基于云模型的黄河故道砀山酥梨气候适宜性分析*

李 德，周文麟，孙 义，孙惠合（.安徽省宿州市气象局, 宿州 34000；.安徽省合肥市气象局, 合肥3600）

基于云模型的黄河故道砀山酥梨气候适宜性分析*

李 德11，周文麟2，孙 义1，孙惠合1
（1.安徽省宿州市气象局, 宿州 234000；2.安徽省合肥市气象局, 合肥236001）

选取黄河故道砀山酥梨代表性产地砀山县为样点，利用梨树物候期长期定位观测资料和气象监测数据，基于云模型理论建立了光、温、水气候适宜度。采用加权综合法和几何平均法，确定不同物候期和年际气候适宜度。结果表明，日照适宜度可由左半云，气温与降水适宜度可由梯形云来刻画。综合气候适宜度与梨果实际单产、气候产量和单株产量的相关系数分别为0.4452（P＜0.05）、0.3734和0.5620（P＜0.01）。1961-2015年，砀山酥梨气候适宜度变化趋势不明显，但1961-1989年和1990-2010年分别为气候适宜度偏高与偏低时段，1987年为气候适宜度累计距平最大年份。研究期间，气温适宜度呈极显著增加趋势，每10a约增加0.0274。日照与降水适宜度无明显变化趋势，降水适宜度平均值比日照和气温适宜度低，且变异系数是日照和气温适宜度变异系数的4倍。各物候期气候适宜度未呈现趋势性变化，但萌芽期和花期的气候适宜度偏低，在0.50～0.53，且变异系数较大，在45.0～57.0。其它物候期气候适宜度和变异系数相对偏小。在气候变化背景下，气温升高对梨果生长有利，砀山酥梨生产中应加强萌芽-花期的管理，以增强梨树的气候适宜性。

云模型；梯形云；左半云；光、温、水气候适宜度；砀山酥梨

砀山酥梨（Pyrus bretshneideri Rehd cv.Dangshansu pear）原产安徽省北部砀山县，已有500多年栽培历史。目前，仅砀山县境内栽培面积已达50000hm2，为世界最大的连片果园，是中国栽培面积最大的梨品种和重要的梨树资源之一，在世界水果市场中占据重要地位[1-2]。然而，在全球气候变化背景下，植物生长环境及其发育已受到气候变化的影响[3]，砀山酥梨生长环境的天气气候条件亦呈现明显变化，尤其是近年来花期低温霜冻、果实膨大期的大风、冰雹灾害等呈多发态势，对砀山酥梨产量和品质造成较严重影响与危害[4]。在中国梨树气候区划中，砀山县属砀山酥梨适宜和较适宜栽培区[5]，是黄河故道栽培砀山酥梨的典型样区，开展气候条件对砀山酥梨生长发育的影响评价研究，对区域气候资源开发利用、梨园小气候调控等具有重要意义。

采用特定时段气候要素值对比分析和基于模糊隶属函数建立气候适宜度再构建评价模型，是评价气候条件对作物生长发育影响的2种传统方法[6-7]。前一方法为定性、静态评价，常用于定性评价农业气候资源的优劣。后一方法，自20世纪80年开始，已被许多学者应用于农业气候资源[8-9]、作物产量预报[10-11]、生育期预测[12]以及水稻[13]、小麦[14-15]、玉米[16]等主要农作物气候适宜度的定量评估。但是其存有明显不足：一是模糊隶属函数法建立的气候隶属度难以刻画气候条件对作物生长发育影响的随机性。二是模糊隶属函数一旦建立，其模糊性就被强行纳入精确计算之中，气候适宜度原本要刻画的气候条件对植物影响的模糊性亦随即消失[17]。近年，基于解决不确定问题提出的云模型理论[17-18]建立的气候适宜度，能同时刻画气候条件对作物生长影响的随机性与模糊性，已在麦田喷药气象适宜度和冬小麦气候适宜度等上进行了应用[19-20]。为此，选取黄河故道酥梨代表性产地砀山县为样点，利用砀山酥梨生长发育及其同步气象要素的长期定位观测数据，结合砀山酥梨生理生态及其经验气象指标，基于云模型理论，在建立砀山酥梨单个气候因子和综合气候适宜度评估模型的基础上，定量分析了砀山酥梨气候适宜度变化特征及其对气候变化的响应，以期为砀山酥梨生产应对或适应气候变化等提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

安徽省砀山县位于苏鲁豫皖4省7县交界处，百里黄河故道横卧其间，果园土壤多系近代黄泛沉积物发育而成的潮土，土层深厚，通透性好，pH值8.2左右，呈弱碱性。砀山县经纬度为 116º09′-116º38′E，34º16′N-34º29′，境内年平均气温14.4℃，年日照时数2120.0h，年降水量746.7mm，全年≥10℃有效积温 4864.4℃·d，十分适宜砀山酥梨栽培。但是砀山县及其周边砀山酥梨栽培地区，属南暖温带与北亚热带的气候过渡带，年际间气候波动大，特别是在近年，砀山酥梨生长期间霜冻、大风等气象灾害多有发生，一定程度上影响了梨果产量和品质。

