽宁跨度较大，农业气候存在差异，因此分区选取代表站建立了模型。

2)辽宁省水稻适宜移栽期与播种到移栽≥10℃有效积温存在极为显著的线性正相关，可以利用有效积温建立适宜移栽期的预报模型。预报模型历史拟合效果较好，准确率基本在95%以上，预报检验误差基本在1～2 d，预报准确率较高，可以在业务中使用，预报结果对水稻种植具有重要的实用价值，可以提升农业气象的专业服务能力。

水稻的适宜移栽期除了受气温直接影响外，还应考虑品种、降水、日照、土壤、社会因素等影响，本文仅通过有效积温确定移栽期，还需兼顾其他因素继续深入研究，以进一步提高预报模型的准确性。

参考文献:

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