田阳秋季低温冷害预警模型的研究

　　摘要：秋季低温冷害对晚稻生产不利影响极大，准确预警其出现对夺取晚稻高产稳产意义重大。采用模糊数学原理研制田阳秋季低温冷害始现时段预警输出模型，选配适合于模糊事件秋季低温冷害初日出现时段的隶属函数，计算各预报因子隶属度，结合数理统计，建立多元线性回归预警输出模型，作秋季低温冷害初日出现时段第一次预警;第二次预警，采用模糊数学并、交运算逻辑关系原理制作预警模型。

　　结果表明：第一次预警历史拟合率87.3%，第二次预警历史拟合率88.5%。试运行预警4年，第一次试警正确3年，正确率75.0%，二次试警1年，试警正确。秋季低温冷害模糊数学预警输出模型，技术科学，方法易学易懂，历史正确拟合率、试警准确率结果理想。

　　关键词：田阳,秋季低温冷害,模糊数学,预警模型

　　0引言

　　入秋以后，受北方冷空气南下影响，气温急降，当日平均气温降到≤22.0℃以下，且持续≥3天以上，对南方正在孕穗、抽穗、扬花的籼稻型晚稻生育会造成低温冷害不利影响，正在抽穗晚稻会造成包颈，出穗慢，正在扬花授粉的晚稻，会造成花粉粒畸形变异或不开裂，造成晚稻空秕粒增加，结实率低，晚稻农业产量锐减，即称“秋季低温冷害”[1]。

　　可见对当地秋季低温冷害天气气候特点统计分析诊断，准确的做出当年秋季低温冷害趋势长期预警，据晚稻各品种生育特性，适时安排播种期，使其抽穗扬花授粉避开秋季低温冷害天气的不利影响，对晚稻减少空秕粒、提高结实率、高产稳产意义重大。魏瑞江等[2]运用模糊数学理论，分别建立了光、温、水气象条件对河北省冬小麦生长发育适宜程度的隶属函数模型，进而计算各发育期内光、温、水对冬小麦生长发育的隶属度，达到定量评价冬小麦生育气象条件的利蔽。

　　王永弟[3]将模糊时间序列模型引入研究重庆市城口县1月降水量、平均气温的预报，结果表明，模糊时间序列预报模型各项精度、评定指标优良，且计算简单，具有一定实用价值。刘芳芳等[4]通过建立张掖市水资源价值模糊数学评价模型，采用升(降)半梯形函数确定了模糊数学模型评价的一元线性隶属关系，综合评价了张掖市的水资源价值，为政府相关部门加快水价制度改革，实现水资源的优化配置提供科学依据，结果良好。

　　模糊数学在生态农业气象预报、分析、评价实际应用中较多，本文结合当地晚稻生产气象服务实际情况，在相关文献研究结果的基础上，釆用模糊数学理论设计配置适宜模糊事件发生的隶属函数预警模型，进而计算各预报因子的隶属度[5-6]，再用隶属度建立多元线性回归预警模型[7-9]，选取门槛阀值，初次预报田阳当年秋季低温冷害天气初日分段的出现。采用模糊数学并、交逻辑运算原理，再制作二次分段预警模型，一、二次预警历史拟合正确87.3%~88.5%，试报4年，一、二次试报准确率75.0%~100.0%，效果良好。

　　1资料来源

　　秋季低温冷害初日[10-11]天气资料源系田阳县气象站(106°55′E，23°44′N)气象资料室，统计年度为1959—2013年共计55年，统计时段为当地秋季晚稻生产关键期[12-13]的9月21日—10月31日，这期间当出现日平均气温≤22.0℃，且持续≥3日的天气过程的第一天，即记为秋季低温冷害初日，依当地晚稻传统农业生产，便于开展气象服务，选取当年6月1日前的气象因子作预报预警。

　　2模糊数学技术方法

　　2.1第一次预警模型

　　设μ为论域，μ在区间(0，1)上的任一映射A→(0，1)，称为μ上的隶属函数，对于任意χ∈μ隶属函数值A(χ)称为χ对A的隶属度，A为论域μ的模糊集合，记μA(χ)。由于天气预报对象为秋季低温冷害初日，在此规定当年秋季低温冷害天气初日现于10月16日(含)之后，称模糊事件A发生，模糊映射A→1，当年秋季低温冷害天气初日现于10月15日(含)之前，称模糊事件A没有发生，模糊映射A→0。

　　通过对不同时段光、温、水、压、风、湿气象因子的相关统计筛选择优[14-15]，确定选取如下3个气象因子作预警模糊事件A发生的预警模型：χ1：1月下旬至2月上旬平均气温;χ2：2月上中旬平均气温;χ3：3月中旬至4月上旬平均气温。

　　确定隶属函数模型，列出隶属函数模式μA(χi)=[1+ebi(χc-χi)]-1，i=1，2，3，此式bi为待求解系数，该式可化记为{[μA(χi)]-1-1｝=ebi(χc-χi)，对此公式，等号左右两边取自然对数，并令等号左边等于Z，则有Z=a+biχi(a=-biχc)，按最小二乘法原理求解bi=Lxiz/LXiXi，解出如下3个隶属函数模型，如(1)~(3)所示。