1.2 数据来源

1961-2015年砀山县逐年光、温、水等逐日气象要素监测数据，1996-2015年酥梨生长发育的定位观测数据，来源于安徽省砀山县国家气象观测站。

砀山酥梨观测地段与观测植株的选择标准、物候期观测方法和产量因素（平均单果重、单株果实重、单位面积产量等）的监测方法，均按照《农业气象观测规范（下卷）》[21]执行。观测地段位于砀山县气象观测场东南方向，距气象观测场2.5km，果园土壤肥力中等。观测植株1966年定植，种植密度为241株·hm-2。统计 1996-2015年物候期观测资料，得到砀山县砀山酥梨各主要物候期的日期，作为砀山酥梨各物候期的常年平均日期（表1）。

表1 1996-2015年砀山酥梨主要物候期平均日期（月.日）Table 1 The average date of main phenophases of Dangshansu pear in Dangshan county in 1996-2015 (mm.dd)

1.3 研究方法

1.3.1 单一气候要素的适宜度模型

云模型是解决不确定性中的随机性和模糊性的数学理论[17-18]。其定义为，设Ω是一个精确数值表示的定量论域，C是Ω上的定性概念，对于任意一个论域中的元素x，都存在一个有稳定倾向的随机数μ(x)∈[0,1]，称之为x对C的隶属度，则x在论域Ω上的分布称为云模型（cloud model），简称为云（cloud），每个[x，μ(x)]称为一个云滴，并由云模型的数字特征（Ex, En, He）确定，即

式中，期望值（Ex）标定了云对象在论域中的位置。熵（En）是概念模糊度的度量，即亦此亦彼性的裕度。超熵（He），也称为熵的熵，是熵（En）的不确定性度量，反映了隶属度的不确定性。其中)，即以En为期望、He2为方差的正态随机数。

正态云模型是在正态分布和钟形隶属函数的基础上发展起来的具有普适性的模型[22]。以正态云模型为基础可以进行各种云运算，并得到左、右半云、梯形云等。如当Ex是一个区间[L,M]，即当Ex1= L、Ex2=M时，μ(x)=1，则云模型转化为梯形云模型。当Ex有右边界K，即当xi≥Ex= K时，μ(x)=1，此时云模型转化为左半云。

云模型理论给出了正态云图生成算法，可由云参数（Ex，En，He）进行计算机仿真实现，具体步骤为：（1）生成以En为期望值、He2为方差的正态随机数；（2）生成以Ex为期望值、为方差的正态随机数 xi，即；（3）由式（1）得到云滴。（4）重复上述步骤N次，即生成由N个云滴构成的云图。本文参考文献[20]方法，分别建立光照、气温、降水三个要素对酥梨不同物候期生长发育影响的左半云和梯形云模型。

1.3.2 各要素气候适宜度云模型参数的确定

采用文献[20]的方法确定各云参数。即对于有确定度（即有约束性）的问题，Ex即取其约束性的描述值或界限值[8]。En按照“3En”法则，取Ex距离上限（a）或下限（b）值的1/3来表示，即当影响关系为左半云时，En=(Ex-a)/3；为右半云时，En=( b-Ex)/3。He，一般根据变量的波动情况和经验确定。

1.3.3 酥梨生长的气候适宜度模型

酥梨生长发育过程中，某物候期光照适宜度μ(S)、温度适宜度μ(T)和降水适宜度μ®相互作用决定一个物候期的气候适宜度，本文采用几何平均法确定各物候期气候适宜度，即

式中，μj(S,T,R)为酥梨第 j个物候期的气候适宜度，μj(S)、μj(T)、μj®分别为第j个物候期的日照适宜度、温度适宜度、降水适宜度。

1.3.4 酥梨全生育期气候适宜度

酥梨各物候期生理生态特征不同，对气候条件的需求也不同。同时，各物候期气候因子对酥梨生长发育及产量形成的影响程度亦有差异。因此，为客观反映不同时期气候因子对酥梨生长发育的影响强度，计算一个年度内（自休眠到成熟采摘）的气候适宜度，必须为各物候期气候适宜度设定权重。本文采用加权法[15,20]确定酥梨全生育期的气候适宜度。权重系数采用一元积分回归法确定，即分别计算逐物候期日照时数、气温和降水量对酥梨产量的积分效应系数（asj、atj、arj），每个物候期积分效应系数的绝对值除以所有物候期的积分效应系数绝对值的总和，作为每个物候期日照时数、气温和降水量适宜度的权重系数。以各要素逐物候期的隶属度乘以对应的权重系数，然后相加，得到酥梨一个年度内日照时数、气温和降水量的适宜度。即

式中，bsj、btj、brj分别为第j个物候期日照时数、气温和降水量隶属度的权重系数， Sm()、 Tm()、(R)m分别为酥梨一个年度内的日照时数、气温和降水量适宜度。

