RU2770821C1 - Method for forecasting crop yield by determining complex of meteorological parameters in daily resolution - Google Patents
Method for forecasting crop yield by determining complex of meteorological parameters in daily resolution Download PDFInfo
- Publication number
- RU2770821C1 RU2770821C1 RU2020139243A RU2020139243A RU2770821C1 RU 2770821 C1 RU2770821 C1 RU 2770821C1 RU 2020139243 A RU2020139243 A RU 2020139243A RU 2020139243 A RU2020139243 A RU 2020139243A RU 2770821 C1 RU2770821 C1 RU 2770821C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- daily
- meteorological
- parameters
- values
- data
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
- A01G7/00—Botany in general
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Botany (AREA)
- Ecology (AREA)
- Forests & Forestry (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится заявляемое изобретениеThe field of technology to which the claimed invention belongs
Заявляемое изобретение относится к области метеорологии и агрометеорологии и может быть использовано для оценки изменений агроклиматических ресурсов и продуктивности сельскохозяйственных культур на территории России в условиях глобального потепления на основе метеорологических данных определенного разрешения.The claimed invention relates to the field of meteorology and agrometeorology and can be used to assess changes in agro-climatic resources and crop productivity in Russia under global warming conditions based on meteorological data of a certain resolution.
Агрометеорологическое обеспечение сельского хозяйства подразумевает предоставление оперативной, среднесрочной и долгосрочной информации потребителю и включает анализ и прогноз сложившихся и ожидаемых агрометеорологических условий и прогноз на этой основе продуктивности сельскохозяйственных культур. Оно базируется на широком использовании данных наблюдений государственной сети гидрометеорологических станций и постов, визуальных и инструментальных обследованиях и других видов наблюдений.Agrometeorological support of agriculture implies the provision of operational, medium-term and long-term information to the consumer and includes the analysis and forecast of the prevailing and expected agrometeorological conditions and the forecast of crop productivity on this basis. It is based on the wide use of observational data from the state network of hydrometeorological stations and posts, visual and instrumental surveys, and other types of observations.
В силу чрезвычайной уязвимости производства сельскохозяйственной продукции в России и, как следствие, волатильност рынка зерна, осуществляется регулярный агроклиматический мониторинг состояния посевов в земледельческой зоне России и прогноз урожайности сельскохозяйственных культур. В этой связи задача совершенствования методов прогнозов урожайности по большому числу сельскохозяйственных культур остается актуальной.Due to the extreme vulnerability of agricultural production in Russia and, as a result, the volatility of the grain market, regular agro-climatic monitoring of the state of crops in the agricultural zone of Russia and the forecast of crop yields are carried out. In this regard, the task of improving the methods for predicting yields for a large number of crops remains relevant.
Уровень техникиState of the art
Перечень создаваемых баз данных метеоданных определен на основе требований Глобальной системы наблюдений за климатом, и включает основные измеряемые климатические параметры, такие как температура воздуха, атмосферные осадки, параметры свободной атмосферы и другие. На сети станций наблюдений Росгидромета проводится комплекс приземных метеорологических наблюдений, с обеспечением достоверности и однородности рядов [Наставление метеорологическим станциям и постам. 1985. Выпуск. 3. Часть 1. Л., Гидрометеоиздат]. Срочные метеорологические данные (температура воздуха, атмосферные осадки и другие параметры) поступают в региональные центры, где заносятся в режимную систему «Персона МИС», где после анализа и контроля обобщаются и генерируются в виде суточных, декадных, среднемесячных данных и других характеристик. В открытом доступе представлена только незначительная часть этих данных (http://www.meteo.ru/data). Более доступной является режимная информация метеорологических ежемесячников, где представлены сформированные среднемесячные данные по наблюдаемым метеорологическим параметрам, таким как температура воздуха и атмосферные осадки. С другой стороны, прогнозные оценки изменения климата, полученные по моделям глобальной циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО), содержат данные только в месячном разрешении, преимущественно по температуре воздуха и месячным суммам осадков в виде абсолютных или относительных отклонений от климатической нормы в узлах регулярной сетки [Сиротенко О.Д., Павлова В.Н., 1986. Стохастическое моделирование суточных климатических данных для расчетов по динамическим моделям «погода-урожай», Труды ВНИИСХМ, Математическое моделирование в агрометеорологии, вып. 21, с. 75-83.2].The list of created meteorological data databases is determined on the basis of the requirements of the Global Climate Observing System, and includes the main measured climatic parameters, such as air temperature, precipitation, free atmosphere parameters, and others. At the network of observation stations of Roshydromet, a complex of surface meteorological observations is carried out, ensuring the reliability and uniformity of the series [Instruction for meteorological stations and posts. 1985. Release. 3. Part 1. L., Gidrometeoizdat]. Urgent meteorological data (air temperature, precipitation and other parameters) are received by regional centers, where they are entered into the Persona MIS regime system, where, after analysis and control, they are summarized and generated in the form of daily, ten-day, average monthly data and other characteristics. Only a small part of this data is publicly available (http://www.meteo.ru/data). More accessible is the regime information of meteorological monthly, which presents the generated average monthly data on the observed meteorological parameters, such as air temperature and precipitation. On the other hand, predictive estimates of climate change obtained using global atmospheric and ocean circulation models (AGCMs) contain data only in monthly resolution, mainly on air temperature and monthly precipitation in the form of absolute or relative deviations from the climatic norm at the nodes of a regular grid [ Sirotenko O.D., Pavlova V.N., 1986. Stochastic modeling of daily climate data for calculations using dynamic weather-harvest models, Proceedings of the All-Russian Research Institute of Agriculture, Mathematical modeling in agrometeorology, vol. 21, p. 75-83.2].
В настоящее время динамическое моделирование продукционного процесса является общепринятым методологическим подходом при решении многих прикладных задач в агрометеорологии и смежных с ней науках (экологии, биологии, геоэкологии и др.). Для большинства современных динамических моделей необходима входная метеорологическая информация с суточным разрешением.Currently, dynamic modeling of the production process is a generally accepted methodological approach in solving many applied problems in agrometeorology and related sciences (ecology, biology, geoecology, etc.). Most modern dynamic models require input meteorological information with daily resolution.
Из уровня техники известны различные способы получения суточных метеорологических данных для тех или иных целей. Так, Брух и Фрай [Bruhn J.A., Fry E.W., Fick G.W., 1980. Simulation of Daily Weather Data Using Theoretical Probability Distribution, J. Appl, Meteor, vol. 19, №9, pp. 1029-1036.] для определения возможных потерь урожайности, связанных с фитофторой картофеля, разработали способ, основанный на использовании метода Монте-Карло, и обеспечивающий возможность определения осадков, максимальной и минимальной температуры, относительной влажности воздуха и солнечной радиации. При этом последовательность дат выпадения осадков моделировалась простой цепью Маркова, а их величина - параметрами гамма-распределения.From the prior art, various methods are known for obtaining daily meteorological data for various purposes. Thus, Bruhn J.A., Fry E.W., Fick G.W., 1980. Simulation of Daily Weather Data Using Theoretical Probability Distribution, J. Appl, Meteor, vol. 19, no. 9, pp. 1029-1036.] to determine the possible yield losses associated with late blight of potatoes, a Monte Carlo method was developed that provides the ability to determine precipitation, maximum and minimum temperature, relative humidity and solar radiation. In this case, the sequence of precipitation dates was modeled by a simple Markov chain, and their magnitude was modeled by the parameters of the gamma distribution.
Недостатком способа является отсутствие связи между датой выпадения осадков и их величиной со значениями других метеорологических параметров на эту дату, которая наблюдается в реальных условиях, что приводит к высокому проценту ошибки в прогнозе потерь урожайности.The disadvantage of this method is the lack of connection between the date of precipitation and their value with the values of other meteorological parameters on this date, which is observed in real conditions, which leads to a high percentage of errors in the forecast of yield losses.
