深度学习技术在农业干旱监测预测及风险评估中的应用

人工智能技术的发展,特别是深度学习的出现,推进了农业新发展,是农业现代化生产的新方向。深度学习具有学习能力强、覆盖范围广、适应力强、可移植性好等优点,其开发模拟数据集可以解决实际问题,在农业干旱的监测预测及风险评估中的应用越来越广泛。本文采用文献综述方法,归纳农业干旱监测预测评估技术的发展与应用,总结深度学习模型的原理、优势和不足,概述深度学习模型在农业干旱监测预测及风险评估方面的实际应用,探讨深度学习数据集要求大、数据预处理耗时长、预定义类别范围窄、遥感图像复杂的问题,并对未来研究方向进行展望。结果表明,近年来农业干旱监测预测及风险评估技术取得重要进展,然而由于农业系统的非线性及干旱灾害发生的复杂性,现有技术在适用地域、对象和精准性等方面仍难以满足新形势下实际农业生产的需求。深度学习方法为农业干旱研究提供了新手段,但深度学习模型无法准确表达作物生长具体过程与机理,可尝试探索通过深度学习模型和作物生长模型的耦合来确保深度学习模型的可解释性。对于修正预测序列中存在的误差,可建立基于深度学习模型与大气环流模式的耦合模型,进一步提升模型对中长期农业干旱的预测能力。针对灾害样本容量有限问题,加强基于深度学习和迁移学习的农业干旱监测与评估研究,可进一步提高农业干旱精细化监测与评估精度。针对影响农业干旱形成的因子具有数据量大、类型多样、非线性的特点,采用深度学习与信息融合相结合的方法,可进一步提高区域农业干旱监测预测及风险评估精度。因此,深度学习模型与作物生长模型的耦合、融合深度学习模型和大气环流模式的农业干旱预测、基于深度学习与迁移学习的农业干旱精细化监测与评估、深度学习与信息融合技术相结合的区域农业干旱监测预测及风险评估是未来深度学习技术在农业干旱监测预测及风险评估中应用的发展趋势。

多源强降雨灾情可信度智能判别方法

真实的灾情信息是有效防范和减轻强降雨灾害损失的重要参考。本研究以过程降雨强度(R)为指标,构建1984-2020年河北省县级多源气象灾情与致灾过程相匹配的强降雨灾害事件库。经过人工质控,获得真实灾情信息2305组,伪灾情信息263组。采用相关分析法确定与灾害发生程度(灾度)显著相关的降雨关键特征因子,基于单类支持向量机和十折交叉检验法,随机抽取10次样本,建立强降雨灾情气象因子致灾判别模型,并进行检验优化,以探索智能化、易用性的多源强降雨灾情可信度智能判别方法。结果表明:(1)与灾度显著相关的降雨关键特征因子共计11个,分别为最大降雨量、最小降雨量、过程平均降雨量、日均降雨量、平均小时雨强、1h最大雨量、3h最大雨量、6h最大雨量、12h最大雨量、24h最大雨量及前10日降雨总量,均通过了0.01水平显著性检验。(2)采用11个因子建立10个致灾判别模型(M1-M10),依据真实灾情判别准确率确定最优模型为M9,其证真率为96.4%,证伪率为67.6%,表明该模型对灾情真伪判定较为片面,应进一步优化。(3)通过自相关检验,以最大降雨量、平均小时雨强、1h最大雨量及前10日降雨总量4个因子作为输入因子,重新构建强降雨灾情气象因子致灾判别模型(M11-M20),最优模型为M20,其证真率和证伪率分别达到96.2%和82.9%。综合分析认为,由4个因子构建的气象因子致灾判别模型评估强降雨灾情可信度比11个因子建立的模型更可靠。