再采用几何平均法，得到酥梨一个年度内的气候适宜度。即

1.4 模型检验

为检验本文建立的酥梨气候适宜度能否客观反映气候条件对酥梨生长发育的影响，将 1996-2015年安徽省砀山县酥梨各年度单产资料，先分解为趋势产量和气候产量，前者的变化主要是由社会经济因子造成，后者则主要取决于气候因子。采用 3次多项式拟合法得到趋势产量，与实际产量对比，得到 1996-2015年酥梨气候产量。经检验，分解得到的砀山酥梨气候产量符合正态分布。再利用1996-2015年砀山酥梨气候适宜度，与对应的砀山酥梨气候产量、单株果实产量进行相关分析，检验所建立的气候适宜度对砀山酥梨产量的解释能力。

2 结果与分析

2.1 单一要素气候适宜度云模型

2.1.1 日照时数适宜度云模型

日照时数由少到多的变化，对砀山酥梨生长发育的影响表现为由“不适宜”到“适宜”。“适宜”时的日照时数称为日照临界值。植物在一个地域的长期栽培、选育，促使其对当地日照条件形成很强的生态适应性[16-17]，而该地域日照时数的气候平均值，反映了一定时期当地日照条件的平均状态。砀山酥梨在黄河故道地区已有500a栽培历史，已对当地生态环境和日照条件形成很强的适应性。为此，结合专家经验，取砀山酥梨各物候期日照时数气候平均值，作为日照时数适宜度最大时的临界值，也即Ex（表2）。依据表2中的云参数，采用逆向云生成算法[7]和MATLAB编程，取500个云滴，通过计算机仿真，即生成各物候期日照时数适宜度[μj(S)]的云模型（图1）。

从图 1可见，各物候期日照适宜度云模型均呈“S”型，符合日照条件对植物生长发育影响的基本规律[9,23-24]，即日照时数在临界日照时数及以上，对酥梨生长发育的适宜度最大。比临界值越小，日照适宜度越小，且呈非线性衰减。同时，临界值以下的同一日照条件，对酥梨生长发育的影响也不尽相同，即适宜度是不确定的，表现为“云雾状”，且不确定性越大，“云雾状”越明显，尤其是开花期和幼果期这种特征最为明显（图 1c、d），说明砀山酥梨开花、幼果期的日照时数低于临界值造成的影响显著大于其它物候期。

表2 1996-2015年砀山县酥梨不同物候期日照时数气候平均值和云模型参数Table 2 The climatic mean sunshine hours of Dangshansu pear and cloud model parameters at different phenophases in Dangshan county in 1996-2015

根据式（1），当已知某物候期的日照时数（si），驱动各自云模型可得到一组云滴（μj(S)）值，求取云滴的期望值或算术平均值，即可作为该物候期的日照时数适宜度。本文在计算 1961-2015年酥梨逐物候期日照适宜度时，以 5个云滴的算术平均值，作为某物候期日照时数适宜度，即

图1 砀山酥梨不同物候期日照时数适宜度云模型Fig. 1 Cloud models for the sunshine hours suitability of Dangshansu pear in different phenophases in Dangshan county

式中，i = 1, 2, …, 5，即云滴（x, μ(s)）的个数。

2.1.2 气温适宜度云模型

气温的高低变化直接影响砀山酥梨能否正常开花、坐果以及新梢的正常生长、梨果品质的优劣及其产量的高低。在休眠期，需要一定的低温和需冷量[1-2]，但当气温低于-10℃时，枝条与根系会受冻而死亡，危害安全越冬。春季开花期间，当气温低于7℃时，梨花就会遭受危害，遇5℃以下低温，花粉管即受冷害[4]。果实成熟期间，若昼夜温差大，利于同化物积累、果实着色和糖分增加。但若平均气温 30℃（或日最高气温35℃）以上时，会发生日灼病，导致烂果率增加，并抑制新梢生长和花芽分化，影响来年产量与品质等。为此，综合利用前人研究成果，并结合多年气象服务经验，得到各物候期最低温度、最高温度和最适宜温度指标（表 3）。各物候期温度适宜度的云模型参数如表4。利用表4中云模型参数，采用逆向云生成算法，取500个云滴，由MATLAB语言编程，通过计算机仿真，即生成酥梨各物候期气温适宜度（μj(T)）云模型（图2）。

从图2可以看出，气温处于适宜指标范围之内时，各物候期气温适宜度最大，低于适宜温度指标下限或高于上限时，气温适宜度减小。偏离适宜温度指标越远，气温适宜度越小，且呈现出“云雾状”。表明偏离适宜指标的温度条件，对酥梨生长发育的影响具有显著的不确定性，且6个物候期具有相似特征。

表3 砀山酥梨不同物候期温度指标（℃）Tabel 3 The temperature indices of Dangshansu pear in different phenophases in Dangshan county（℃）

表4 砀山酥梨不同物候期温度适宜度云模型参数Tabel 4 The cloud model parameters for the temperature suitability of Dangshansu pear in different phenophases

图2 砀山酥梨不同物候期气温适宜度云模型Fig. 2 The cloud models for temperature suitability of Dangshansu pear in different phenophases in Dangshan county

