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1、冬小麦和玉米生产对气候变化的响应,研究背景和目标冬小麦和玉米产量与关键气候因子时空分布特征冬小麦和玉米产量对区域气候变化的响应分析主要结论,1.1 研究背景,分析探讨我国气候变化对粮食作物产量的可能影响,可为解决我国粮食安全问题提供科学依据，对实现粮食生产的持续发展具有十分重大的现实意义；,农业产量气象预报按预报时效：年景预报、趋势预报和定量预报三种。a、年景预报。根据对未来天气气候的长期预测结果，结合作物的生长发育过程及其对气象条件的需求，评述气象条件对作物生长和产量形成的利弊影响而编制的农业气象预报。一般在作物播种前后发布，它对指导种植计划有非常重要的意义。,b、趋势预报。根据作物播种前后
2、至收获前两个月的气象条件及其对作物生长发育的利弊影响和对未来天气气候的预测及影响评价而对作物产量丰歉趋势进行预测的一种农业气象预报。一般在收获前两个月发布，对指导农业生产和田间管理有一定的现实意义。,c、定量预报。根据作物播种前后至收获前一个月的气象条件及其对作物生长发育的利弊影响和对未来天气气候的预测及影响评价而对作物产量进行预测、预报的一种农业气象预报。一般在收获前一个月发布，对指导粮食储运、流通和消费有一定的参考价值。,按预报对象：粮食作物产量预报、经济作物产量预报和名特优小宗农产品产量预报三种。a、粮食作物产量预报。粮食作物产量预报在我国气象部门开展得比较广泛，从国家到省、地、县基本都
3、已投入业务运行。其内容主要包括粮食总产量预报、小麦产量预报、玉米产量预报、双季早稻产量预报、中（一季）稻产量预报、双季晚稻产量预报、大豆产量预报等。,b、经济作物产量预报。经济作物产量预报主要包括棉花产量预报、油菜产量预报和花生产量预报等。目前我国多数省、区气象部门都开展此项业务，c、名特优小宗农产品产量预报。主要包括绿豆、红小豆、板栗、金丝小枣等农产品产量预报。此项预报是国内个别省、区、县气象部门根据用户的特殊要求而开展的非常规业务预报。,1.2 研究目标,分析研究区域19821998年冬小麦、玉米产量和气候因子的时空分布特征，以此为基础，分别建立代表区域冬小麦和玉米的产量与其对应生长期内积
4、温和降水因子的拟和关系式；建立较大范围的作物产量和气象因子关系，结合模拟的未来气候变化情景，对未来粮食作物产量进行预测，并据此分析未来区域气候变化对我国粮食安全的影响。,1.3 研究思路 1.4数据来源与分析，研究区域选择,表2-4 本文研究区域的选择,作物数据：19821998年研究区域作物产量（总产、单产）；全国小麦、玉米1949 2004的总产、单产和播种面积。（来源：中国种植业信息网农作物数据库、FAO、省市年鉴、网络）气象数据：19821998年与研究区域对应站点的日均温和日降水。（来源：WMO)因为本文研究的是我国冬小麦和玉米产量对气候变化的响应，结合这两种作物的栽培和所掌握的数据
5、情况，选取研究区域如下表：,2 冬小麦、玉米产量与气候因子的时空分布,各研究区域冬小麦单产在1997年前总体大幅度增长，1997年以后总体减产。单产区域性差异较大，平均单产以黄淮海产区的青岛、北京和济南为较高产区，徐州次之，西安产区最低，成都产区次低。北京减产幅度最大，青岛、济南以及西安单产较为稳定。,图46 研究区域冬小麦单产年际变化,2.1冬小麦产量的时空分布特征,图414 东北研究区域春玉米单产量年际变化,图415 西南研究区玉米单产年际变化,2.2 玉米产量的时空分布特征,研究区玉米单产在19961998年之间总体达到历史单产新高，1998以后总体有下降趋势。,图4|16 黄淮海平原研