湖北暴雨洪涝灾害脆弱性评估的定量研究

基于湖北省76个气象站1961-2016年逐日降水资料、2004-2016年主汛期(6-8月)主要暴雨过程的灾情资料以及《降雨过程强度等级》行业标准,通过灰色关联法和曲线拟合法,针对强降水过程,构建湖北省暴雨洪涝灾害脆弱性曲线模型,其中2004-2015年数据用于模型的构建和回代检验,2016年数据用于模型的外延预评估,以期定量化评估强降水过程造成的暴雨洪涝灾害的影响。结果表明:以受灾面积比重、受灾人口比重、直接经济损失比重和表征灾情综合影响的综合相对灾情指数作为脆弱性定量化评估对象,构建的湖北省暴雨洪涝灾害脆弱性曲线模型,在外延预评估中,除直接经济损失比重的一致准确率为60%外,其它指标的一致准确率均在80%以上,等级预评估检验误差均在1个等级以内,模型评价效果较好。

基于过程降水量的长江中下游地区单季稻洪涝灾害指标构建

基于长江中下游地区1961-2014年297个气象站的日雨量数据,耦合单季稻生育期和洪涝灾情数据,统计单季稻不同生育阶段、不同等级的洪涝灾害样本过程降水量序列,基于S-W分布拟合检验,采用t-分布区间估计法计算样本序列95%可信区间的下限值,确定指标阈值,构建各省单季稻分生育阶段洪涝灾害的等级指标,并采用预留独立水稻洪涝灾害样本进行指标验证,分析了区域1961-2010年单季稻洪涝灾害的时空分布和风险分布。结果表明:同等洪涝灾情等级时,抽穗-成熟期的洪涝灾害指标阈值最高,拔节-孕穗期次之,移栽-分蘖期最低;同一生育阶段、同等灾情等级时,5省份的洪涝灾害指标阈值从低到高依次是江苏、安徽、湖北、湖南、浙江;各省每年均有单季稻洪涝灾害发生,发生次数呈波动增减,无明显的线性趋势;随着洪涝灾害等级加大,洪涝发生的次数减少;灾害的多发区主要位于鄱阳湖和黄山地区、浙江沿海及恩施和张家界一带;移栽-分蘖期灾害风险指数普遍较高,大部分地区风险指数在0.6以上;拔节-成熟期,风险指数高值区明显缩小,主要位于浙江沿海地区,其余大部分地区处于低值区,风险指数大都低于0.3。

用阴冷指数表征寒害程度的方法

针对现有寒害分析在因子选取上普遍缺少表述阴雨状况的问题,提出阴冷指数模型。基于农业和气象行业专家对海南各市县阴冷程度的排序,以及海南各市县1971-2010年逐日气象数据,采用均匀试验设计方法构建能反映低温强度和阴雨寡照综合作用的阴冷指数模型。依据阴冷指数模型,计算海南各市县1971-2010年历次阴冷过程的阴冷指数,按阴冷指数从大到小序列中的10%、30%和60%划分出重度、中度和轻度3级寒害及其指标,据此分析海南寒害的分布及变化。结果表明:寒害的地域分布特征与实际业务所监测的寒害情况相吻合,寒害的年际变化在《中国气象灾害大典》寒害记载中也得到了较好的印证,说明阴冷指数模型具有一定的实际应用性,可为寒害的监测、预警和评估提供新的技术方法。

晋南地区不同海拔高度典型木本植物物候特征及其对气候变化的响应

基于1983−2016年临汾市不同海拔高度上3个农业气象观测站(尧都区、隰县、安泽县)的6种典型木本植物物候期和温度的观测资料,统计分析其变化特征及相互影响。结果表明:(1)研究区年及四季气温整体呈上升趋势,尧都区增温幅度最大,春季增温极显著;月平均气温除隰县个别月份略有下降外,大多以增温趋势为主,其中3月增温极显著(P<0.01),是年平均气温升高的主要因素。(2)研究区内木本植物物候期最早和最晚平均相差1~2个月,物候期变化呈现较强的区域性特征,尧都区和安泽的木本植物春季物候期提前,秋季物候期推迟,植物生长季延长;隰县木本植物春季物候期推迟,秋季物候期提前,植物生长季呈缩短趋势。(3)木本植物展叶始期对年、春季及展叶前1~2个月的平均气温响应显著,随着气温升高,木本植物展叶始期表现为一致提前趋势;木本植物落叶末期在尧都区和安泽县随着气温的升高表现为明显的推迟趋势,受年、秋季及落叶前1个月的平均气温影响显著,在隰县随气温的升高表现为普遍提前趋势,受年均气温变化影响显著;随着气温升高尧都区和安泽县的木本植物生长季延长,隰县木本植物生长季变化不明显。说明晋南地区不同海拔高度的气温及其变化趋势存在较大差异;各代表站典型木本植物的物候期和生长季对气候变化的响应不同。

