Агрометеорологические прогнозы

1. Введение

Одним из важнейших видов агрометеорологического обслуживания сельского хозяйства являются агрометеорологические прогнозы - предвидения важнейших агрометеорологических условий, влияющих на рост, развитие и формирование урожая сельско-хозяйственных  культур. Основываются на учёте биологических особенностей растений и результатах метеорологических наблюдений. В связи с прогнозами ожидаемых агрометеорологических условий определяются сроки обработки почвы, сева и уборки урожая, фаз развития сельско-хозяйственных  культур, а также предполагаемые урожайность и валовые сборы основных видов растениеводческой продукции. 
          Для оценки исходного состояния системы (сложившиеся агрометеорологические условия, фаза развития растений и др.) выбирают наиболее значимые и лимитирующие факторы, которые предопределяют развитие рассматриваемых явлений или процессов и конечное состояние системы. При этом в первую очередь учитывают те, которые медленно изменяются во времени (запасы влаги в почве, число растений на единице площади, высота снежного покрова и т.п.). Они получили название инерционных факторов. Эти факторы подбирают методом корреляционно-регрессионного  анализа. На его основе строят прогностические уравнения с включением выбранных факторов (предикторов).          
          
          Чем  точнее информация, тем лучше качество прогнозов  и  их  оправдываемость. Именно поэтому на сети станций и постов нередко проводят дополнительные наблюдения по специальным программам, а также  маршрутные наземные и авиационные обследования состояния посевов на больших площадях, существенно дополняющие информацию метеорологических станций. 
          Заблаговременность агрометеорологических прогнозов составляет, как правило, не менее 1 месяца, достигая в отдельных случаях 2 и даже 3 месяцев. Оправдываемость  агрометеорологических  прогнозов чаще всего достаточно высокая ( 80-90% и более), так как при их составлении учитывают исходное состояние посевов, сложившиеся фактические агрометеорологические условия на дату составления прогноза и наиболее важные инерционные факторы, которые сохраняют своё влияние длительное время. 
          Агрометеорологические прогнозы составляют в основном в Гидрометцентре, межрегиональных управлениях и областных центрах Росгидромета.                    

2.История прогнозирования урожайности

Прогнозирование урожая имеет давнюю историю, еще со времен, когда было установлено, что в жизни растений существуют периоды высокой чувствительности к уровню запасов почвенной влаги и температурного режима (П.И. Броунов, 1896 г.). Такие периоды были названы «критическими», поскольку недостаток или избыток тепла и влаги приводит к недобору конечного урожая культуры. Понятие «критические» периоды в жизни  растений прочно вошло в арсенал методов научного анализа и почти на целый век предопределило развитие проблематики в мировой агрометеорологии.

В истории прогнозирования урожайности можно выделить три этапа:

Первый – описательный, когда на качественном уровне объяснялась связь между погодными условиями и продуктивностью растений. Первые такие прогнозы относятся еще к XV веку, а первая формулировка прогноза звучит так: «по различию весов воды в один и другой год и другим различиям можно делать предположение о будущем урожае или неурожае вернее, чем по движению звезд». Описательный подход существовал до 50-60 годов XX века, когда качественный описательный подход сменился эмпирико-статистическим, при котором основное внимание уделяется поиску прямых эмпирических связей между входами и выходами системы «погода-урожай». Были получены уравнения регрессии для прогнозирования осредненной по территории урожайности важнейших культур.

Например, один из методов, который можно использовать и сегодня для прогноза урожая озимой пшеницы. В основе его количественная зависимость урожайности от главных факторов – запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы и количества стеблей на 1 м2 весной на фазу выхода в трубку и фазу колошения. Это простое уравнение:

                                У =0,059W+0,024n–2,97, где

У - ожидаемая урожайность озимой пшеницы, ц/га, W – запасы продуктивной влаги в слое почвы 0-100 см, n – число стеблей озимой пшеницы на 1 м2.

 Однако эмпирико-статистический подход имеет ряд недостатков, главный из которых то, что он справедлив лишь для тех территорий, для которых были получены уравнения.

Понимание недостатков этого метода привело к развитию третьего этапа - математического моделирования в агрометеорологии, которое называется динамическим. Появление динамических моделей прогноза урожая означало смену математического аппарата и становление нового подхода к описанию и объяснению причинно-следственных связей между погодными условиями и продуктивностью сельхозкультур. Сущность динамического подхода в том, что формирование урожая рассматривается как развивающийся во времени процесс, для описания которого используется соответствующий математический аппарат – дифференциальные уравнения, имитирующие поведение растений в системе «атмосфера-почва-растение».