同理，按照式（6），取 5个云滴平均值，作为某物候期的气温适宜度。

2.1.3 降水适宜度云模型

在年降水量 600～900mm的地区，梨树生长与结实良好。但久旱、久雨对梨树生长发育均不利，特别是果实膨大期久旱遇大雨，可导致裂果，严重影响果实产量与品质等。一般，砀山酥梨生长发育对降水量的需求有一个适宜范围。在适宜降水量范围之内，降水适宜度最大。当降水量低于适宜降水量下限或超过上限时，降水适宜度会随之减小。因此，降水量适宜度可由梯形云来刻画。对于基本不采取补水的砀山雨养酥梨，不同物候期的降水量指标，可以通过不同时期酥梨需水量来确定。

按照侯英雨等[16]方法，即作物某一物候期（或阶段）的需水量（ETp）是指在最适宜的土壤水分和肥力条件下，在田间正常发育、无病害并达到高产水平的特定作物的农田蒸散量。其计算式为

式中，ET0为计算时段内的参考作物蒸散量，采用联合国粮农组织（FAO）推荐的Penman-Monteith模型（1998版）计算[19]。其中，Kc为相应时段的作物系数，综合文献[25-27]获得（表5）。

表5 砀山酥梨各物候期的作物系数（Kc）Table 5 Crop coefficients of Dangshansu pear in different phenophases（Kc）

根据黄河故道砀山县气候生态条件和砀山酥梨各物候期需水特点，确定休眠期-花期和幼果期-成熟采摘期需水量的下限指标分别为 0.75ETp、0.85ETp。休眠期-幼果期、果实成熟（采摘）期和果实膨大期需水量的上限指标分别1.20ETp和1.60ETp。将降水量为0.0和1961-2015年降水量的最大值，分别作为降水量发生可能量值的限定指标（表 6）。同理，依据1.3.2节方法，得到酥梨不同物候期降水适宜度的云模型参数（表7）。利用MATLAB语言，根据表 7中各云参数，采用逆向云生成算法，取 500个云滴，通过计算机仿真，生成各物候期降水量对酥梨生长发育的适宜度（μj(R)）云模型（图3）。

表6 砀山酥梨不同物候期的降水量指标（mm）Table 6 Precipitation indices of Dangshansu pear in different phenophases (mm)

表7 砀山酥梨不同物候期降水量适宜度云模型参数Table 7 Cloud model parameters for the precipitation suitability of Dangshansu pear in different phenophases in Dangshan county

图3 砀山酥梨不同物候期降水适宜度云模型Fig. 3 Cloud models for precipitation suitability of Dangshansu pear in different phenophases in Dangshan county

从图 3可见，各物候期降水适宜度云模型较好地刻画了降水对砀山酥梨生长发育的影响，即降水量在适宜范围内时，适宜度最大。小于降水量指标下限或超过上限值时，降水适宜度衰减。同时，由图3b、图3c可以看出，在酥梨萌芽期、花期，出现小于或多于适宜降水量指标时，降水适宜度不确定性呈现明显的“云雾状”，而其它物候期云雾状相对较弱。另外，由图3d发现，梯形云的右边较左边明显陡，表明在幼果期，过多降水量较降水不足对酥梨的不利影响明显偏大。

按照式（6），取 5个云滴的平均值，作为某物候期的降水适宜度。

2.1.4 气候适宜度云模型检验

经相关分析，1996-2015年酥梨气候适宜度与实际单产、气候产量和单株产量的相关系数分别为0.4452（P＜0.05）、0.3734（P＜0.10）和0.5620（P ＜0.01）。可见本文所建立的气候适宜度对酥梨产量有较强的解释能力，基本反映了气候适宜度大，则产量高。反之，气候适宜度小，则酥梨产量低的规律。

2.2 黄河故道酥梨光温水气候适宜度变化特征

2.2.1 单一气候因子适宜度

由图4可见，1961-2015年降水气候适宜度波动较大，其最小值为 0.16（2000年）、最大值为 0.98 （1980年），日照时数和气温的气候适宜度波动相对较小。统计 3个要素气候适宜度的平均值和变异系数显示，日照、气温、降水适宜度的平均值分别为0.95、0.85和0.59，相应的变异系数分别为5.24、9.75 和33.96。可见，降水适宜度较日照与气温适宜度偏小，且变异系数大，说明砀山酥梨生长发育的日照条件优于温度和降水，其中降水条件最差。

从时间上看，1961-2015年，日照与降水适宜度的线性变化趋势均不明显，但气温适宜度呈极显著增大趋势，上升速率为每10a增加0.0274（P＜0.01），说明随着气候变暖，气温条件对砀山酥梨生长发育的适宜程度在提高。

2.2.2 综合气候适宜度

（1）年际、年代际变化

表8为1961-2015年砀山酥梨各年代综合气候适宜度，由表可见，综合气候适宜度为 0.77，其中1961-1989年与 2010年以来为高值期，平均 0.76～0.82。1990-2009年为低值期，平均值为0.73。2010-2015年气候适宜度相对偏高，为0.80。

图5为1961-2015年砀山酥梨综合气候适宜度累积距平变化，由图可见，1973年之前适宜度为负值期，其后气候适宜度累积距平转为正值，且逐年增加。至1987年，累积距平达最大值（0.69）后开始减小，至2000年转为负值，并持续至2013年，表明2000-2010年气候条件对酥梨生产不利，分析认为这段时间正是本地花期冻害、膨大期风灾、雹灾等气象灾害多发期。