中国苹果旱涝灾害研究进展

苹果在中国果业生产中占有重要地位,气候变化背景下旱涝灾害频发重发,严重影响苹果产量和品质,总结苹果旱涝灾害已有研究成果可为防灾减灾应用提供技术方法支持。本文采用分类归纳、系统分析的方法并结合实际灾情,评述中国苹果旱涝灾害的最新研究进展,讨论苹果旱涝灾害研究存在的主要问题和未来发展方向。苹果旱涝灾害的形成和强度是由天气气候、地形、土壤结构等因素共同决定的;灾害指标主要分为形态学指标、天气气候指标和农业气象指标;风险评估多为考虑致灾因子的危险性评价;苹果各生育阶段各等级干旱均呈由北向南依次递减的分布特征。但已有成果多集中于北方苹果主产区不同生育时段的干旱灾害研究,存在灾害监测预警评估应用的针对性、时效性不足等问题。在加强果园观测数据获取的基础上,构建基于过程的灾变指标、建立灾害监测预警、风险评估模型与应用系统是未来重点研究方向。

中国富士系苹果主产区花期模拟与分布

在中国富士系苹果的5个主产区,分别选取花期资料系列较长的山东福山(环渤海湾产区)、河南三门峡(黄河故道产区)、甘肃西峰(黄土高原产区)、云南昭通(西南冷凉高地产区)和新疆阿克苏(新疆产区)作为代表站,利用SPSS统计软件,分析和筛选影响苹果花期的气象要素,构建富士系苹果的花期模拟模型;采用平均绝对误差(MAE)和分级加权满分率计分评判法对模型进行检验,并用代表站周边12个站点的物候观测资料对模型进行外延检验;在此基础上,逐站逐年模拟中国苹果主产区416个气象站1981-2018年富士系苹果始花期和末花期。结果表明:代表站苹果花期模拟模型单站检验满分率66.7%~100.0%,平均绝对误差0.4~3.4d,外延检验平均绝对误差1.2~5.1d。1981-2018年中国不同产区富士系苹果花期时间差异大,并呈提前变化的趋势,提前变化分界点在1997年前后;代表站平均始花期最早与最晚相差27.0d,平均末花期最早与最晚相差18.0d;始花期提前变化幅度1.6~4.5d·10a-1,末花期提前变化幅度1.2~3.8d·10a-1。中国富士系苹果花期空间分布特征表现为由南向北逐渐推迟,平均始花期从西南冷凉高地的3月中旬向北逐渐推迟至环渤海湾产区北部的4月下旬,平均末花期从西南冷凉高地的4月上旬向北逐渐推迟至环渤海湾产区北部的5月上旬。

Water consumption in summer maize and winter wheat cropping system based on SEBAL model in Huang-Huai-Hai Plain, China

