橡膠風害與氣候適宜性評價系統

劉少軍 張京紅 蔡大鑫 李偉光 白蕤

摘要：為了更好開展橡膠氣象服務（橡膠風害和氣候適宜性評價），根據橡膠氣象服務的關鍵點，在建立的橡膠氣候適宜性評價模型、橡膠臺風潛能破壞指數監測模型、橡膠風害災損預測模型、橡膠樹斷倒模型的基礎上，結合中國氣象局CIMISS系統，利用C#語言開發實現了橡膠風害和氣候適宜性系統。該系統能快速實現不同時間段不同區域橡膠風害和氣候適宜性狀況，能很好地輔助橡膠氣象服務，可為橡膠生產管理和防災減災提供技術支撐。

關鍵詞：橡膠；風害；氣候適宜性；系統

中圖分類號：P49 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）06-0100-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.06.025

Abstract： In order to carry out meteorological services for rubber（rubber wind disaster and climate suitability evaluation）， System on rubber wind disaster and climatic suitability evaluation was developed by C# language and combined with the Chinese meteorological Bureau CIMISS system according to the key point of meteorological service in the evaluation of rubber. The system included rubber climate suitability evaluation model，rubber typhoon damage index monitoring model，rubber disaster loss prediction model，rubber stem snapping model and uprooting model. The system can evaluate rubber wind and climate suitability in different time in different area，which can also assist the rubber meteorological service and can provide technical support for rubber production management， disaster prevention and mitigation.

Key words： rubber； wind disaster； climatic suitability； system

橡膠樹屬于典型的熱帶樹種，生長在赤道附近，喜高溫高濕。由于全球天然橡膠需求的增加，全球橡膠種植開始向更高緯度擴展。中國橡膠種植區屬于非傳統植膠區，低溫寒害和臺風災害嚴重影響橡膠單產及橡膠樹的經濟壽命[1]。氣候變化和極端氣候事件對橡膠產膠的影響程度較高[2]。對海南省而言，橡膠風害相對突出，直接影響到橡膠樹的生長；而氣候適宜性的變化可能直接影響橡膠產量的波動。因此，建立橡膠風害與氣候適宜性評價系統將有利于客觀評估橡膠樹的災損狀況和產膠潛力，提高橡膠氣象服務工作效率。在橡膠氣象服務系統建設方面，前人已經開展了研究，如張京紅等[3]基于GIS技術和可拓模型建立橡膠林風害評估系統，開展橡膠災損評估；車秀芬等[4]基于FY-3遙感數據開發了海南島橡膠遙感長勢監測系統；黎小清等[5，6]分別建立了橡膠園信息管理系統和橡膠樹施肥管理系統；李湘云等[2]基于GIS技術開發了西雙版納橡膠氣象信息服務系統，科學指導割膠氣象服務；陳贊章等[7]建立了基于WebGIS的橡膠樹施肥信息系統，合理管理膠園。針對海南省橡膠生產區的災害性天氣特點和氣象服務的需求，將氣象數據和風害與氣候適宜性評價模型相結合，建立針對橡膠生產氣象服務系統，以便能客觀評估橡膠樹的風害損失和氣候適宜性狀況，為橡膠生產與決策氣象服務提供技術支撐。

1 相關模型

橡膠風害與氣候適宜性評價系統包括4個模型，即橡膠氣候適宜性評價模型、橡膠臺風破壞潛能監測指數監測模型、橡膠風害災損預測模型、橡膠樹斷倒模型。

1.1 橡膠氣候適宜性評價模型

氣候條件（光、溫、水）直接影響橡膠的生長和產膠的潛力，因此氣候適宜性評價模型可為橡膠生長狀況和產量分析提供判別的依據[8]。參照文獻[8，9]，建立橡膠生長期內的氣候適宜性評價模型，如式（1）所示。

S（T，P，S，W）=■ （1）

式中，S（T，P，S，W）為橡膠生長期內的氣候適宜度；S（T）、S（p）、S（s）、S（w）分別為橡膠生長期溫度適宜度、降水適宜度、日照時數適宜度、風速適宜度，具體計算見式2～式8。