图4 1961-2015年酥梨逐年日照、气温和降水适宜度Fig. 4 Annual variations of climatic suiabilities of annual sunshine hours, temperature and precipitation during Dangshansu pear growth period in Dangshan county in 1961-2015

表8 不同年代砀山酥梨气候适宜度Table 8 The climate suitability of Dangshansu pear in different period

图5 1961-2015年砀山酥梨综合气候适宜度累积距平Fig. 5 The accumulated anomaly of integrated climate suitability for Dangshansu pear in 1961-2015

（2）各物候期变化

1961-2015年各物候期综合气候适宜度未呈现明显趋势性变化，但各物候期变异系数差异较大。其中萌芽期和花期变异系数较大，分别为 46.75和57.34。休眠期、幼果期和成熟期相对偏小，在30.0～34.0。果实膨大期最小，为 21.36。可见，果实膨大期气候条件较适合砀山酥梨的生长。

55a间，各物候期综合气候适宜度平均值（图6）以幼果期、膨大期、成熟期和休眠期为高，在 0.70以上，其中膨大期最大，为 0.81。萌芽期与花期偏低，在0.55以下，其中花期最小，为0.50。

从年际间看，各物候期综合气候适宜度随年代呈现波动性变化。萌芽期综合气候适宜度随年代呈现由高到低再波动升高的趋势。20世纪90年代之前，花期综合气候适宜度随年代推进而上升，之后突然减小。休眠期、幼果期、果实膨大期和成熟期的综合气候适宜度随年代变化趋势相似，呈由高到低增加的趋势，4个物候期均表现为进入20世纪10年代以来呈增加趋势，以果实膨大期综合气候适宜度最高，为0.89。

综合分析认为，砀山酥梨以萌芽期、花期气候条件较差，其它物候期相对偏好，以果实膨大期气候条件最优。

图6 不同年代砀山酥梨各物候期平均气候适宜度Fig. 6 The climate suitability in different phenological periods for Dangshansu pear in different decade

2.3 黄河故道酥梨气候适宜度评价

气候条件对果树生长发育的适宜程度是一个相对的量化指标。不同区域、不同品种的气候适宜度评价指标不同[27]。采用样本序列百分位法[16]，结合酥梨生长特性，对 1961-2015 年的气候适宜度由低到高进行排序，得到气候适宜度序列，即 N1、N2、…、N55，其中，N代表气候适宜度，数字 1、2、…、55 代表由低到高的排序位置。分别将历年气候适宜度序列中的前20%，即N11（第11位），中值即N23（第28位），后20%，即N44（第44位）分别作为“不适宜”、“适宜”、“最适宜”的评价指标，相应的气候适宜度指标值分别＜0.67、[0.67,0.87]、≥0.87。

按照上述等级指标，将 1961-2015年逐年气候适宜度进行归类统计，结果见图7。

由图7可以发现，“最适宜”指标值在0.86～0.94区间，波动相对较小，平均0.89。“适宜”指标值在0.67～0.86区间，平均0.77。“不适宜”指标值在0.50～0.67区间，平均0.62。“适宜”与“不适宜”指标波动范围较大。

统计发现，研究期内气候适宜度为“最适宜”的年份有12a，占22%；“适宜”的年份有33a，占60%；“不适宜”的年份有10a，占18%。

年际间不同等级气候适宜度出现频率表明（图8），各年代“不适宜”等级出现频率均较低，除21世纪00年代为40%外，其它年代发生频率均在25%以下，其中20世纪80年代未出现“不适宜”等级。“适宜”与“最适宜”等级合计出现频率，除21世纪00年代为60%外，其它年代出现频率平均在 80%以上，特别是进入 21世纪 10年以来，出现频率高达 83.3%。表明砀山县 80%以上年份的气候条件对砀山酥梨生产是适宜的。这与砀山县作为砀山酥梨原产地，被称为“优梨之冠”盛产地的实际相一致[1-2,4]。

图7 1961-2015年砀山酥梨气候适宜度不同等级出现年数Fig. 7 The number of years in different grades of climate suitability for Dangshansu pear in 1961-2015

图8 各年代砀山酥梨不同等级气候适宜度出现频率Fig. 8 The rate of recurrence in different grades of climate suitability for Dangshansu pear in 1961-2015

3 结论与讨论

3.1 讨论

（1）将气候要素对作物生长发育的适宜程度看成是模糊性的，并由值域为[0,1]的模糊子集的不同隶属函数来描述，是以往研究作物气候适宜度的理论基础[7-8,14-15]。其中如何选配符合客观实际的隶属度函数是其技术关键[7]，但至今对所选用的隶属函数的具体意义都未作明确说明，且一旦隶属函数确定后，其后的相关运算、推理等过程均失去了原本所假定的气候要素对作物生长发育影响的模糊性，气候要素与隶属度之间就成为描述“一对一”的确定关系的固定的曲线。虽然选配的光照隶属函数能反映高于临界条件的日照适宜度是一集合子集，但是由温度与降水的隶属函数反演其最大适宜度时所对应的温度与降水条件不是一个区间而为一个固定值，显然与生物学规律相悖[23-24]。基于自然界普遍规律的正态分布和钟形隶属函数发展起来的云模型理论[17-18]，能较好地解决隶属函数法建立的气候适宜度不能将随机性和模糊性统一起来的不足[18,20]，该研究将其应用到砀山酥梨气候适宜性评价，根据日照、气温和降水对酥梨生长发育的影响特性，分别采用左半云和梯形云来表达，并由Ex、En、He三个数字特征来确定云图。在计算机仿真时，既不是一个确定的概率密度函数，也不是一条明晰的隶属曲线，一个气候要素值对应的是一组云滴即隶属云，较好地表达了气候要素对梨树生长发育影响的不确定性。这是落叶果树气候适宜性评价方法上的一种改进。