6、究区夏玉米单产年际变化,单产区域性差异较大，平均单产以东北产区最高（长春、沈阳和哈尔滨）；以黄淮海产区青岛、北京和济南为较高，徐州次之；西南（成都）产区最低；西安产区次低。而且东北产区单产整体比较稳定，北京减产幅度最大，青岛、徐州、济南以及西安产量较为稳定，成都玉米单产增长最为稳定。,2.2 玉米产量的时空分布特征,1982 1998年冬小麦和玉米生长期内对应站点气温和降水的变化同样存在时间上和空间上的差异。在小麦和玉米生长期内，积温年际变化总体有微弱增加趋势，变暖的季节主要出现在冬季，这与北半球及中国气温变化的特点是一致的。各站点冬小麦生长期内降雨量呈递减趋势，玉米生育期的降雨量在地理位置上
7、随着纬度的降低，有明显增加趋势。,2.3 气候因子的时空分布特征,3 冬小麦和玉米生产对气候变化的响应,产量分离方法研究区冬小麦和玉米气候单产提取以及和气候因子的拟合关系全国冬小麦和玉米产量和气候因子的关系我国冬小麦和玉米生产对气候变化的响应预测,趋势单产定义,3.1 产量分离方法,气候单产，表征气候波动对实际单产的贡献，随气候波动而增加或减少。,实际单产；,趋势单产，表征社会经济条件和生产力技术水平对实际单产的贡献，随科技进步和社会经济条件改善呈现上升趋势，逐渐逼近一个极限值；,趋势单产分离公式：5a滑动平均和5a线性调和滑动平均,3.1 产量分离方法,第j 年趋势单产滑动平均值，即第j 年
8、趋势单产；,滑动平均系数；,滑动步长年间第（j-k+1）年的实际单产；,P 滑动平均时间步长。,j,j-p+1,p,j-k+1,3.1 产量分离方法,5a调和滑动平均系数,满足下式,滑动平均步长p区间内，离历史年份j越近年份的单产信息对j年理论趋势单产越大。,3.1 产量分离方法,全国小麦,全国玉米,对分离出的气候单产 与对应站点冬小麦生育期内积温T与降雨总量P之间的关系进行二次多项式回归拟合分析。式中：C为常数项，a、b、c、d、e为气候因子系数。,3.2 研究区冬小麦和玉米气候单产与气候因子的拟合,徐州冬小麦气侯单产两种方法的提取效果均比较显著，二次多项式拟合效果良好；济南冬小麦气侯单产经
9、过5a线性调和滑动平均处理提取后的回归拟合效果显著；所有区域的气候单产拟合效果总体不好。,注：*为5a滑动平均处理；*为5a线性调和滑动平均处理；样本数n=13，即19861998年时间序列。,表53 19861998年冬小麦研究区气候单产二次多项式拟合分析表,3.2 研究区冬小麦和玉米气候单产与气候因子的拟合,原因分析在气象单产拟合年限内，中国冬小麦产量已经基本处于历史的高产水平，生产力技术水平的大幅度提高使得趋势单产成为实际单产的主要贡献因子，几乎贡献了95%以上，所以各站点的气候单产贡献整体微弱，直接表现为趋势单产和气候因子的相关系数很小。气候变化的单产响应区域差异很大，雨热季节分布不一
10、，灌溉条件状况各异等，造成站点气候单产对实际单产贡献不一。样本空间小（n=16），而且经过滑动处理，发生样本萎缩（n=13），不能很好地体现气候时间趋势性，因而波动性气候单产提取效果欠佳，在某些站点尤其明显。由于以上各因素，各区域冬小麦气候单产的提取方法不具有普适性。理论上，可以通过改善样本空间状况(实际增加样本数，或者通过信息膨胀处理增加样本数，如非线性信息扩散方法等)、样本品质（提高样本数据的统计精确性）以及拟合方法等实现比较理想的趋势单产提取和模拟。,3.2 研究区冬小麦和玉米气候单产与气候因子的拟合,济南和青岛玉米气侯单产两种方法的提取效果均比较显著，二次多项式拟合效果良好；西安玉米气
11、侯单产经过5a滑动平均处理提取后的回归拟合效果显著；其它区域的气候单产拟合效果总体不好。具体原因与小麦气候单产拟合效果欠佳的原因比较相似。,表59 19861998年研究区玉米气象单产二次多项式拟合分析表,注：*为5a滑动平均处理；*为5a线性调和滑动平均处理；样本数n=13，即19861998年序列。,3.3 研究区冬小麦和玉米实际单产与气候因子的拟合,表55 19831998年冬小麦研究区实际单产二次多项式拟合分析表,所选冬小麦区实际单产数据系列和对应生长期内积温和降雨总量记录系列具有良好的二次多项式拟合关系。徐州拟合效果稍差。可以利用这些拟合二次多项关系式进行未来以上站点局域气候变化情景