На сегодня именно динамические модели продуктивности наиболее распространены и используются для прогнозов урожая. В основе модели прогноза средней областной урожайности система уравнений радиационного, теплового, водного балансов и баланса биомассы в растительном покрове системы «среда-растение». Система «среда-растение» рассматривается как сложная динамическая система, развивающаяся под влиянием внутренних и внешних факторов, в которой выделяются процессы роста, развития и формирования продуктивности растений. Модель описывает основные процессы жизнедеятельности растений (фотосинтез, дыхание, рост, распределение ассимилятов) и учитывает влияние метеорологических факторов на продуктивность посевов.

3. Основные методы агрометеорологических прогнозов

Методы агрометеорологических прогнозов основаны на количественных зависимостях прогнозируемой переменной от состояния предикторов на дату прогноза. Эти зависимости  установлены путём статистической обработки результатов агрометеорологических наблюдений и выражены прогностическими уравнениями. Для составления любого агрометеорологического прогноза нужна информация  о предикторах, включенных в прогностическое уравнение. Источником этой информации являются материалы наблюдений метеорологических станций, данные маршрутных обследований и т.п. Информация, поступившая по каналам связи, обрабатывается, обобщается и используется для составления прогноза. Прогноз составляется по пунктам (по данным метеорологической станции). Затем в ряде случаев рассчитанные значения прогнозируемого явления осредняются для большой территории (области, края, республики).

Агрометеорологические прогнозы по содержанию можно подразделить на пять основных групп:

• Прогнозы агрометеорологических условий. К этой группе относятся: прогноз теплообеспеченности вегетационного периода, прогноз сроков оттаивания и промерзания почвы, прогноз запасов продуктивной влаги в почве, прогнозы агрометеорологических условий развития и роста сельскохозяйственных культур, прогноз условий уборки зерновых культур.
• Фенологические прогнозы. К ним относятся: прогноз оптимальных сроков начала весенних полевых работ, прогнозы сроков наступления основных фаз развития растений и др.
• Прогнозы урожайности основных сельскохозяйственных культур и качества урожая.
• Прогноз состояния озимых культур в зимний период.
• Прогнозы сроков появления и распространения болезней и вредителей растений.

Разработаны также прогнозы произрастания пастбищной  растительности, оптимальных режимов орошения, полегания зерновых культур и некоторые другие.

          Рассмотрим  только те методы прогнозов, которые  характерны для каждой группы  и которые успешно применяют  в сельскохозяйственном производстве.

Прогнозы агрометеорологических условий

1. Прогноз теплообеспеченности вегетационного периода

          Cуммы активных температур воздуха, характеризующие обеспеченность теплом вегетационного периода, более или менее значительно отклоняются по годам от средней многолетней суммы температур. В годы с большим недобором тепла многие культурные растения могут не дозреть, поэтому в такие годы необходимо высевать более скороспелые культуры (сорта). Метод прогноза  теплообеспеченности, разработанный Ф.Ф. Давитая, основывается на связи сумм активных температур с датой устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через 10 ͦС весной. Чем раньше наступит эта дата, тем большая сумма температур накопится за период активной вегетации. Эта связь установлена в результате обработки данных многолетних метеорологических наблюдений основных метеостанций. 
          Разработанный Ф.Ф. Давитая прогноз продолжительности вегетационного периода основан на связи его продолжительности с датой устойчивого перехода температуры воздуха через 10  ͦС весной.

1. Прогноз запасов влаги в почве к началу сева яровых культур

          Этот  прогноз имеет большое значение  для районов недостаточного увлажнения, так как в целях выбора оптимальных  сроков сева яровых культур, способов  предпосевной обработки почвы, а  также подбора культур необходимо  заранее знать, какие влагозапасы будут в метровом слое почвы перед посевом. Например, при низкой влажности почвы весной вместо яровой пшеницы целесообразно высевать засухоустойчивые культуры (просо). 
          Метод прогноза влажности почвы разработал  Л.А. Разумовой. Прогноз составляется обычно по состоянию на 1 марта, т.е. за 30-50 дней до посева ранних яровых в степной зоне.