（2）光、温、水要素指标是构建砀山酥梨气候适宜度云模型的基础。本文多是从已有文献并结合多年气象服务经验确定。其中临界日照时数是依据作物在一个地区长期栽培、选育后对其环境具有较强适应性[13,23-24]的生态学原理确定的。同时，在确定各物候期的降水量指标时，利用FAO推荐的P-M公式由参考作物蒸散量与作物系数Kc进行推算，其中Kc是根据相关文献估算的结果。同时，权重系数虽然间接考虑了不同物候期需水特性，但未能考虑降水的后效性和有效性[16]问题，为所建模型不足，这是以后研究中需加以改进的。

（3）落叶果树休眠是下一年正常开花结果必需的一个过程[2,28]。休眠期间枝条、芽及其它器官内部仍进行着一系列复杂的生理生化活动，同样受到环境气象条件的影响。从休眠到开花结果再到果实成熟是酥梨完整的生产周期，对其全过程气候适宜性进行评价，才能全面揭示气候条件对酥梨生产的影响。因此，本文在气候适宜度评价模型中增加了休眠期，这是对现有落叶果树气候适宜性评价研究不足[29-30]的一个完善。

（4）1961-2015年，砀山酥梨综合气候适宜度变化趋势不明显，但1961-1989年和1990-2010年的综合气候适宜度分别为偏高和偏低期。萌芽期与花期气候适宜度在0.50以下，其它物候期高于0.70。研究期内日照条件的适宜性最高，气温次之，降水条件对梨果生长的适宜性最低。55a间，降水与日照适宜度的变化趋势不明显，但气温适宜度呈极显著增加趋势，每10a约增加0.0274。这与温度升高整体上对梨和桃的生产起正向效应[31]的研究结论相似。

3.2 结论

基于云模型建立的砀山酥梨气候适宜度模型，可用于定量评价气候条件对酥梨生长发育的适应性。砀山县 80%以上年份的气候条件对酥梨生长的适宜性较高，且气温升高气候适宜性增大。生产上应重视萌芽-开花期的管理，以增强梨树生产的气候适应性。

References

[1]伊兴凯,徐义流,张金云,等.黄河故道地区砀山酥梨需冷量的研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版), 2013, 41(9): 132-138. Yi X K,Xu Y L,Zhang J Y,et al.Measurement and evaluation of chilling requirement of Dangshan pear in the old course of the Yellow River area[J].Journal of Northwest A&F University: Nat Sci Ed,2013,41(9): 132-138.(in Chinese)

[2]伊兴凯,徐义流.初春温度变化对砀山酥梨芽萌发及坐果的影响[J].安徽农业大学学报,2012,39(5):697-701. Yi X K,Xu Y L.Effect of temperature changes in early spring on the buds germination and fruitset of Dangshansuli [J].Journal of Anhui Agricultural University,2012, 39(5): 697-701.(in Chinese)

[3]郑景云,葛全胜,赵会霞.近40年中国植物物候对气候变化的响应研究[J].中国农业气象,2003,24(1):28-32.

Zheng J Y,Ge Q S,Zhao H X.Changes of plant phenological period and its response to climate change for the last 40 years in China[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2003,24(1): 28-32.(in Chinese )

[4]李德,戚尚恩,王永光.黄河故道砀山酥梨花期冷害风险评估方法研究[J].中国农业气象,2009,30(4):611-615. Li D,Qi S E,Wang Y G,et al.Risk assessment method of cold damage to florescence of Dangshan crisp pear in old course of the Yellow River[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2009, 30(4):611-615.(in Chinese)

[5]李世奎.中国农林作物气候区划[M].北京:气象出版社, 1987: 174-178. Li S K.Climatic regionalization of agri-crops in China[M]. Beijing:China Meteorological Press,1987:174-178.