Способ моделирования временных рядов метеорологических элементов в суточном интервале стационарными гауссовскими последовательностями предложен в источнике [Каган Р.Л., Сибир Е.Е. Об одном алгоритме статистического моделирования рядов метеорологических наблюдений. 1970. Труды ГГО, вып. 268, с. 146-172]. Смоделированные ряды достаточно реалистично воспроизводят основные статистические особенности статистической структуры температуры воздуха внутри суток для зимнего сезона.A method for modeling the time series of meteorological elements in the daily interval by stationary Gaussian sequences is proposed in the source [Kagan R.L., Sibir E.E. On one algorithm for statistical modeling of series of meteorological observations. 1970. Proceedings of the GGO, no. 268, p. 146-172]. The simulated series quite realistically reproduce the main statistical features of the statistical structure of air temperature within a day for the winter season.
Недостаток способа заключается в том, что данный метод предназначен для восстановления срочных суточных наблюдений (8 сроков наблюдений в течение суток) за зимний период и используется для оценки условий перезимовки сельскохозяйственных культур.The disadvantage of this method is that this method is designed to restore urgent daily observations (8 periods of observations during the day) for the winter period and is used to assess the conditions of overwintering crops.
Известен стохастический генератор погоды LARS-WG [Racsko P., Szeidl L., Semenov M.A., 1991. A serial approach to local stochastic weather models, Ecol. Model, vol. 57, pp. 27-41; Semenov M.A., Barrow E.M., 1997. Use of a stochastic weather generator in the development of climate change scenarios, Climatic Change, vol. 35, pp. 397-414]. Для генерации стохастических временных рядов ежедневных данных в LARS-WG при расчетах по климатическим сценариям SRES применялись метеорологические данные за период 1961-1990 гг [Sommer R., Glazirina V., Yuldashev T., Otarov A., Ibraeva V., Martynova L., Bekeno M., Kholo B., Ibragimov N., Kobilov R., Karaev S., Sultanov M., Khasanjva F., Esanbekov M., Mavlyanov D., Isaev S., Abdyrahimov S., Ikramov R., Shezdykova L., de Pfuw E. (2013). Impact of climate change on wheat productivity in Central Asia // Agriculture, Ecosystems and Environment. Vol. 178. P 78-99].A stochastic weather generator LARS-WG is known [Racsko P., Szeidl L., Semenov M.A., 1991. A serial approach to local stochastic weather models, Ecol. Model, vol. 57, pp. 27-41; Semenov M.A., Barrow E.M., 1997. Use of a stochastic weather generator in the development of climate change scenarios, Climatic Change, vol. 35, pp. 397-414]. To generate stochastic time series of daily data in the LARS-WG, when calculating according to the SRES climate scenarios, meteorological data for the period 1961-1990 were used [Sommer R., Glazirina V., Yuldashev T., Otarov A., Ibraeva V., Martynova L. , Bekeno M., Kholo B., Ibragimov N., Kobilov R., Karaev S., Sultanov M., Khasanjva F., Esanbekov M., Mavlyanov D., Isaev S., Abdyrahimov S., Ikramov R., Shezdykova L., de Pfuw E. (2013). Impact of climate change on wheat productivity in Central Asia // Agriculture, Ecosystems and Environment. Vol. 178. P 78-99].
К недостаткам этого метода следует отнести отсутствие множественной корреляционной связи между параметрами метеорологического комплекса. Отсутствие статистической связи между метеопараметрами может привести к недостоверным оценкам при климатических и агроклиматических расчетах на основе сгенерированных рядов ежедневных данных по такой расчетной схеме.The disadvantages of this method include the absence of a multiple correlation between the parameters of the meteorological complex. The absence of a statistical relationship between meteorological parameters can lead to unreliable estimates in climatic and agro-climatic calculations based on the generated daily data series according to such a calculation scheme.
В практике оперативного агрометеорологического обеспечения широкое распространение получили статистические методы прогнозов, основанные на выявлении количественных статистических связей между урожайностью (предиктант) и выбранными значениями агрометеорологических параметров (предикторы). Для поиска и выявления этих зависимостей используется корреляционный и регрессионный анализ. Наиболее распространенными показателями термического режима в существующих регрессионных моделях является температура воздуха по межфазным периодам, за декаду, за месяц, данные о минимальной и максимальной температуре. Данные об осадках в статистических моделях также представлены как средние за межфазные периоды, декады, месяцы, критические фазы развития. Относительно часто используются данные о дефиците влажности воздуха и относительной влажности воздуха.In the practice of operational agrometeorological support, statistical forecasting methods based on the identification of quantitative statistical relationships between yield (predictant) and selected values of agrometeorological parameters (predictors) are widely used. Correlation and regression analysis is used to search for and identify these dependencies. The most common indicators of the thermal regime in the existing regression models are the air temperature for interfacial periods, for a decade, for a month, data on the minimum and maximum temperatures. Precipitation data in statistical models are also presented as averages for interphase periods, decades, months, and critical phases of development. Relatively often used data on the deficit of air humidity and relative humidity.
В качестве примеров статистических методов прогнозов урожайности можно привести метод прогноза урожайности озимой пшеницы [Уланова Е.С. 1975. Агрометеорологические условия и урожайность озимой пшеницы. Л. Гидрометеоиздат, 302 с.], методы прогноза урожайности яровой пшеницы и ярового ячменя и другие методы [Руководство по агрометеорологическим прогнозам. 1984. Гидрометеоиздат. 309 с.].As examples of statistical methods for forecasting yields, one can cite the method for predicting the yield of winter wheat [Ulanova E.S. 1975. Agrometeorological conditions and productivity of winter wheat. L. Gidrometeoizdat, 302 pp.], methods for predicting the yield of spring wheat and spring barley and other methods [Guide to agrometeorological forecasts. 1984. Gidrometeoizdat. 309 p.].
К основным недостаткам статистического подхода следует отнести неопределенность, связанную с выбором основных предикторов, которые влияют на предсказываемую величину (урожайность), т.е. ограниченным выбором, которым исчерпывается вся априорная информация, закладываемая в схему прогноза. Другой недостаток определяется тем фактом, что статические схемы хорошо работают в диапазоне тех значений параметров, на основе которых они были построены. В случае наступления экстремальных погодных явлений погоды (засуха, длительные периоды без дождей, высокие температуры) прогнозные оценки на основе статистических схем имеют большие ошибки.The main disadvantages of the statistical approach include the uncertainty associated with the choice of the main predictors that affect the predicted value (yield), i.e. limited choice, which exhausts all a priori information included in the forecast scheme. Another drawback is determined by the fact that static circuits work well in the range of the parameter values on which they were built. In the event of extreme weather events (drought, long periods without rain, high temperatures), forecast estimates based on statistical schemes have large errors.
В настоящее время динамическое моделирование продукционного процесса является общепринятым методологическим подходом при решении многих прикладных задач в агрометеорологии. С помощью широко известных динамических моделей [Менжулин Г.В., Саватеев С.П., 1981. Влияние современных изменений климата на урожайность сельскохозяйственных культур, В сб.: Проблемы углекислого газа, Л., Гидрометеоиздат, с. 186-197; Полуэктов Р.А., Смоляр Э.И., Терлеев В.В., Топаж А.Г., 2006. Модели продукционного процесса сельскохозяйственных культур, СПб., Изд. С.-Петербургского университета, 392 с.] могут быть решены многие прикладные агрометеорологические задачи, связанные с оценкой агроклиматических ресурсов. Но прогнозные оценки ожидаемой урожайности не являются целевыми показателями этих моделей.Currently, dynamic modeling of the production process is a generally accepted methodological approach in solving many applied problems in agrometeorology. With the help of well-known dynamic models [Menzhulin G.V., Savateev S.P., 1981. Influence of modern climate change on crop yields, In: Problems of carbon dioxide, L., Gidrometeoizdat, p. 186-197; Poluektov R.A., Smolyar E.I., Terleev V.V., Topaj A.G., 2006. Models of the production process of agricultural crops, SPb., Izd. St. Petersburg University, 392 p.] can be solved many applied agrometeorological problems associated with the assessment of agroclimatic resources. But predictive estimates of expected yields are not the targets of these models.