12、下的冬小麦单产预测。,注：样本数n=16，即19831998年时间序列。,3.3 研究区冬小麦和玉米实际单产与气候因子的拟合,表511 19831998年研究区玉米实际单产二次多项式拟合分析表,注：样本数n=17，即19821998年序列。,所选区域玉米实际单产数据系列和对应站点生长期内积温和降雨总量记录系列具有良好的二次多项式拟合关系。西安拟合效果稍差。可以利用这些拟合二次多项关系式进行未来以上站点局域气候变化情景下的玉米单产预测。,3.4 较大区域冬小麦和玉米单产与气候因子的拟合,表57 19831998年研究区冬小麦平均单产二次多项式拟合分析表,总体上，所选冬小麦研究区平均实际单产和气候
13、单产与气象数据具有良好的二次多项式拟合关系，可以用于所选冬小麦产区的区域气候波动情景下的单产预测。,3.4 较大区域冬小麦和玉米单产与气候因子的拟合,表513 19821998年研究区玉米平均单产二次多项式拟合分析表,东北春玉米产区和黄淮海夏玉米产区气候单产与历史记录具有良好的二次多项式拟合关系，可以用于所选玉米产区的区域气候波动情景下的单产预测。,3.5 冬小麦和玉米生产对气候变化的响应预测,GCM模型模拟的2010到2050年气候变化情景,未来到2050年中国地区由于温室效应气温可能上升1.4，降水总的趋势也是增加的，但增加幅度不大，到2050年可能只增加4.2%；降水增加幅度小于气温升高
14、幅度。,3.5 冬小麦和玉米生产对气候变化的响应预测,3.5 冬小麦和玉米生产对气候变化的响应预测,注：*东北春玉米生长期从5月1日至9月10日，生长期按133d计算；黄淮海夏玉米生长期从6月10日至9月30日，生长期按112d计算；西南秋玉米生长期从8月1日至11月10日，生长期按101d计算。,3.5 冬小麦和玉米生产对气候变化的响应预测,表516 基于GCM模拟2010到2050年气候变化情景的中国冬小麦产量响应,中国冬小麦单产对未来区域气候波动，即气温升高，雨量增加的响应行为总体为增产趋势，但是这种增长是具体的，具有明显的时空分布特征，并且也是复杂的，受非气候因子波动的综合影响。,中国
15、玉米单产对未来区域气候波动，即气温升高，雨量增加的响应行为总体为减产效应，明显削弱了生产技术水平提高对实际单产的贡献，总体表现为微弱的增长趋势。,3.5 冬小麦和玉米生产对气候变化的响应预测,表517 GCM模拟2010到2050年气候变化情景的中国玉米产量响应,3.6 冬小麦和玉米生产安全分析,区域气候波动下的中国冬小麦产量分析 如以所选区域平均处理的拟合二项式为例，2010年、2020年、2030年、2040年、2050年气候单产（式5-7）预测值分别为250kg/ha、121 kg/ha、-16 kg/ha、-145 kg/ha、-433 kg/ha，对应时间全国的气候单产yw（式5-8
16、）预测值分别为169kg/ha、188 kg/ha、206 kg/ha、223 kg/ha、256kg/ha。而对应时间的研究区平均处理的实际单产（式5-9）预测值分别为4909kg/ha、5117 kg/ha、5284kg/ha、5416kg/ha、5666kg/ha，表现为稳定的增长趋势。,3.6 冬小麦和玉米生产安全分析,冬小麦生产安全分析若根据式5-9的预测实际单产，未来50年内如果中国小麦种植面积保持1995年 2004年的平均水平2.66005107 ha，即使考虑未来人口增长，则2010年、2020年、2030年、2040年、2050年人均小麦粮食占有量由2004年的70.2kg