[6]顾恒岳,艾南山.农业气候系统及其动态模型[J].大自然探索,1984,3(1):43-56. Gu H Y,Ai N S.The dynamic models of agroclimate system[J]. Discovery of Nature,1984,3(1):43-56.(in Chinese )

[7]罗怀良,陈国阶,朱波.农业生态气候适宜度研究进展[J].中国农业资源与区划,2004,25(1):28-32. Luo H L,Chen G J,Zhu B.Review on suitability of agroclimate[J].Journal of China Agricultural Resources and Regional Planning,2004,25(1):28-32.(in Chinese)

[8]黄璜.中国红黄壤地区作物生产的气候生态适应性研究[J].自然资源学报,1996,11(4):340-346. Huang H.A study on the climatic ecology adaptability of the crop production in the red and yellow soils region of China[J].Journal of Natural Resources,1996,11(4):340-346.(in Chinese)

[9]齐斌,余卫东,袁建昱,等.河南省棉花精细化农业气候区划[J].中国农业气象,2011,32(4):571-575. Qi B,Yu W D,Yuan J Y,et al.Precise comprehensive agricultural climate division for cotton in Henan province[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2011,32(4): 571-575.(in Chinese)

[10]代立芹,李春强,康西言,等.基于气候和土壤水分综合适宜度指数的冬小麦产量动态预报模型[J].中国农业气象, 2012,33(4):519-526. Dai L Q,Li C Q,Kang X Y,et al.Dynamic forecast model of winter wheat yield based on climate and soil moisture suitability[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2012, 33(4):519-526.(in Chinese)

[11]邱美娟,宋迎波,王建林,等.耦合土壤墒情的气候适宜度指数在山东省冬小麦产量动态[J].中国农业气象,2015, 36(2): 187-194. Qiu M J,Song Y B,Wang J L,et al.Application of climate suitability index coupling soil moisture in dynamic yield prediction of winter wheat in Shandong province[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2015,36(2):187-194.(in Chinese)

[12]李树岩,彭记永,刘荣花.基于气候适宜度的河南夏玉米发育期预报模型[J].中国农业气象,2013,34(5):576-581. Li S Y,Peng J Y,Liu R H.Prediction model of summer maize developmental stages based on climatic suitability in Henan province[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2013,34(5): 576-581.(in Chinese)

[13]黄淑娥,田俊,吴慧峻.江西省双季水稻生长季气候适宜度评价分析[J].中国农业气象,2012,33(4):527-533. Huang S E,Tian J,Wu H J.Evaluation on climatic suitability during growth season of double rice in Jiangxi province[J]. Chinese Journal of Agrometeorology,2012,33(4):527-533.(in Chinese)

[14]赵峰,千怀遂,焦士兴.农作物气候适宜度模型研究:以河南省冬小麦为例[J].资源科学,2003,25(6):77-82. Zhao F,Qian H S,Jiao S X.The climatic suitability model of crop:a case study of winter wheat in Henan Province[J]. Resources Science,2003,25(6):77-82.(in Chinese)

[15]魏瑞江,张文宗,康西言,等.河北省冬小麦气候适宜度动态模型的建立及应用[J].干旱地区农业研究,2007,25(6):5-9. Wei R J,Zhang W Z,Kang X Y,et al.Application and establishment of climatic suitability dynamic model of winter wheat in Hebei Province[J].Agricultural Research in the Arid Areas,2007,25(6):5-9.(in Chinese)

[16]侯英雨,张艳红,王良宇,等.东北地区春玉米气候适宜度模型[J].生态学杂志,2013,24(11):3207-3212. Hou Y Y,Zhang Y H,Wang L Y,et al.Climatic suitability model for spring maize in Northeast China[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2013,24(11):3207-3212.(in Chinese)

[17]李德毅,孟海军,史雪梅.隶属云和隶属云发生器[J].计算机研究和发展,1995,32(6):15-20. Li D Y,Meng H J,Shi X M.Membership clouds and membership cloud generatiors[J].Computer R&D, 1995, 32(6):15-20.(in Chinese)

[18]李德毅,杜鹢.不确定性人工智能[M].北京:国防工业出版社,2005:131-165. Li D Y,Du Y.Artificial intelligent with uncertainty[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2005:131-165.(in Chinese)

[19]李德,杨霏云,孙义,等.基于云模型的淮北平原麦田喷药(肥)气象适宜度评价[J].生态学杂志,2016,35(1):259-268. Li D,Yang F Y,Sun Y,et al.Meteorological suitability evaluation based on cloud model for spraying pesticide/fertilizer in wheat fields of Huaibei Plain[J].Chinese Journal Ecology,2016, 35(1): 259-268.(in Chinese)

[20]李德,周文鳞,杨霏云.基于云模型的冬小麦气候适宜度评价方法:以安徽省宿州市为例[J].中国生态农业学报,2016, 24(7):944-956. Li D,Zhou W L,Yang F Y.The climatic suitability evaluation method of winter wheat based on cloud model:a case study of Suzhou in Anhui province[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2016,24(7):944-956.(in Chinese)

[21]国家气象局.农业气象观测规范(下卷)[M].北京:气象出版社, 1993:35-65. China Meteorological Administration.Observation Specificationof Agro-meteorology(the next volume) [M].Beijing:China Meteorological Press,1993:35-65.(in Chinese)

[22]李德毅,刘常昱.论正态云模型的普适性[J].中国工程科学, 2004,6(8):28-34. Li D Y,Liu C Y.Study on the universality of the normal cloud model[J].Engineering Science,2004,6(8):28-34.(in Chinese)

[23]韩湘玲.作物生态学[M].北京:气象出版社,1991:15-18. Han X L.Crop ecology[M].Beijing:China Meteorological Press,1991:15-18.(in Chinese)

[24]陈阜.农业生态学教程[M].北京:气象出版社,2004:65-68. Chen F.Agroecology course[M].Beijing:China Meteorological Press,2004:65-68.(in Chinese)

[25]Allen R G,Pereira L S,Raes D,et al.Crop evapotranspiration-guidelines for computing crop water requirements [C]. Rome:FAO,1998:15-64.