В практике прогнозирования используется динамико-статистический метод прогнозирования урожайности и валового сбора сельскохозяйственных культур, описанный в [Полевой А.Н. 1988 Прикладное моделирование и прогнозирование продуктивности посевов. Л., Гидрометеоиздат. 308 с.]. Способ динамико-статистического прогнозирования включает два этапа: 1) прогнозирование по временному ряду урожайности и 2) оценка условий формирования урожая с помощью базовой модели продуктивности.In the practice of forecasting, a dynamic-statistical method is used to predict the yield and gross harvest of agricultural crops, described in [Polevoi A.N. 1988 Applied modeling and forecasting of crop productivity. L., Gidrometeoizdat. 308 p.]. The method of dynamic-statistical forecasting includes two stages: 1) forecasting by the yield time series and 2) assessing the conditions for crop formation using the basic productivity model.
Входная агрометеорологическая информация включает среднемноголетние даты всходов и даты наступления восковой спелости, среднедекадную температуру воздуха и число часов солнечного сияния, запасы продуктивной влаги по слоям почвы (фактически наблюдаемые) по расчетным декадам. По данному способу временной ряд урожайности рассматривается как сумма двух слагаемых - неслучайной временной функции (тренда) и случайных отклонений от нее. Тенденция урожайности рассчитывается с помощью статистических методов, а оценка степени отличия условий данного года от среднемноголетних значений по базовой модели.The input agrometeorological information includes the average annual dates of germination and the dates of the onset of wax ripeness, the average ten-day air temperature and the number of hours of sunshine, the reserves of productive moisture by soil layers (actually observed) by the calculated decades. According to this method, the yield time series is considered as the sum of two terms - a non-random time function (trend) and random deviations from it. The yield trend is calculated using statistical methods, and the assessment of the degree of difference between the conditions of a given year and the average long-term values is based on the base model.
Недостатки метода заключаются в следующем. В качестве входной информации используются метеорологические данные, осредненные за декаду, что может существенно повлиять на точность расчетов при экстремальных погодных условиях. В модели отсутствует субмодель расчета влажности почвы, поэтому используются наблюдаемые значения за влажностью почвы, определяемые только на 8, 18 и на 28-ое число каждого месяца, что также влияет на точность расчетов и сужает потенциальное число расчетных точек. Модель не позволяет рассчитывать урожайность в абсолютных единицах, ц/га. Предлагаемый способ расчета урожайности в виде суммы слагаемых - тренда урожайности, рассчитанного за предыдущие годы, и отклонений от него, может привести в большой погрешности расчета в экстремальные по агроклиматическим условиям годы.The disadvantages of the method are as follows. Meteorological data averaged over a decade are used as input information, which can significantly affect the accuracy of calculations under extreme weather conditions. The model does not have a submodel for calculating soil moisture, so the observed values for soil moisture are used, which are determined only on the 8th, 18th and 28th of each month, which also affects the accuracy of the calculations and narrows the potential number of calculation points. The model does not allow calculating the yield in absolute units, c/ha. The proposed method for calculating the yield in the form of the sum of terms - the yield trend calculated for previous years, and deviations from it, can lead to a large calculation error in extreme years in terms of agro-climatic conditions.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является решение, используемые ранее в системе Климат-Почва-Урожай (КПУ) (Сиротенко О.Д., 1981. Математическое моделирование водно-теплового режима и продуктивности агроэкосистем, Л.: Гидрометеоиздат, 167 с.)The closest in technical essence to the claimed method is the solution previously used in the Climate-Soil-Harvest (CPU) system (Sirotenko O.D., 1981. Mathematical modeling of the water-thermal regime and productivity of agroecosystems, L .: Gidrometeoizdat, 167 p. )
Формирование суточных метеорологических данных производилось путем аппроксимации исходных среднемесячных данных тригонометрическими полиномами [Бойко А.П., Н.С. Славов, В. Вылков, 1984. Реконструкция средних суточных значений метеорологических элементов в соответствии со средними месячными значениями. Гидрология и метеорология. XXXIII, №4. С. 26-33]. Эти ряды являются входными параметрами для динамической модели «погода-урожай».The formation of daily meteorological data was carried out by approximating the initial average monthly data by trigonometric polynomials [Boiko A.P., N.S. Slavov, V. Vylkov, 1984. Reconstruction of the average daily values of meteorological elements in accordance with the average monthly values. Hydrology and meteorology. XXXIII, No. 4. S. 26-33]. These series are the input parameters for the dynamic weather-crop model.
Недостатки данного способа:The disadvantages of this method:
1) не учитывает статистические зависимости между месячным ходом значений отдельного параметра, а также взаимосвязи между различными параметрами и отдельные физические особенности синоптических событий, что негативно влияет на точность оценки ожидаемого уровня урожайности;1) does not take into account the statistical dependencies between the monthly course of the values of a particular parameter, as well as the relationship between various parameters and individual physical features of synoptic events, which negatively affects the accuracy of estimating the expected yield level;
2) не применим для осадков, ввиду дискретного характера суточных значений этого метеопараметра;2) not applicable for precipitation, due to the discrete nature of the daily values of this meteorological parameter;
3) недостаток в отношении дисперсии ежедневных значений метеорологических параметров. При тригонометрической интерполяции получаются гладкие кривые вегетационного хода метеопараметров, что естественно, не отражает реального процесса, который характеризуется значительной межсуточной изменчивостью. Ввиду существенной нелинейности модели КПУ с увеличением дисперсии среднесуточных значений метеоэлементов наблюдается тенденция к снижению уровня рассчитываемой урожайности (продуктивности сельскохозяйственных культур), поскольку средние значения, очевидно, лежат в области, близкой к оптимальной. Поэтому при расчете урожайности, с применением способа прототипа, возникает систематическая ошибка, приводящая к завышению уровня урожайности.3) disadvantage in relation to the dispersion of daily values of meteorological parameters. With trigonometric interpolation, smooth curves of the vegetation course of meteorological parameters are obtained, which naturally does not reflect the real process, which is characterized by significant daily variability. Due to the significant nonlinearity of the KPU model, with an increase in the dispersion of average daily values of meteorological elements, there is a tendency to reduce the level of calculated yield (productivity of agricultural crops), since the average values obviously lie in a region close to optimal. Therefore, when calculating the yield, using the prototype method, a systematic error occurs, leading to an overestimation of the level of yield.
Обеспечить точность и статистическую достоверность оценок при мониторинге агроклиматических условий и оценки продуктивности сельскохозяйственных культур на основе имитационной системы КПУ, как при современном климате, так и его ожидаемых изменениях до конца 21 века, возможно только при наличии большого массива суточных метеорологических данных.It is possible to ensure the accuracy and statistical reliability of estimates in monitoring agro-climatic conditions and assessing the productivity of agricultural crops based on the KPU simulation system, both under the current climate and its expected changes until the end of the 21st century, only if a large array of daily meteorological data is available.
Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости обеспечения восстановления среднесуточных значений отдельных метеопараметров по среднемесячным значениям, обеспечивающего возможность прогнозирования ожидаемого уровня урожайности с высокой степенью точности. Заявляемое изобретение направлено на повышение точности и достоверности расчетных индексов в имитационной системе КПУ путем перехода от среднемесячных значений измеряемых метеопараметров, таких как температура воздуха, сумма осадков к данным суточного разрешения (температура и дефицит влажности воздуха, число часов солнечного сияния и сумма осадков) с учетом корреляционных и кросскорреляционных связей между параметрами комплекса.Thus, the technical problem solved by the claimed invention lies in the need to ensure the restoration of the average daily values of individual meteorological parameters from monthly averages, which makes it possible to predict the expected level of yield with a high degree of accuracy. The claimed invention is aimed at improving the accuracy and reliability of the calculated indices in the KPU simulation system by switching from the average monthly values of the measured meteorological parameters, such as air temperature, the amount of precipitation, to daily resolution data (temperature and air humidity deficit, the number of hours of sunshine and the amount of precipitation), taking into account correlation and cross-correlation relationships between the parameters of the complex.
Краткое раскрытие сущности изобретенияBrief summary of the invention
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в повышении точности прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур, а также агроклиматических показателей теплового и влажностного режима и оценок влияния экстремальных погодных на формирование урожайности сельскохозяйственных культур за счет использования среднесуточных значений отдельных метеопараметров, восстановленных по среднемесячным значениям.The technical result achieved by using the claimed invention is to improve the accuracy of forecasting crop yields, as well as agro-climatic indicators of thermal and humidity conditions and estimates of the impact of extreme weather conditions on the formation of crop yields through the use of average daily values of individual meteorological parameters restored from monthly averages.