ST=■ （2）

B=■ （3）

式中，S（T）表示橡膠生長期溫度適宜度，T表示溫度，T1、T2、T0分別為橡膠生長期內的最低溫度、最高溫度和最適宜溫度；ST表示溫度為T時的溫度適宜度，B表示最高溫度和最適宜溫度的差值與最適宜溫度和最低溫度差值之比。

S（p）=（S（r）+S（d））/2 （4）

S（r）=R/R1 R

S（d）=d/d1 d≤d1 1 d1

式中，S（p）表示橡膠生長期降水適宜度；S（r）為橡膠生長期降水量適宜度；S（d）為橡膠降水日數適宜度。R1為生長期橡膠適宜降水量，R為生長期內的實際降水量。d1、dh為橡膠生長期適宜降水日數的上限和下限，d為橡膠生長期實際降水日數。

S（s）=e■ S

式中，S（s）為橡膠生長期日照適宜度，S為橡膠生長期內實際日照時數，S0為日照百分率為55%的日照時數，常數b取5.1。

S（w）= 1 W≤W1（29/9）*（Wh-W）/Wh W1

式中，S（w）為橡膠生長期風速適宜度，W為實際風速，W1、Wh為橡膠生長期適宜風速的上限和下限。

1.2 橡膠臺風潛能破壞指數監測模型

風速是導致橡膠災損程度的重要因子，橡膠林的災損程度隨著風速的增大而線性增大[10]。根據文獻[11]，建立橡膠臺風潛能破壞指數監測模型（式9、式10）。

F=-0.057-1.84×10-5P （9）

P=∑■■Vi （10）

式中，F表示臺風對橡膠林植被影響力指數；P表示臺風破壞潛能指數。

1.3 橡膠風害災損預測模型

對橡膠林風害災損程度的準確評估是一個復雜的過程，因為橡膠災損程度不僅與大風本身強度有關，還與地形下墊面和橡膠栽培技術等多種因素有關[12]。根據海南省橡膠風害的災情調查統計結果情況和海南橡膠氣象服務實用技術手冊[13]，確定橡膠風害與風力評價指標表1。

1.4 橡膠樹斷倒模型

在研究方法上，借鑒國內外森林風害機理模型（HWIND和GALES）的研究思路，并憑借以往開展橡膠災害影響評價和氣象災害實時評估的豐富經驗，結合現有的工作條件，構建海南橡膠林斷倒的機理模型[14]。

橡膠樹斷裂模型：

V■=■

[■]■[■]■ln■ （11）

式中，V■表示橡膠樹斷倒的風速，k為卡門常數（=0.41），D表示橡膠樹的平均間距，d表示零平面位移，h表示離地高度，z0表示地面粗糙度，G表示陣風系數；MOR表示斷裂的彈性模量，dbh表示斷裂部位樹干的直徑，？籽表示空氣密度，取1.226 kg/m3；f■， f■， f■為風力試驗參數。

橡膠樹倒伏模型：

V■=■[■]■[■]■ln■（12）

式中，V■表示橡膠樹倒伏的風速，SW表示冠層的重量，Creg為風力試驗參數。

2 業務系統

2.1 系統框架

系統包括4個模型，即橡膠氣候適宜性模型、橡膠臺風破壞潛能指數、橡膠風害災損預測模型、橡膠樹斷、倒判識模型。模型運行數據取值來源于中國氣象局氣象信息中心CIMISS數據庫，圖像邊界取值地理信息數據。CIMISS數據庫建立了氣象數據標準化框架，規范了各類數據命名、格式和算法，定義了國家級和省級一致的氣象數據存儲結構和數據服務接口，實現了國家級、省級數據同步和實時歷史數據一體化管理[15]。系統具體框架見圖1。