17、增长到94.6 kg、98.6 kg、101.9 kg、104.4 kg、109.2 kg。如果未来50年总产保持1995年2004年的平均水平，则2010年、2020年、2030年、2040年、2050年节省小麦种植耕地面积比例分别达21.75%、24.92%、27.30%、29.07%、32.20%。在未来50年模拟情景气候变化条件下，即使考虑未来50年中国人口的增长，中国小麦产量总体保持稳定增长，人均小麦可供应量仍保持稳定提高。总体看来，随着生产技术水平的稳定提高和种植面积的保证，未来中国小麦产量的气候波动响应不会对中国粮食生产安全产生负效应。,3.6 冬小麦和玉米生产安全分析,区域气候
18、波动下的中国玉米产量分析 如以全国平均处理的拟合二项式为例，2010年、2020年、2030年、2040年、2050年气候单产预测值yw（式5-10）分别为-48.0kg/ha、-173.4 kg/ha、-270.8 kg/ha、-34.3kg/ha、-469.9 kg/ha。而对应时间的东北春玉米产区站点平均处理的实际单产（式5-12）预测值分别为6200kg/ha、6265kg/ha、6339kg/ha、6411kg/ha、6574kg/ha，为高增产区；而对应时间的黄淮海夏玉米产区站点平均处理的实际单产（式5-13）预测值分别为5343kg/ha、5426kg/ha、5499kg/ha、
19、5554kg/ha、5671kg/ha，为中低增产区，各预测区表现为不同程度的稳定的增长趋势。,3.6 冬小麦和玉米生产安全分析,玉米生产安全分析若根据式5-12的预测实际单产，未来50年内如果中国小麦种植面积保持1995年 2004年的平均水平2.436801107ha，即使考虑未来人口增长，则2010年、2020年、2030年、2040年、2050年人均小麦粮食占有量由2004年的99.5kg增长到109.5kg、110.6 kg、111.9 kg、113.2 kg、116.1 kg。如果未来50年总产保持1995年2004年的平均水平，则2010年、2020年、2030年、2040年、2
20、050年节省玉米种植面积比例分别达21.07%、21.90%、22.82%、23.68%、25.58%。虽然未来50年模拟情景气候变化对中国玉米产量为明显的减产效应，而且即使考虑未来50年中国人口的增长，中国玉米产量总体仍然保持稳定增长，人均玉米可供应量仍保持小幅度稳定提高。总体看来，随着生产技术水平的稳定提高和种植面积的保证，未来中国玉米产量的气候波动响应在未来人口高峰期间，不会对中国粮食生产安全产生负效应,主要结论自1982年以来，研究区域冬小麦和玉米总产和单产在1997年左右达到历史新高，之后总体减产，单产区域性差异较大。在冬小麦和玉米的生长区，积温与降雨年际变化总体有微弱增加趋势：变暖
21、的季节主要出现在冬季，春夏交汇期气温变化是冬小麦生长期内积温年际变化的主要贡献部分，各站点玉米生长期内积温有明显的年际和季节性；所有站点生长期内降雨量季节分布对玉米比较有利。根据GCM模拟的气候波动情景，未来50年内区域气候因子波动对冬小麦产量的影响为增产效应，而玉米的气候单产响应总体表现为明显的减产效应。如果中国小麦和玉米的种植面积保持在1995年2004年的平均水平，即使在未来50年内人口高峰时期，区域气候变化也不会对中国粮食生产安全产生负效应。,4 主要结论与展望,主要研究成果 提出了一种基于小样本产量和气象数据利用的5a线性调和滑动处理方法，具有良好的滤波效果。此方法充分利用了样本数据信息，较好地实现了趋势单产的分离和气候单产提取；给出了一些适宜区域乃至全国较大范围的作物实际单产和气候单产拟合二次多项式，在几十年时间尺度上，较好的实现了作物产量的气候波动响应评估和未来模拟气候情景下的产量估算。,4 主要结论与展望,未来研究工作展望 数据源方面：作物区域选择合理性和全面性欠佳，数据样本空间偏 小，数据飘移现象较频。数据处理方面：噪音数据滤波效果有待提高。产量拟合方面：未能考虑气候因子波动的生育期分布和季节性分异；而且所涉气象因子偏少，如光照时、极限气温时数，有效积温时间等。,4 主要结论与展望,