Преимущества заявляемого изобретения заключаются также в обеспечении повышения ценности (значимости) глобальных оценок изменения климата, полученных по моделям общей циркуляции атмосферы и океана, путем временного масштабирования значений метеопараметров до суточного разрешения. Способ позволяет сформировать реалистичную локальную климатическую динамику метеопараметров по следующим показателям: среднесуточная температура и дефицит влажности воздуха, число часов солнечного сияния и сумма осадков за сутки на основе изменения среднемесячной температуры и суммы осадков в заданной точке на заданном временном срезе. В частности, для подтверждения возможности реализации способа проведены экспериментальные прогнозные вычисления для периодов 2030-2040 гг., 2050-2060 гг., 2080-2090 гг.The advantages of the claimed invention also lie in providing an increase in the value (significance) of global estimates of climate change obtained from models of the general circulation of the atmosphere and ocean, by temporally scaling the values of meteorological parameters to a daily resolution. The method allows to generate a realistic local climatic dynamics of meteorological parameters according to the following indicators: average daily temperature and air humidity deficit, number of hours of sunshine and amount of precipitation per day based on changes in the average monthly temperature and amount of precipitation at a given point on a given time slice. In particular, to confirm the possibility of implementing the method, experimental predictive calculations were carried out for the periods of 2030-2040, 2050-2060, 2080-2090.
Заявленный технический результат достигается тем, что способ прогноза урожайности сельскохозяйственных культур посредством определения комплекса метеорологических параметров в суточном разрешении представляет собой последовательное выполнение следующих шагов:The claimed technical result is achieved by the fact that the method for predicting crop yields by determining a set of meteorological parameters in daily resolution is a sequential implementation of the following steps:
1) формируют ряды данных метеорологических наблюдений за истекший период не менее 30 лет, при этом в качестве таких данных используют наблюдаемые среднесуточные значения температуры , число часов солнечного сияния , число часов дефицита влажности воздуха и суточные суммы осадков за период с апреля по сентябрь каждого года выбранного периода наблюдений, зарегистрированные метеорологическими станциями (МС); определяют среднеквадратические отклонения этих параметров σ, σ, σ;1) form series of meteorological observation data for the past period of at least 30 years, while the observed average daily temperature values are used as such data , the number of hours of sunshine , the number of hours of air humidity deficiency and daily precipitation for the period from April to September of each year of the selected observation period, recorded by meteorological stations (MS); determine the root-mean-square deviations of these parameters σ , σ , σ ;
2) с использованием рядов данных реальных измерений метеопараметров , , , полученных на шаге 1), формируют матрицу (К1) коэффициентов авто- и кросскорреляции по отдельным месяцам с апреля по сентябрь размерностью 90х90,2) using data series of real measurements of meteorological parameters , , obtained in step 1), form a matrix (K1) of auto- and cross-correlation coefficients for individual months from April to September with a dimension of 90x90,
3) из матрицы К1 формируют осредненную корреляционную матрицу К размерностью 15х15 в результате определения средних значений диагональных элементов матрицы К1 для равных временных значений,3) from the matrix K1 form the averaged correlation matrix K with a dimension of 15x15 as a result of determining the average values of the diagonal elements of the matrix K1 for equal time values,
4) определяют суточные отклонения метеопараметров за счет формирования множества нормально-распределенных векторов в стандартизованном масштабе, определяемое корреляционной матрицей К, в результате статистических преобразований указанных матрицы К и бессвязных нормально-распределенных векторов с единичной дисперсий и нулевым средним;4) daily deviations of meteorological parameters are determined by forming a set of normally distributed vectors on a standardized scale, determined by the correlation matrix K, as a result of statistical transformations of the indicated matrix K and incoherent normally distributed vectors with unit variance and zero mean;
5) объединяют полученные на предыдущем шаге вектора в множества, соответствующие месячным значениям отклонений метеорологических параметров , , от климатической нормы,5) combine the vectors obtained at the previous step into sets corresponding to the monthly values of deviations of meteorological parameters , , from the climatic norm,
6) определяют суточные значения климатических норм метеопараметров путем аппроксимации их годового хода метеопараметров тригонометрическим полиномом;6) determine the daily values of climatic norms of meteorological parameters by approximating their annual variation of meteorological parameters with a trigonometric polynomial;
7) получают моделируемые суточные значения метеорологических параметров , , в абсолютных единицах в виде суммы значений суточных климатических норм, полученных на шаге 6), и нормированных суточных отклонений метеопараметров, полученных на шаге 4), умноженных на среднеквадратические отклонения σ, σ, σ (шаг 1), соответственно;7) receive simulated daily values of meteorological parameters , , in absolute units as the sum of daily climatic norms obtained at step 6) and normalized daily deviations of meteorological parameters obtained at step 4) multiplied by standard deviations σ , σ , σ (step 1), respectively;
8) определяют показатель правдоподобия (λ) по моделируемым суточным значениям метеорологических параметров , , , полученным на шаге 7),8) determine the likelihood index (λ) from the simulated daily values of meteorological parameters , , obtained in step 7),
9) определяют суточную сумму осадков () с помощью параметров гамма-распределения, которые определяют на основе сформированных рядов наблюдаемых суточных сумм осадков (шаг 1), а дни их выпадения определяют по показателю правдоподобия (λ) (шаг 8);9) determine the daily amount of precipitation ( ) using the gamma distribution parameters g , which are determined on the basis of the generated series of observed daily precipitation amounts (step 1), and the days of their fall are determined by the likelihood index (λ) (step 8);
10) загружают в систему КПУ сформированные моделируемые суточные ряды метеоданных , , , в качестве входных параметров и выполняют расчет хозяйственной урожайности по конкретной сельскохозяйственной культуре, а также определяют показатели тепло- и влагообеспеченности в течение периода вегетации конкретного года.10) load into the KPU system the generated simulated daily series of meteorological data , , , as input parameters and calculate the economic yield for a particular crop, and also determine the indicators of heat and moisture supply during the growing season of a particular year.