Crop consumptive water use is recognized as a key element to understand regional water management performance. This study documents an attempt to apply a regional evapotranspiration model（SEBAL） and crop information for assessment of regional crop（summer maize and winter wheat） actual evapotranspiration（ET a） in Huang-Huai-Hai（3H） Plain, China. The average seasonal ET a of summer maize and winter wheat were 354.8 and 521.5 mm respectively in 3H Plain. A high-ET a belt of summer maize occurs in piedmont plain, while a low ET a area was found in the hill-irrigable land and dry land area. For winter wheat, a high-ET a area was located in the middle part of 3H Plain, including low plain-hydropenia irrigable land and dry land, hill-irrigable land and dry land, and basin-irrigable land and dry land. Spatial analysis demonstrated a linear relationship between crop ET a, normalized difference vegetation index（NDVI）, and the land surface temperature（LST）. A stronger relationship between ET a and NDVI was found in the metaphase and last phase than other crop growing phase, as indicated by higher correlation coefficient values. Additionally, higher correlation coefficients were detected between ET a and LST than that between ET a and NDVI, and this significant relationship ran through the entire crop growing season. ET a in the summer maize growing season showed a significant relationship with longitude, while ET a in the winter wheat growing season showed a significant relationship with latitude. The results of this study will serve as baseline information for water resources management of 3H Plain.

玻璃磷片衬里在氯磺化聚乙烯装置的应用及施工要点

本文分析了碱液循环罐腐蚀机理,在进行理论分析可行性后,提出采用玻璃鳞片进行防腐,在实践中,应用玻璃鳞片技术防腐施工,达到长效防腐的目的。并从施工控制的角度较详细地介绍了玻璃鳞片衬里施工控制要点。

中国普通油茶种植气候适宜性区划

发展油茶产业可有效增加农民收益,促进精准扶贫并改善生态环境。对油茶进行全国尺度的气候适宜性区划,可以为油茶产业的发展提供科学依据。本研究以中国分布面积最广、产量最高的普通油茶为对象,选择年平均气温、1月和7月平均气温、年降水量和日照时数为关键气候因子,计算主产区(即种植面积在6667 hm2以上的县市)的关键因子值。基于这些因子值,采用改进的气候相似距法进行全国1 km×1 km网格的普通油茶种植气候适宜性区划。结果表明:中国普通油茶的最适宜区面积为98×104km2,主要分布在湖南、江西、福建和浙江四省及周围省的相邻区域;适宜区面积和次适宜区分别为52×104和80×104km2,依次分布在最适宜区的外围;次适宜区北界约为北纬33.5°,西界约为东经111.5°,南界和东界不明显;湖南省的最适宜区面积最大,其次是江西、广西、浙江和福建,五省合计约占全国最适宜区面积的70%;与多种来源实际种植面积资料对比表明,区划较好地反映了普通油茶的种植状况;与主产区气候特征对比表明,区划较为准确地区分了普通油茶最适宜区、适宜区和次适宜区的气候特征。本研究明确了普通油茶种植气候适宜区的分布,可为油茶产业的规划布局提供科学支撑。

江西早稻高温热害等级动态判识及时空变化特征

构建考虑高温天气过程(包括发生时间、持续日数)的水稻高温热害指标,可以实现对水稻高温热害等级的动态判识,对精准监测、预警与评估水稻高温热害意义重大。以江西早稻为对象,利用气象资料、早稻高温热害灾情史料和生育期资料,反演历史早稻高温热害,采用K-S分布拟合检验和置信区间方法,构建基于高温天气过程的早稻高温热害动态指标,并采用预留的独立的早稻高温热害样本进行检验验证。在此基础上,计算江西各站点早稻高温热害指数(M),并分析水稻热害。结果表明:高温天气过程起始时间、持续日数是影响早稻高温热害发生程度的关键因子,其中,起始时间的影响大于持续日数。3~5 d早稻轻、中、重度高温热害的起始时间阈值分别为抽穗后第10~12、5~9、2~4天;6~8 d早稻轻、中、重度高温热害的起始时间阈值为抽穗后第11~18、8~10和1~7天;>8 d早稻轻、中、重度高温热害的起始时间阈值为抽穗后第12~18、8~11和0~7天。指标验证完全一致的吻合率为73.7%,完全一致及相差1级的吻合率为89.5%。1981-2015年,M的线性倾向率为0.04·a^-1,1999年左右发生由低到高突变;M高值区域主要位于江西中部和东北部,M>0.18;江西中部、东北部和南部地区M值呈显著增加趋势,线性倾向率均大于0.04·a^-1。总体来说,本文构建的指标实现了基于高温天气过程的早稻高温热害动态判识,江西中部和东北部是早稻高温热害的高风险区域。