2.2 系統實現

系統的開發基于ArcGIS平臺和CIMISS數據庫，采用C#語言進行二次開發，同時耦合4個評價模型（橡膠氣候適宜性模型、橡膠臺風破壞潛能指數、橡膠風害災損預測模型、橡膠樹斷倒模型），實現橡膠氣候適宜性和風害評價，并結合地圖可視化顯示評價結果，可為橡膠氣象服務人員提供評價數據。系統主要功能為橡膠氣候適宜性評價、橡膠臺風破壞潛能指數評價、橡膠風害災損預測評價、橡膠樹斷倒判識等功能，并以圖像和數據分別展示評價結果；地圖操作功能包括放大、縮小、平移、全圖、導出和保存圖形等；專題圖的制作可以根據用戶需求將評價結果快速展示。系統具體界面見圖2。

2.3 系統運行環境

服務端：服務器操作系統：Windows Server 2003；數據庫服務器：SQL Server2008以上；中間件：IIS；其他支持軟件：.NET Framework 4.0。

客戶端：客戶端操作系統：Microsoft Windows XP以上；其他支持軟件：.NET Framework 4.0。

3 結論

1）為適應橡膠氣候適宜性和氣象災害評價的需求，基于橡膠氣候適宜性評價模型、橡膠臺風潛能破壞指數監測模型、橡膠災損預測模型、橡膠樹斷倒模型，通過二次開發實現了橡膠風害與氣候適宜性評價，提高了橡膠氣象服務能力。

2）系統采用的模型分別來自不同科研成果的總結，具有一定的實用性，后期將根據實際應用情況，不斷修訂評價模型參數，提高模型的精度，提升系統的可靠性。

參考文獻：

[1] 王祥軍，李維國，高新生，等.巴西橡膠樹響應低溫逆境的生理特征及其調控機制[J].植物生理學報，2012，48（4）：318-324.

[2] 李湘云，譚志堅，凌升海.基于GIS的西雙版納天然橡膠氣象信息服務系統[J].氣象科技，2010，38（1）：141-144.

[3] 張京紅，劉少軍，蔡大鑫.基于GIS的海南島橡膠林風害評估技術及應用[J].自然災害學報，2013，22（4）：175-181.

[4] 車秀芬，張京紅，劉少軍，等.海南島橡膠長勢監測系統建設[J].氣象研究與應用，2014，35（1）：46-49.

[5] 黎小清，陳桂良，陶建祥，等.基于GIS的橡膠園信息管理系統的設計與實現[J].熱帶農業科技，2016，39（4）：9-14.

[6] 黎小清，丁華平，楊春霞，等.基于WebGIS的東風農場橡膠樹施肥信息管理系統的設計與實現[J].熱帶農業科技，2014，37（4）：1-5.

[7] 陳贊章，羅 微，林清火.基于WebGIS的橡膠樹精準施肥信息系統的設計與實現[J].中國農學通報，2008，24（7）：473-477.

[8] 劉少軍，房世波.海南島天然橡膠氣候適宜性及變化趨勢分析——以第一蓬葉生長期為例[J].農業現代化研究，2015，36（6）：1062-1066.

[9] 杜堯東，段海來，唐力生.全球氣候變化下中國亞熱帶地區柑桔氣候適宜性[J].生態學雜志，2010，29（5）：833-839.

[10] VERHAM E M，BROKAW N V L. Forest damage and recovery from catastrophic wind[J].The Botanical Review，1996，62（2）：113-185.

[11] 劉少軍，張京紅，蔡大鑫，等.Landsat 8在橡膠林臺風災害監測中的應用[J].自然災害學報，2016，25（2）：53-58.

[12] 劉少軍，胡德強，張京紅，等.海南島橡膠風害的重現期預測[J].廣東農業科學，2017，44（1）：172-175.

[13] 海口市氣象局.海南橡膠氣象服務實用技術手冊[R].2014.

[14] 劉少軍.基于GALES的海南橡膠林臺風風災評估模型初探[J].熱帶農業科學，2017，37（5）：51-55.

[15] 熊 劦，鄧衛華，胡佳軍，等.基于CIMISS的區域災害性天氣實時監測與報警系統的設計與實現[J].氣象科技，2017，45（3）：453-459.