Заявляемый способ основан на использовании метода Монте-Карло и дискриминантного анализа для генерирования комплекса среднесуточных метеорологических параметров по обобщенным данным (среднемесячная температура и дефицит влажности воздуха, число часов солнечного сияния и месячные суммы осадков с января по декабрь). Способ основан на предположении, что для температуры, дефицита давления пара и продолжительности солнечного сияния отклонения от соответствующего сезонного хода обусловлены нормальным распределением. В связи с сохранением в течение нескольких дней погодных условий в рамках синоптических паттернов и взаимных физических взаимосвязей между элементами погоды, матрица совместной корреляции определяется путем включения коэффициентов авто- и взаимной корреляции для временных лагов до пяти дней. Воспроизводятся корреляционные и кросскорреляционные связи между метеорологическими параметрами, включающими температуру и дефицит влажности воздуха, число часов солнечного сияния и суточную сумму осадков.The claimed method is based on the use of the Monte Carlo method and discriminant analysis to generate a complex of average daily meteorological parameters according to generalized data (average monthly temperature and air humidity deficit, number of hours of sunshine and monthly precipitation from January to December). The method is based on the assumption that for temperature, vapor pressure deficit and sunshine duration, deviations from the corresponding seasonal course are due to a normal distribution. Due to the persistence of weather conditions for several days within the framework of synoptic patterns and mutual physical relationships between weather elements, the joint correlation matrix is determined by including auto- and cross-correlation coefficients for time lags up to five days. Correlation and cross-correlation relationships between meteorological parameters are reproduced, including temperature and air humidity deficit, number of hours of sunshine and daily precipitation.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Заявляемое изобретение поясняется следующими графическими материалами, гдеThe claimed invention is illustrated by the following graphics, where
на фиг. 1 (а-г) и 2 (а-г) представлены примеры возможной реализации определения среднесуточных метеорологических данных: температуры воздуха (а), числа часов солнечного сияния (б), дефицита влажности воздуха (в) и осадков (г) за период с мая по август (календарные даты по оси абсцисс) для МС Воронеж. Исходными данными являются: для фиг. 1 - прогнозные среднемесячные значения температуры воздуха и осадков с января по декабрь, полученные по ансамблевому сценарию изменения климата (ANS_31) на 2050-2059 гг.; для фиг. 2 - данные среднемесячных наблюдений за температурой и осадками в 2015 г;in fig. Figures 1 (a-d) and 2 (a-d) present examples of a possible implementation of the determination of average daily meteorological data: air temperature (a), number of hours of sunshine (b), air humidity deficit (c) and precipitation (d) for the period from May to August (calendar dates on the abscissa) for MS Voronezh. The initial data are: for Fig. 1 - predicted average monthly values of air temperature and precipitation from January to December, obtained according to the ensemble scenario of climate change (ANS_31) for 2050-2059; for fig. 2 - data of average monthly observations of temperature and precipitation in 2015;
на фиг. 3 представлены результаты расчета урожайности, а именноin fig. 3 shows the results of calculating the yield, namely
на фиг. 3а и 3б представлены графики урожайности яровой (а) и озимой (б) пшеницы для Республики Башкортостан за период 2007-2016 гг., при этом средняя урожайность (ц/га) составляет для (а) - по данным Росстат - 15,1; КПУ - 14,6 КПУ-ТА (тригонометр. аппроксимация по прототипу) - 17,1, для (б) - по данным Росстат - 20,9; КПУ - 21,1 КПУ-ТА (тригонометр. аппроксимация по прототипу) - 23,2;in fig. Figures 3a and 3b show yield graphs for spring (a) and winter (b) wheat for the Republic of Bashkortostan for the period 2007-2016, while the average yield (c/ha) is for (a) - according to Rosstat - 15.1; KPU - 14.6 KPU-TA (trigonometric approximation according to the prototype) - 17.1, for (b) - according to Rosstat - 20.9; KPU - 21.1 KPU-TA (trigonometric approximation of the prototype) - 23.2;
на фиг. 3в и 3г представлены графики урожайности яровой (в) и озимой (г) пшеницы для Республики Татарстан за период 2007-2016 гг., при этом средняя урожайность (ц/га) составляет для (в) - по данным Росстат - 20,5; КПУ - 19,7 КПУ-ТА (тригонометр. аппроксимация по прототипу) - 22,0, для (г) - по данным Росстат - 25,1; КПУ - 27,1 КПУ-ТА (тригонометр. аппроксимация по прототипу) - 28,4;in fig. 3c and 3d show yield graphs for spring (c) and winter (g) wheat for the Republic of Tatarstan for the period 2007-2016, while the average yield (c/ha) is for (c) - according to Rosstat - 20.5; KPU - 19.7 KPU-TA (trigonometric approximation according to the prototype) - 22.0, for (d) - according to Rosstat - 25.1; KPU - 27.1 KPU-TA (trigonometric approximation of the prototype) - 28.4;
на фиг. 3д и 3е представлены графики урожайности яровой (д) и озимой (е) пшеницы для Оренбургской области за период 2007-2016 гг., при этом средняя урожайность (ц/га) составляет для (д) - по данным Росстат - 7,3; КПУ - 6,7, КПУ-ТА (тригонометр. аппроксимация по прототипу) - 9,0, для (е) - по данным Росстат - 15,0; КПУ - 16,1 КПУ-ТА (тригонометр. аппроксимация по прототипу) - 17,0.in fig. Figures 3e and 3f show yield graphs for spring (e) and winter (f) wheat for the Orenburg region for the period 2007-2016, while the average yield (c/ha) is for (e) - according to Rosstat - 7.3; KPU - 6.7, KPU-TA (trigonometric approximation according to the prototype) - 9.0, for (e) - according to Rosstat - 15.0; KPU - 16.1 KPU-TA (trigonometric approximation of the prototype) - 17.0.
где серая линия отражает фактические данные Росстата, пунктирная линия отражает данные, полученные по прототипу, а сплошная черная линия отражает данные, полученные в результате применения заявляемого способа;where the gray line reflects the actual data of Rosstat, the dotted line reflects the data obtained from the prototype, and the solid black line reflects the data obtained by applying the proposed method;
на фиг. 4а и 4б представлены оценки урожайности озимой пшеницы в 2019 г., выраженные в % относительно среднего уровня за 2009-2018 гг. на две прогностические даты 20 мая (а) и 20 июня (б) на территории основных зернопроизводящих областей Центрального, Южного и Приволжского федеральных округов.in fig. Figures 4a and 4b present estimates of the winter wheat yield in 2019, expressed as a percentage of the average level for 2009-2018. for two prognostic dates May 20 (a) and June 20 (b) on the territory of the main grain-producing regions of the Central, Southern and Volga Federal Districts.
на фиг. 5 приведена блочная диаграмма предсказанных изменений средней урожайности яровой пшеницы на: (а) 2030-2039, (б) 2050-2059 в ЦФО, ПФО и ЮФО и на всей территории в целом. Размах колебаний показывает вариации урожаев яровой пшеницы по ФО. Экстремальные значения (выбросы) обозначены точками. Верх, середина и нижняя граница каждого блока есть 25-й, 50-й и 75-й процентиль выборки;in fig. Figure 5 shows a block diagram of predicted changes in the average yield of spring wheat for: (a) 2030-2039, (b) 2050-2059 in the Central Federal District, Volga Federal District and Southern Federal District and throughout the territory as a whole. The range of fluctuations shows the variations in spring wheat yields in the federal district. Extreme values (outliers) are indicated by dots. The top, middle, and bottom of each block are the 25th, 50th, and 75th percentiles of the sample;
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Заявляемое изобретение осуществляют следующим образом.The claimed invention is carried out as follows.
Входными параметрами для реализации заявляемого способа являются данные реальных измерений метеопараметров за определенный период времени, обработка и преобразование которых с использованием методов статистического анализа позволит сформировать подход, обеспечивающий возможность преобразования метеопараметров месячного разрешения в метеопараметры суточного разрешения.The input parameters for the implementation of the proposed method are the data of real measurements of meteorological parameters for a certain period of time, the processing and conversion of which using the methods of statistical analysis will form an approach that provides the possibility of converting meteorological parameters of monthly resolution into meteorological parameters of daily resolution.
На первом этапе реализации способа формируют ряды данных метеорологических наблюдений за период не менее 30 лет, при этом в качестве таких данных используют среднесуточные значения температуры и дефицита влажности воздуха, число часов солнечного сияния и суточные суммы осадков за теплый период года с апреля по сентябрь. Для получения статистически значимых результатов наблюдательные пункты (метеорологические станции, МС) выбраны расположенными в разных природно-климатических зонах. В частности, при опытной реализации способа были выбраны следующие МС: Ершов (Приволжский ФО, Саратовская область, степная зона), Воронеж (Центрально-черноземная область, ЦЧО, лесостепная и степная зона), Тверь (Центральный ФО), лесная зона.At the first stage of the implementation of the method, series of meteorological observation data are formed for a period of at least 30 years, while average daily values of temperature and air humidity deficit, the number of hours of sunshine and daily precipitation for the warm period of the year from April to September are used as such data. To obtain statistically significant results, observation points (meteorological stations, MS) were chosen located in different climatic zones. In particular, during the experimental implementation of the method, the following MS were selected: Ershov (Volga Federal District, Saratov Region, steppe zone), Voronezh (Central Chernozem Region, Central Chernozem Region, forest-steppe and steppe zone), Tver (Central Federal District), forest zone.
Затем по сформированным рядам данных рассчитывают авто- и кросскорреляционные матрицы по известным математическим формулам [Андерсон Т., 1963. Введение в многомерный статистический анализ, М., 500 с.] в (статистическом пакете STATISTICA (https://ru.wikipedia.org/wiki/Statistica). Предварительные расчеты показывают, что в климатическом плане корреляционные связи между метеопараметрами в теплый период года по отдельным месяцам остаются примерно одинаковыми (определяются глобальными циркуляционными процессами). Это служит основанием для использования только осредненной матрицы. В результате получают матрицы коэффициентов авто- и кросскорреляции для отдельных месяцев апреля по сентябрь, которые затем осредняются за весь период (6 месяцев). Размерность осредненной матрицы составляет 90×90 (3 метеопараметра, 30 дней в месяце).Then, based on the generated data series, auto- and cross-correlation matrices are calculated using known mathematical formulas [Anderson T., 1963. Introduction to multivariate statistical analysis, M., 500 p.] in the STATISTICA statistical package (https://ru.wikipedia.org /wiki/Statistica).Preliminary calculations show that in terms of climate, the correlations between meteorological parameters during the warm period of the year for individual months remain approximately the same (determined by global circulation processes).This serves as the basis for using only the averaged matrix.As a result, matrices of auto - and cross-correlations for individual months of April to September, which are then averaged over the entire period (6 months).The dimension of the averaged matrix is 90×90 (3 meteorological parameters, 30 days in a month).