基于转移概率法的南方晚稻寒露风初日预测

为保障南方晚稻的增产稳产，减轻寒露风对晚稻生育的危害，基于1961-2012年南方晚稻种植区707个气象站的逐日气象资料、晚稻寒露风发生的气象行业标准和晚稻生育期资料，将寒露风初日划分为10种状态，利用转移概率法以1961—2011年的资料建立预测模型，2012年的资料用于预测检验，进行晚稻寒露风初日的预测分析．结果表明：预测模型回代准确率为77％，且70．6％的站点回代准确率在70％以上，对2012年的预测检验中，有74％的站点预测准确；预测模型在寒露风历年发生相对较少的区域预测效果较好，在寒露风历年发生相对较多的区域，预测准确率有待进一步提高；预测模型在寒露风发生频次较少，单次灾害较重的区域具有更好的应用价值．

基于改进后相对湿润度指数的山西省气象干旱时空特征

基于山西省境内较为均匀分布的70个地面气象观测站57 a(1960-2016年)的逐日降水量、气温、日照时数、相对湿度、风速、水汽压等气象资料,选用国家标准中相对湿润度指数(M),在其基础上构建了改进的相对湿润度指数(M10i)作为干旱指标,以年、季为时间尺度,研究山西省干旱频率和强度的空间分布特征,并分析干旱频率和强度的年际变化规律。结果表明:改进的相对湿润度指数可很好地表征出典型干旱年;从57 a的资料来看,山西干旱程度总体呈现加重的趋势;对比各年代干旱程度,以20世纪60年代干旱最轻,80年代和90年代干旱最为严重,90年代之后又呈现逐年代减轻的趋势;山西省干旱强度呈北高南低的分布,北部大部、太原中部干旱强度最强;冬季、春季干旱强度明显高于夏季和秋季;山西省历年特旱的频率明显高于其他等级的干旱,重旱频率略高于轻旱和中旱的频率;大多数年份,山西省冬季总干旱频率最高,春季次高,秋季较低,夏季最低。

山西省参考作物蒸散量的时空变化特征

基于山西省境内70个地面气象观测站1960—2019年的逐日降水量、气温、日照时数、相对湿度、风速、水汽压等气象资料,应用Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量(ET0),对山西省ET0的时空变化特征及不同气候带和海拔的蒸散特征进行定量分析。结果表明:1960—2019年,研究区年均ET0在空间上呈现由西向东逐渐递减的趋势;以1982年为拐点,前后两个时段均呈逐年增加趋势,月际、旬际波动为单峰变化曲线。不同气候带ET0的差异性表现为:温带半干旱气候区的年、春、夏、秋季ET0高于暖温带半湿润气候区和暖温带半干旱气候区;冬季,暖温带半湿润气候区ET0最高。不同海拔ET0的差异性表现为:<660 m海拔区的年、夏、秋、冬季ET0高于其他海拔区域。

海藻精对玉米种子萌发及苗期水分胁迫的影响

盆栽条件下,以珠玉甜1号、珠玉糯1号为材料,研究重度干旱、中度干旱、轻度干旱、正常供水、轻度淹水和重度淹水等6个不同水分条件下,4个不同浓度的海藻精对两个鲜食玉米品种种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明,在水分胁迫下,海藻精对两个鲜食玉米种子萌发无显著效果;在玉米苗期施用海藻精0.50 g/L可促进根长增长、根条数增加,提高保护酶活性。在重度干旱和重度淹水下,珠玉甜1号幼苗叶片丙二醛(MDA)含量较未施用分别减少8.6%、22.3%,可溶性糖分别增加33.2%、42.1%。表明施用海藻精可减轻水分胁迫对细胞膜的损害,并积累可溶性糖进而增强鲜食玉米苗期的抗逆性。在水分胁迫频繁发生的背景下,华南地区种植鲜食玉米时施用海藻精有利于其稳产和高产。