　　μA(χ1)=ìíîïï1[1+e1.0107(14.5-χ1)]-10χ1≥18.011.0<χ1<18.0χ1≤11.0……(1)μA(χ2)=ìíîïï1[1+e0.9454(16.0-χ2)]-10χ2≥19.512.5<χ2<19.5χ2≤12.5……(2)μA(χ3)=ìíîïï1[1+e0.5627(20.6-χ3)]-10χ3≥22.618.6<χ3<22.6χ3≤18.6……(3)将χ1~χ3原值代入(1)~(3)式，计算出各预警因子的隶属度，将三因子隶属度当作模糊预警子集，按照数理统计学原理建立多元线性回归预警模型如(4)所示。yA=0.1702μA(χ1)+0.6020μA(χ2)+0.7242μA(χ3)-0.2001………………………………………………………(4)方程回归效果检验值F=19.1721，通过0.01回归效果显著性检验。

　　依(4)式计算历年yA值，选取门槛阀值λA﹦0.54，当yA≥λA时，报模糊事件A发生，即当年秋季低温冷害初日现于10月16日(含)以后，当yA<λA，报模糊事件A没有发生，即当年秋季低温冷害初日现于10月15日(含)之前，回代历史拟合正确为87.3%。

　　2.2二次模糊逻辑预警模型

　　根据当地晚稻传统农业生产实际情况，当以上(2.1点)论述模糊事件A没有发生时，即当年秋季低温冷害天气初日始现于10月15日(含)前，则要继续进行二次模糊预警，历史上秋季低温冷害天气初日现于10月15日前共有26年，为便别于前论，在此规定，当年秋季低温冷害天气初日现于10月7日(含)前，定为模糊事件B发生，模糊映射B→1，当模糊事件B没有发生时，模糊映射B→0，记为当年秋季低温冷害天气初日现于10月8—15日。

　　经过大量的气象预报因子相关统计筛选，优选如下4个气象因子作为秋季低温冷害初日二次模糊天气预警因子子集，设计出对模糊事件B发生的隶属函数模式如(5)~(8)所示。

　　2.3试报2014—2017年

　　统计2014-2017年各预警因子χ1~χ3的原值，分别计算第一次预警隶属度μA(χ1)、μA(χ2)、μA(χ3)如表2，将μA(χ1)、μA(χ2)、μA(χ3)隶属度代入(4)式计算yA。

　　试报4年，正确3年，准确率75.0%。而2015年第一次试报结果后符合进入二次试报，计算2015年μB(χ4)~μB(χ7)的隶属度，按上(9)式模糊数学逻辑运算方程输出结果yB=0.3356，此处yB<λB，报模糊事件B没有发生，即当年秋季低温冷害天气初日现于10月8—15日，实况出现于10月9日，二次试报正确。

　　3结论

　　(1)统计田阳近55年对晚稻抽穗扬花不利影响的秋季低温冷害初日平均值[16]为10月15日，在平均值线上摆动出现31年，且振波小而较平稳，在平均值线以下振动出现24年，多数呈现于20世纪90年代之前，且波动明显。秋季低温冷害初日最早出现于9月25日(1997年)，最迟出现于10月31日(2006、2008、2009、2012年)，迟早相差36天以上。依据田阳晚稻传统农业生产耕作制，全县各地晚稻生产均能于10月中旬中之前安全完成抽穗扬花的发育期[17-18]，在10月16日后出现的秋季低温冷害天气预警分析，对晚稻生产气象服务意义不大[19]。

　　(2)利用模糊数学知识原理作秋季低温冷害天气预警，技术科学，方法易学易懂，特别是利用模糊数学逻辑运算方程作预警，相对于其他数理统计预报方法计算工作量大为减少。本文研究秋季低温冷害初日天气预警起报时间长[20]，进入4月中旬即可输出预警结果，第一次预警(55年)历史拟合率87.3%，二次预警(26年)历史拟合率88.5%，试报4年，第一次试报正确3年，准确率75.0%，进入第二次试报1年，试报正确。

　　(3)模糊数学在气象预报中的应用，其核心技术是选配适合于模糊事件发生的隶属函数模型，采用何种隶属函数模式，科学和经验相结合选配，同时模糊区间的定位、模糊中性点值的拟定，匹配的隶属函数曲(直)线经过中性点其左右模糊度大，优良匹配隶属函数模型技术很重要，研究结果较为理想。

　　参考文献

　　[1]欧阳兆云,张和稳,周冬梅.田阳秋季低温冷害规律性的诊断[J].气象研究与应用,2012,33(2):31-33.

　　[2]魏瑞江,张文宗,李二杰.河北省冬小麦生育期气象条件定量评价模型[J].中国农业气象,2007,28(04):367-370.

　　[3]王永弟.模糊时间序列模型在短期气候预测中的应用[J].南京信息工程大学学报:自然科学版,2012,04(4):316-320.

　　[4]刘芳芳,连华,王建兵,等.基于模糊数学模型的张掖市水资源价值计算研究[J].中国农学通报,2016,32(2):87-91.

　　农业方向论文投稿刊物：《中国农学通报》(ChineseAgriculturalScienceBulletin)杂志创刊于1984年，由中国农学会主办，由我国著名农业科学家、两院院士石元春教授担任主编的综合性农业学术期刊。杂志以农业科研院、校副高以上中青年专家、学科带头人和博士、硕士为主要作者群，以省部级以上科研基金项目论文为重点，高质量、高水平的学术半月刊，国内统一刊号为CNll一1984/S，国际标准刊号：ISSN1000-6850，邮发代号：2-772.

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