Определяют средние значения диагональных элементов полученной матрицы для равных значений t (временной лаг) и оставляют для дальнейшего рассмотрения только элементы для t=1, t=2, t=3, t=4, t=5. В результате получают осредненную авто- и кросскорреляционную матрицу (K) размерностью (15х15), элементы которой (коэффициенты авто- и кросскорреляции) характеризуют статистическую связь между температурой, солнечным сиянием и дефицитом влажности воздуха. Таким образом, построена матрица А, определяющая 3-х мерное нормальное распределение между фактически наблюдаемыми метеопараметрами х1, х2, х3 (см. табл. 1). Матрица коэффициентов корреляции 15-ти мерного случайного вектора (3x5) для трех элементов: температуры воздуха (), дефицита влажности воздуха (), числа часов солнечного сияния () построена по данным наблюдательных пунктов степной и лесостепной зоны, расположенных рядом с территорией станций Географической сети опытов с удобрениями в бассейне рек Волги и Дона. Для метеостанций, расположенных в разных агроклиматических зонах, получены близкие по значениям элементы кросскорреляционной матрицы, что может служить основанием для предположения о пространственной стационарности моделируемого процесса (всего 27 метеостанций).Determine the average values of the diagonal elements of the resulting matrix for equal values of t (time lag) and leave for further consideration only the elements for t=1, t=2, t=3, t=4, t=5. As a result, an averaged auto- and cross-correlation matrix (K) with dimensions (15x15) is obtained, the elements of which (auto- and cross-correlation coefficients) characterize the statistical relationship between temperature, sunshine and air humidity deficit. Thus, matrix A was constructed, which determines the 3-dimensional normal distribution between the actually observed meteorological parameters x 1 , x 2 , x 3 (see Table 1). Matrix of correlation coefficients of 15-dimensional random vector (3x5) for three elements: air temperature ( ), air humidity deficit ( ), number of sunshine hours ( ) was built according to the data from the observation points of the steppe and forest-steppe zones, located near the territory of the stations of the Geographical Network of Experiments with Fertilizers in the Volga and Don River Basins. For weather stations located in different agro-climatic zones, elements of the cross-correlation matrix with similar values were obtained, which can serve as a basis for assuming the spatial stationarity of the simulated process (27 weather stations in total).
Таблица 1Table 1
Матрица коэффициентов корреляции среднесуточной температуры воздуха (), числа часов солнечного сияния (), дефицита влажности воздуха (). Расчеты выполнены по суточным данным наблюдений МС Воронеж за период с апреля по октябрь.The matrix of correlation coefficients of average daily air temperature ( ), number of sunshine hours ( ), air humidity deficit ( ). The calculations are based on daily observational data from the Voronezh MS for the period from April to October.
Обозначение: t- временной лаг (t=1, 2, 3, 4. 5)Designation: t- time lag (t=1, 2, 3, 4. 5)
На следующем этапе, задавая на входе любое случайное число (например, равное 126704332) с помощью стандартной программы RANDOM (http://www.random.org) итерационно на выходе получают нормально-распределенные случайные вектора с единичной дисперсией и нулевым математическим ожиданием. Затем вычисленная на предыдущем этапе матрица А после факторизации (факторизацией называется представление матрицы в виде произведения двух транспонированных матриц m A*A=K) многократно матрично умножается на реализации случайного вектора. В результате получают множество нормально распределенных векторов в стандартизованном масштабе, определяемое корреляционной матрицей К.At the next stage, by setting any random number at the input (for example, equal to 126704332), using the standard RANDOM program (http://www.random.org), normally distributed random vectors with unit variance and zero mathematical expectation are iteratively obtained at the output. Then the matrix A calculated at the previous stage after factorization (factorization is the representation of a matrix as a product of two transposed matrices m A*A=K) is multiply matrix-multiplied by the implementation of a random vector. The result is a set of normally distributed vectors on a standardized scale, determined by the correlation matrix K.
Формирование месячных реализаций (30-31 суток) по отдельным месяцам с апреля по сентябрь осуществляется путем объединения шести пентад (6х5) из множества векторов, сформированных на предыдущем этапе. Критерием отбора является мера близости с заданной точностью исходной и рассчитанной корреляционной матрицы (.The formation of monthly implementations (30-31 days) for individual months from April to September is carried out by combining six pentads (6x5) from the set of vectors formed at the previous stage. The selection criterion is a measure of proximity with a given accuracy of the original and calculated correlation matrix ( .
Определение суточных значений метеорологических параметров в абсолютных единицах выполняется посредством суммирования климатических норм, определенных, например, в соответствии со способом, выбранным в качестве прототипа (шаг 7), и нормированных суточных отклонений метеопараметров, полученных на шаге 6, умноженных на значения среднеквадратических отклонений среднемесячной температуры, дефицита влажности воздуха, солнечного сияния, соответственно (шаг 1).The determination of the daily values of meteorological parameters in absolute units is performed by summing up the climatic norms determined, for example, in accordance with the method selected as a prototype (step 7), and the normalized daily deviations of the meteorological parameters obtained in step 6, multiplied by the values of the standard deviations of the average monthly temperature , air humidity deficit, sunshine, respectively (step 1).
Далее проводится определение даты выпадения осадков (по величине соотношения правдоподобия λ [Андерсон Т., 1963. Введение в многомерный статистический анализ, М., 500 с.]. Отношение правдоподобия λ рассчитывается для каждых суток по данным сформированных на шаге 8 суточных значений метеопараметров и их средним значениям для дней и осадками и без осадков по формуле:Next, the date of precipitation is determined ( by the magnitude of the likelihood ratio λ [Anderson T., 1963. Introduction to multivariate statistical analysis, M., 500 p.]. The likelihood ratio λ is calculated for each day according to the data of the daily values of meteorological parameters formed at step 8 and their average values for days with and without precipitation according to the formula:
, ,
где () - вектор, компонентами которого являются температура воздуха (), дефицит влажности воздуха (), число часов солнечного сияния (); и - число дней с осадками и без осадков; и - векторы средних значений предикторов для дней с осадками и без осадков, соответственно; - корреляционная матрица вектора .where ( ) is a vector whose components are air temperature ( ), air humidity deficit ( ), the number of hours of sunshine ( ); and - number of days with and without precipitation; and - vectors of average values of predictors for days with precipitation and without precipitation, respectively; - vector correlation matrix .
Чем больше значение λ, тем больше вероятность выпадения осадков в данные сутки.The greater the value of λ, the greater the probability of precipitation on a given day.
Суточная сумма осадков рассчитывается с помощью параметров гамма-распределения, найденных по методу наименьших квадратов для сформированных рядов осадков на шаге 1) и содержащих их месячные значения и количество дней с осадками. Суммарное количество осадков сформированной последовательности дней, в которые выпадали осадки, нормируется на сумму осадков в месяце.The daily amount of precipitation is calculated using the gamma distribution parameters found by the least squares method for the generated precipitation series in step 1) and containing their monthly values and the number of days with precipitation. The total amount of precipitation in the formed sequence of days in which precipitation fell is normalized by the amount of precipitation in the month.
Комплекс суточных метеорологических данных, полученный указанным способом, является входным потоком данных для системы КПУ, расчеты в которой выполняются с суточным шагом по времени. Выбирают сельскохозяйственную культуру из набора культур - яровая пшеница, яровой ячмень, озимая пшеница, сеянные многолетние травы (параметры этих культур определяются на этапе идентификации и верификации модели) и ведут прогнозный расчет в указанной системе на основе предварительно полученного комплекса суточных метеорологических данных. Расчеты выполняются в отдельных точках, а затем усредняются в масштабе района, области, федерального округа.The set of daily meteorological data obtained by this method is the input data stream for the KPU system, the calculations in which are performed with a daily time step. An agricultural crop is selected from a set of crops - spring wheat, spring barley, winter wheat, sown perennial grasses (the parameters of these crops are determined at the stage of identification and verification of the model) and predictive calculation is carried out in the specified system based on a previously obtained set of daily meteorological data. Calculations are performed at individual points, and then averaged on the scale of the district, region, federal district.