Фенологические пронозы

1.Прогноз  оптимальных сроков начала полевых  работ  
и сева ранних зерновых

           В  западных и северных районах  нечерноземной зоны период оттаивания  и просыхания почвы весьма  продолжителен. Оптимальные условия  увлажнения почвы для начала  полевых работ и сева ранних  яровых культур наступают, когда  почва просохнет до мягкопластичного состояния. Эти условия длятся всего 10-20 дней, затем пахотный слой начинает пересыхать , что затрудняет обработку почвы и ухудшает условия прорастания семян. Поэтому  прогноз оптимальных условий увлажнения для начала полевых работ, разработанный А.Н. Деревянко, важен для сельского хозяйства.

2.Прогнозы  сроков наступления основных фаз развития  
сельскохозяйственных культур

          Скорость  развития растений зависит в  основном от температуры воздуха. С повышением температуры (до  определённого уровня) скорость  развития увеличивается. Следовательно при теплой погоде фазы развития будут наступать раньше, чем при прохладной.  
          Прогноз наступления фазы восковой спелости у зерновых культур является очень важным , так как он определяет сроки начала уборки зерновых – начало уборочной кампании. 
          В период от посева до восходов на скорость развития многих растений влияет недостаток почвенной влаги, замедляющий прорастание. Уравнения, учитывающие влияние запасов влаги на скорость развития, получены для озимой пшеницы Е.С. Улановой, для кукурузы Ю.И. Чирковым. 
          Исследованиями также установлено, что при очень высоких температурах воздуха скорость развития растений не возрастает. Поэтому суммы эффективных температур в этом случае теряют константность и уже зависят от уровня  температуры. Относительная устойчивость их проявляется преимущественно в пределах средних суточных температур от 5 до 18  ͦС, т.е. в условиях климата нечернозёмной зоны в течение почти всего вегетационного периода, а степной зоны – в период до колошения.

Точность фенологического прогноза зависит от точности прогноза.

 Прогнозы урожайности основных  
сельскохозяйственных культур

На формирование урожая сельскохозяйственных культур влияет множество факторов, имеющих различную значимость и изменчивость во времени. По изменчивости эти факторы  можно разделить на три группы:

• Факторы устойчивые. К ним относятся: местоположение, механический состав почв, биологические  особенности растения и т.п.
• Факторы, изменение которых от года к году  происходит в одном направлении и влияет на урожай положительно. Это факторы, связанные с ростом  культуры земледелия (внесение удобрений, мелиорация и др.)
• Факторы, изменение которых во времени влияет или положительно или отрицательно на формирование урожая. К ним относятся метеорологические факторы и состояние посевов (густота посевов, площадь листовой поверхности, число колосоносных стеблей и т.п.).

Для прогноза урожайности необходимо учитывать в первую очередь факторы третьей группы, выбирая из них в качестве предикторов основные и лимитирующие . Связи этих факторов с урожайностью устанавливаются статистическими методами и выражаются в виде прогностических уравнений. Факторы второй группы, выражающие влияние агротехники, учитываются как корректирующие  результаты решения прогностических уравнений, т.е. вносится поправка на тенденцию роста  урожайности, которая выражается  линией тренда.  
          Научной основой методов агрометеорологических прогнозов урожайности являются биологически обоснованные  и выраженные численно зависимости роста, развития и продуктивности растений от метеорологических условий , динамики запасов почвенной влаги, уровня агротехники.

1.Прогноз  урожайности озимой пшеницы

Для черноземной зоны этот прогноз разработан Е.С. Улановой. Ею учтен сортовой состав озимой пшеницы и внедренные в последние годы новые сорта Безостая 1, Мироновская 808 и др. Уланова, исследовав с помощью ЭВМ  влияние на урожайность озимой пшеницы 15 факторов, получила многофакторные прогностические уравнения для разных фаз развития озимой пшеницы начиная с возобновления вегетации весной.  
          Корреляционный анализ показал, что наиболее тесная связь урожайности озимой пшеницы наблюдается с числом стеблей при возобновлении вегетации, в фазе выход в трубку, а также с числом колосоносных  стеблей в фазе колошение. Тесная связь урожайности озимой пшеницы также с запасами продуктивной влаги в слое почвы 0 – 100 см и с высотой растений в фазе колошение. Учет этих факторов, достаточно точно выражающих состояние посева и его потенциальные возможности, обуславливает высокую обеспеченность  уравнений ( выше 80%).