[26]宛志沪,蒋跃林,李万莲,等.三种林型蒸散量测定方法的研究[J].安徽农业大学学报,1999,26(4):481-487. Wan Z H,Jiang Y L,Li W L,et al.Study on testing methods for three forest type's evapotranspiration[J].Journal of Anhui Agricultural University,1999,26(4):481-487.(in Chinese)

[27]郭家选,梅旭荣,欧阳兆鹏,等.华北粗砂土免耕地桃园生态尺度水分利用效率研究[J].农学学报,2012,2(11):21-28. Guo J X,Mei X R,Ouyang Z P,et al.Canopy water use efficiency on a coarse-sand-field,no-tillage peach orchard in North China[J].Journal of Agriculture,2012,2(11):21-28.(in Chinese)

[28]李宪利,袁志友,高东升.影响落叶果树芽休眠的因素[J].山东农业大学学报(自然科学版),2001,32(30):386-392. Li X L,Yuan Z Y,Gao D S.Factors that influence bud dormancy in deciduous fruittrees[J].Journal of Shandong Agricultural University(Natural Science) ,2001,32(30): 386-392.(in Chinese)

[29]蒲金涌,齐艳君,陈薇.天水桃气候适宜性变化研究[J].中国农学通报,2011,27(22):208-213. Pu J Y,Qi Y J,Chen W.The study on climate suitability of peach in Tianshui[J].Chinese Agricultural Science Bulletin 2011,27(22):208-213.(in Chinese)

[30]程林仙,王万瑞,王建萍,等.陕北仁用杏气候适宜性区划[J].西北林学院学报,2001,16(2):18-21. Cheng L X,Wang W R,Wang J P,et al.Climatic adaptability division for apricot in Northern Shanxi[J].Journal of Northwest Forestry College,2001,16(2):18-21.(in Chinese)

[31]冯立娟,陶吉寒,尹燕雷,等.近五十年气温变化对我国梨和桃生产的影响[J].北方园艺,2015,(8):19-23. Feng L J,Tao J H,Yin Y L,et al.The impacts of air temperature change on the production of pear and peach in China during the recent fifty years[J].Northern Horticulture, 2015,(8):19-23.(in Chinese)

Climatic Suitability Assessment of Dangshansu Pear in the Area along the Abandoned Channel of the Yellow River Based on Cloud Model

LI De1, ZHOU Wen-lin2, SUN Yi1, SUN Hui-he1
（1. Suzhou Meteorological Bureau in Anhui Province, Suzhou 234000, China; 2. Hefei Meteorological Bureau in Anhui Province, Hefei 236001）

The impact of climate conditions on the growth and development of Dangshansu pear is evaluated. It is great significance in coping with climate change, regional climate resources development and utilization. In this paper, the representative origin named Dangshan County of Dangshansu pear in the area along the abandoned channel of the Yellow River is selected as the sampling point. Based on the cloud model theory, the climatic suitability of light, temperature and water were established by using long-term observation data and meteorological monitoring data in the phenophase of Dangshansu pear. The climatic suitability of different phenological periods and interannual ages were determined by weighted combination method and geometric mean method. The results showed that the sunshine suitability could be described by the left half cloud model and the temperature and precipitation suitability could be described by trapezoidal cloud. The correlation coefficients of integrated climatic suitability with actual yield, climate yield and yield per plant were 0.4452 (P＜0.05), 0.3734 and 0.5620 (P＜0.01), respectively. From 1961 to 2015, the variation trend of climate suitability of Dangshansu pear is not obvious, but in 1961-1989 and 1990-2010, it is the higher and lower period of climate suitability respectively. In 1987, the accumulated anomaly of climate suitability is the largest. During the study period, the temperature suitabilityincreased remarkably, increasing by 0.0274·10y-1. The suitability of sunshine and precipitation has no obvious variation trend. The average of precipitation suitability is lower than that of sunshine and temperature, and the coefficient of variation is four times of that of sunshine and temperature suitability. The climatic suitability of each phenological period did not show a trend change, but the climatic suitability of sprouting stage and flowering stage was low (between 0.50 and 0.53), and the coefficient of variation was large (between 45.0 and 57.0).The climatic suitability and coefficient of variation of other phenological periods were relatively small. In the background of climate change, the increase of temperature is beneficial to the growth of pear. The management of germination and flowering period should be strengthened in the production of Dangshansu pear to enhance the climate suitability of pear trees.

Cloud model; Trapezium cloud; Left half cloud; Sunshine; Temperature and precipitation climate suitability; Dangshansu pear

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.05.005

李德,周文麟,孙义,等.基于云模型的黄河故道砀山酥梨气候适宜性分析[J].中国农业气象,2017,38(5):308-320

2016-09-08

安徽省气象科技发展基金项目（KM201607；KM201605）

李德（1964-），高级工程师，主要从事农业气象服务与科研工作。E-mail：szlide@sohu.com