В результате одного расчета (прогона модели) на выходе получают прогнозируемую хозяйственную урожайность в ц/га (при 14% влажности - для сравнения с данными по урожайности Росстата), а также в динамике (по суткам), при этом в качестве параметров урожайности используют следующие:As a result of one calculation (running the model), the predicted economic yield in c/ha is obtained at the output (at 14% moisture - for comparison with Rosstat yield data), as well as in dynamics (by day), while the following yield parameters are used :
- масса по отдельным органам растений (листья, стебли, корни, колосья, оболочка колоса и зерно), ц/га- mass for individual plant organs (leaves, stems, roots, ears, ear shell and grain), c / ha
- масса корней, ц/га, - weight of roots, c/ha,
- площадь листьев, см2/см2 - leaf area, cm 2 / cm 2
- суммарные затраты воды на транспирацию, мм,- total water consumption for transpiration, mm,
- запасы воды в почве по слоям 0-20, 20-50 и 50-100 см мм,- water reserves in the soil in layers 0-20, 20-50 and 50-100 cm mm,
- фенологические даты и другие параметры.- phenological dates and other parameters.
Основные выходные параметры тепло- и влагообеспеченности для мониторинга условий формирования урожая, которые рассчитываются в системе КПУ, приведены в табл. 2.The main output parameters of heat and moisture supply for monitoring the conditions of crop formation, which are calculated in the KPU system, are given in Table. 2.
Таблица 2 - Перечень показателей для мониторинга агрометеорологических условий формирования урожая в имитационной системе КПУTable 2 - List of indicators for monitoring agrometeorological conditions of crop formation in the KPU simulation system
Таким образом, ряды суточных метеопараметров, сформированные в соответствии с заявляемым способом и являющиеся входными данными для системы КПУ, позволяют получить прогнозные оценки ожидаемой урожайности сельскохозяйственных культур и соответствующие параметры агроклиматических условий конкретного года. При этом достоверность прогноза урожайности основных зерновых культур увеличивается (до 85-90%).Thus, the series of daily meteorological parameters, formed in accordance with the claimed method and being input data for the KPU system, make it possible to obtain predictive estimates of the expected crop yields and the corresponding parameters of the agro-climatic conditions of a particular year. At the same time, the reliability of forecasting the yield of the main grain crops increases (up to 85-90%).
Примеры конкретного выполненияSpecific Implementation Examples
Проверка работоспособности заявляемого способа осуществлялась на независимом материале.Verification of the performance of the proposed method was carried out on an independent material.
Пример 1. Массив данных наблюдений на 180-ти метеостанциях за период 1976-2019 гг., содержащихся в базе данных “Климат” (Институт глобального климата и экологии Росгидромета) в виде среднемесячных значений температуры воздуха и осадков, преобразован в массив метеопараметров в суточном разрешении с использованием алгоритма, приведенного выше. Суточные данные были загружены в программу КПУ. Результаты проведенных агроклиматических расчетов по территории всей земледельческой зоны Приволжского федерального округа, выполненные с помощью системы КПУ, показали, что предлагаемый способ повышает достоверность оценок показателей агроклиматических ресурсов при наблюдаемых изменениях климата и позволяет оценить ожидаемую урожайность сельскохозяйственных культур с 85-90% точностью. Данный вывод подтверждается визуальной информацией, представленной на фиг. 3, где приведены результаты расчета на основе реальных данных, прогноза и данным Росстата по урожайности по этим данным в системе КПУ, свидетельствующие о согласованности фактической и моделируемой урожайности в основных зерновых регионах Приволжского ФО. Удовлетворительно воспроизводится динамика урожайности на указанных территориях, включая экстремальные гидрометеорологические условия в 2010 г., когда отмечались исключительно засушливые условия, и сравнительно благоприятные агрометеорологические условия в 2007, 2008, 2011 и 2016 гг. Относительная ошибка расчетов составляет от 5 до 10%. При расчетах по прототипу ошибка составляет от 10 до 25 %.Example 1. An array of observational data at 180 meteorological stations for the period 1976-2019, contained in the “Climate” database (Institute for Global Climate and Ecology of Roshydromet) in the form of monthly average values of air temperature and precipitation, was converted into an array of meteorological parameters in daily resolution using the algorithm above. The daily data were loaded into the KPU program. The results of agro-climatic calculations for the territory of the entire agricultural zone of the Volga Federal District, performed using the KPU system, showed that the proposed method increases the reliability of estimates of indicators of agro-climatic resources under observed climate changes and makes it possible to estimate the expected yield of agricultural crops with 85-90% accuracy. This conclusion is confirmed by the visual information presented in Fig. 3, which shows the results of the calculation based on real data, the forecast and Rosstat data on yields according to these data in the KPU system, indicating the consistency of the actual and simulated yields in the main grain regions of the Volga Federal District. Yield dynamics in these areas is reproduced satisfactorily, including extreme hydrometeorological conditions in 2010, when exceptionally dry conditions were noted, and relatively favorable agrometeorological conditions in 2007, 2008, 2011, and 2016. The relative calculation error is from 5 to 10%. When calculating the prototype, the error ranges from 10 to 25%.
Пример 2. Реализация предлагаемого способа позволяет воспроизвести в суточном разрешении данные наблюдаемых метеопараметров конкретного года, представленные среднемесячными значениями температуры воздуха и осадками, при сохранении существующих корреляционных взаимосвязей между метеорологическими параметрами. Примером может служить Фиг. 4 (Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации Павлова В.Н., Караченкова А.А., Раздел Агроклиматические условия. climatechange.igce.ru›). Представлены данные ежедекадного мониторинга агроклиматических условий формирования урожайности зерновых культур, полученные для территории 16-ти субъектов (республик, краев, областей) РФ. Рассматриваемая территория включает основные зерновые регионы на Европейской части России: центрально-черноземные области, южные и юго-восточные области Приволжского федерального округа, зернопроизводящие регионы Южного федерального округа. На фиг. 4 показано пространственное распределение оценок ожидаемой урожайности озимой пшеницы в 2019 г. на основные прогностические даты: 20 мая и 20 июня. Представленные данные позволяют сделать вывод, что в целом для рассматриваемых субъектов РФ рассчитанная в системе КПУ ожидаемая урожайность ниже среднемноголетних значений на 15-20%. Снижение урожайности озимой пшеницы в 2019 г. связано с недостаточной влагообеспеченностью посевов. В центральных и восточных областях Приволжского федерального округа оценки урожайности озимой пшеницы близки к уровню предыдущих лет.Example 2. The implementation of the proposed method makes it possible to reproduce in daily resolution the data of the observed meteorological parameters of a particular year, represented by average monthly values of air temperature and precipitation, while maintaining the existing correlation relationships between meteorological parameters. An example is Fig. 4 (Report on the peculiarities of the climate in the territory of the Russian Federation Pavlova V.N., Karachenkova A.A., Section Agro-climatic conditions. climatechange.igce.ru›). The data of ten-day monitoring of agro-climatic conditions for the formation of grain crop yields obtained for the territory of 16 subjects (republics, territories, regions) of the Russian Federation are presented. The territory under consideration includes the main grain regions in the European part of Russia: the central black earth regions, the southern and southeastern regions of the Volga Federal District, and the grain-producing regions of the Southern Federal District. In FIG. Figure 4 shows the spatial distribution of estimates of the expected yield of winter wheat in 2019 for the main forecast dates: May 20 and June 20. The presented data allow us to conclude that, in general, for the subjects of the Russian Federation under consideration, the expected yield calculated in the KPU system is lower than the average annual values by 15-20%. The decrease in the yield of winter wheat in 2019 is associated with insufficient moisture supply for crops. In the central and eastern regions of the Volga Federal District, winter wheat yield estimates are close to the level of previous years.
