基于全局敏感性分析和贝叶斯方法的WOFOST作物模型参数优化

作物模型参数的敏感性分析、标定和验证可以提高模型的效率和精准度,进而为模型应用做好准备工作。该研究结合参数全局敏感性分析方法以及贝叶斯后验估计理论的马尔科夫蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)方法,以华北栾城站三年的冬小麦观测数据(叶面积和地上生物量)为参照,对WOFOST模型的55个品种参数进行了敏感性分析、筛选和优化。发现:1)对叶面积影响较大的参数为:生育期为0、0.5、0.6和0.75时的比叶面积、生育期为1.5时的最大光合速率、叶面积指数最大增长率;对地上干物质影响较大的参数为:生育期为1.5时的最大光合速率、生育期为0时的比叶面积、35℃时叶面积的生命周期、生育期为0时的散射消光系数、生育期为1.8时的最大光合速率、储存器官的同化物转换效率。2)潜在和雨养产量水平下,最大叶面积和地上生物量对参数的敏感性差异不大。3)马尔科夫蒙特卡洛方法(MCMC)可以对WOFOST模型品种参数较好地优化;设计的3种校正-验证方案中,第1种方案(用1998-1999年作为校正年份,1999-2000年,2000-2001年作为验证年份)模拟效果最好。4)优化后的参数,模型对潜在产量水平模拟较好,一致性指数均大于0.9,相对均方根误差小于20%;而对有水分胁迫的雨养情况下比潜在产量水平的模拟结果差,表明模型对水分胁迫的模拟不足。该研究为WOFOST模型区域应用和模型调整优化提供科学理论依据。

基于极值概率分布函数的中国早稻高温热害时空分布统计特征

揭示水稻高温热害风险特征对农业适应气候变化具有重要意义。本研究以中国早稻种植区为研究区域,基于早稻种植区214个气象站1971—2015年的数据,利用Mann-Kendall非参数趋势检验方法和极值概率分布理论,探究中国早稻高温热害的时空变化趋势和极值概率分布规律。研究发现:1)反映早稻高温热害的两个指标即高温热害累计天数(ADHS,accumulateddaysofheatstress)和热害有害积温(HDD,heatstressdegree days)的均值在湖南中南部、江西中部、浙江和福建中部较大,表明这些区域的早稻遭受高温热害的风险较大;从Mann-Kenall趋势检验看,两个指标在超过1/3的站点都呈显著增加的趋势,说明高温热害风险在这些站点显著增加,尤其20世纪90年代以后超过1/2的站点两个指标都呈显著增加的趋势。2)超过1/2以上的站点的高温热害累计天数和高温有害积温都满足极值概率函数分布。对于高温热害累计天数,56个站点满足耿贝尔分布(Gumbel),82个站点满足广义极值分布(GEV);对于热害有害积温,61个站点满足耿贝尔分布,58个站点满足广义极值分布。3)两个高温热害指标的10年、50年、100年重现期的空间分布规律和2个指标的均值空间分布类似,即均值较大的区域,其10年、50年、100年重现期对应的重现期水平(return level)也较大;重现期水平与经度、纬度和海拔无明显相关关系。研究结果有助提升对早稻高温热害时空趋势和概率分布规律的认识,可为农业适应气候变化和农业天气指数保险设计等方面提供理论参考。