Пример 3. Заявляемый способ позволяет использовать ансамбли разных высокоразрешающих систем (например, ансамбля реализаций будущего климата по региональной климатической модели (РКМ), разработанной в Главной Геофизической обсерватории им. В.А. Воейкова) для получения вероятностных оценок последствий климатических изменений для целей уточнения количественной оценки ожидаемых изменений продуктивности сельскохозяйственных культур. На фиг. 5 представлен вероятностный прогноз урожайности яровой пшеницы для разных временных срезов на 21 век, полученный с использованием заявляемого способа. В близкой перспективе (2030-2039 гг.) можно ожидать снижения урожайности на территории ЦФО (черноземная зона) на -11,7±3,0%, величина которого к середине века может достигнуть -15,8±5,1% относительно базового периода. Падение урожайности яровой пшеницы в ЮФО может достигнуть величины -9,9±2,3% уже в 2030-2039 гг. К середине 21-го века потепление на ЕЧР может привести к снижению продуктивности зерновых культур на 10,3±3,2% по сравнению с базовым периодом. В этот же период наибольшие потери продуктивности могут составить -15,8±5,1% в центрально-черноземных областях, наименьшие (-6,7±3,0%) - в ПФО. К концу 21-го века урожайность зерновых здесь может сократиться на треть в отсутствии адаптационных мер, направленных на предотвращение негативных тенденций в обеспеченности растений влагой и снижением ее запасов в почве.Example 3. The claimed method allows using ensembles of different high-resolution systems (for example, an ensemble of future climate realizations based on a regional climate model (RCM) developed at the V.A. Voeikov Main Geophysical Observatory) to obtain probabilistic estimates of the consequences of climate change in order to refine the quantitative estimates of expected changes in crop productivity. In FIG. 5 shows a probabilistic forecast of spring wheat yield for different time slices for the 21st century, obtained using the proposed method. In the short term (2030-2039), we can expect a decrease in yield in the territory of the Central Federal District (chernozem zone) by -11.7±3.0%, the value of which by the middle of the century can reach -15.8±5.1% relative to the base period. The fall in the yield of spring wheat in the Southern Federal District may reach -9.9±2.3% already in 2030-2039. By the middle of the 21st century, warming in the ER can lead to a decrease in the productivity of grain crops by 10.3±3.2% compared to the base period. In the same period, the greatest productivity losses can be -15.8±5.1% in the Central Chernozem regions, the smallest (-6.7±3.0%) - in the Volga Federal District. By the end of the 21st century, grain yields here may be reduced by a third in the absence of adaptation measures aimed at preventing negative trends in the provision of plants with moisture and a decrease in its reserves in the soil.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020139243A RU2770821C1 (en) | 2020-11-30 | 2020-11-30 | Method for forecasting crop yield by determining complex of meteorological parameters in daily resolution |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020139243A RU2770821C1 (en) | 2020-11-30 | 2020-11-30 | Method for forecasting crop yield by determining complex of meteorological parameters in daily resolution |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2770821C1 true RU2770821C1 (en) | 2022-04-22 |
Family
ID=81306333
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020139243A RU2770821C1 (en) | 2020-11-30 | 2020-11-30 | Method for forecasting crop yield by determining complex of meteorological parameters in daily resolution |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2770821C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114997642A (en) * | 2022-05-31 | 2022-09-02 | 陕西师范大学 | Crop yield loss pre-evaluation method based on vulnerability curve |
CN116777081A (en) * | 2023-08-15 | 2023-09-19 | 吉林省中农阳光数据有限公司 | Spring corn yield prediction model obtaining method and yield prediction method thereof |
CN117744861A (en) * | 2023-12-08 | 2024-03-22 | 中化现代农业有限公司 | Method and device for predicting physical period, electronic equipment and storage medium |
CN118586743A (en) * | 2024-08-06 | 2024-09-03 | 江苏省气候中心 | Winter wheat yield forecasting method based on correction of meteorological data and crop growth model |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2439873C2 (en) * | 2009-03-23 | 2012-01-20 | Екатерина Петровна Кондратенко | Method to forecast crop capacity of spring wheat |
AU2018226373A1 (en) * | 2017-12-06 | 2019-06-20 | South Country Equipment Ltd. | Using historical plant-available water metrics to forecast crop yield |
-
2020
- 2020-11-30 RU RU2020139243A patent/RU2770821C1/en active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2439873C2 (en) * | 2009-03-23 | 2012-01-20 | Екатерина Петровна Кондратенко | Method to forecast crop capacity of spring wheat |
AU2018226373A1 (en) * | 2017-12-06 | 2019-06-20 | South Country Equipment Ltd. | Using historical plant-available water metrics to forecast crop yield |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
В.Н.Павлова. Агроклиматические ресурсы и продуктивность сельского хозяйства России при реализации новых климатических сценариев в XXI веке / Труды главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова, 2013, N569, стр.20-37. * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114997642A (en) * | 2022-05-31 | 2022-09-02 | 陕西师范大学 | Crop yield loss pre-evaluation method based on vulnerability curve |
CN116777081A (en) * | 2023-08-15 | 2023-09-19 | 吉林省中农阳光数据有限公司 | Spring corn yield prediction model obtaining method and yield prediction method thereof |
CN116777081B (en) * | 2023-08-15 | 2023-11-03 | 吉林省中农阳光数据有限公司 | Spring corn yield prediction model obtaining method and yield prediction method thereof |
CN117744861A (en) * | 2023-12-08 | 2024-03-22 | 中化现代农业有限公司 | Method and device for predicting physical period, electronic equipment and storage medium |
CN118586743A (en) * | 2024-08-06 | 2024-09-03 | 江苏省气候中心 | Winter wheat yield forecasting method based on correction of meteorological data and crop growth model |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2770821C1 (en) | Method for forecasting crop yield by determining complex of meteorological parameters in daily resolution | |
Duarte et al. | NASA/POWER and DailyGridded weather datasets—how good they are for estimating maize yields in Brazil? | |
Li et al. | Multi-site multivariate downscaling of global climate model outputs: an integrated framework combining quantile mapping, stochastic weather generator and Empirical Copula approaches | |
Vu et al. | A variance inflation factor and backward elimination based robust regression model for forecasting monthly electricity demand using climatic variables | |
CN111582554B (en) | Crop growth prediction method and system | |
US20170132537A1 (en) | A computer implemented method of deriving performance from a local model | |
Jin et al. | Improvement of spatially and temporally continuous crop leaf area index by integration of CERES-Maize model and MODIS data | |
Huang et al. | Assessing model performance of daily solar irradiance forecasts over Australia | |
Potgieter et al. | A simple regional-scale model for forecasting sorghum yield across North-Eastern Australia | |
Ruml et al. | Evaluation of different methods for determining growing degree-day thresholds in apricot cultivars | |
Everingham et al. | Ensemble data mining approaches to forecast regional sugarcane crop production | |
Caraka et al. | Rainfall forecasting multi kernel support vector regression seasonal autoregressive integrated moving average (MKSVR-SARIMA) | |
Cai et al. | Using a Climate Index to Measure Crop YieldResponse | |
Gaur et al. | Application of physical scaling towards downscaling climate model precipitation data | |
Cross et al. | Ensemble estimation of future rainfall extremes with temperature dependent censored simulation | |
Coelho et al. | A Bayesian approach for multi-model downscaling: Seasonal forecasting of regional rainfall and river flows in South America | |
Perera et al. | Multivariate time series modeling of short-term system scale irrigation demand | |
Linker et al. | Concurrent data assimilation and model-based optimization of irrigation scheduling | |
Bullock | The influence of state-level production outcomes upon US National Corn and Soybean Production: A novel application of correlated component regression | |
CN115907543A (en) | Method for evaluating cultivated land quality and related device | |
CN113627105B (en) | Irrigation water consumption monitoring method and device and computer equipment | |
Ghag et al. | Effect of long-term climate signatures on regional and local potato yield in Finland | |
Yang et al. | Seasonal prediction of crop yields in Ethiopia using an analog approach | |
Lekakis et al. | Evaluation of a satellite drought indicator approach and its potential for agricultural drought prediction and crop loss assessment. The case of BEACON project | |
Proctor et al. | Accurate specification of water availability shows its importance for global crop production |