基于人工神经网络的河南省冬小麦气候产量研究
作者单位：陕西师范大学
学位级别：硕士
导师姓名：董婕
授予年度：2016年
学科分类：090101[农学-作物栽培学与耕作学] 09[农学] 0901[农学-作物学]
摘 要：在自然因素和人类活动的共同影响下,过去30年全球平均气温已升高了0.89℃（0.65-1.06℃）,气候变暖的趋势已不可逆转。在气候变暖的背景下,全球社会经济和生态环境都受到了深远的影响。农业对气候变化的反应最为敏感和脆弱,故探讨分析气候变化对农业的影响,是保证农业发展稳定性和可持续性的关键。小麦是我国重要的粮食作物,河南省作为我国最主要的麦区之一,其独特的地理位置决定了研究该区域气候变化对冬小麦产量的影响具有代表性意义。不仅可以为评估全球气候变化对农业的影响提供一个简单的区域实证,也可为应对适应此种影响制定科学合理的措施奠定一定的理论基础。本文选用1961～2014年河南省及其周边共32个气象站点的平均气温、降水量、日照时数、日最低气温、日最高气温等日值数据以及河南省、河北省与山东省小麦单产数据,结合Excel、SPSS、Eviews、MATLAB等分析软件,首先采用5年滑动平均、M-K检验、小波分析、空间插值以及线性倾向率等方法分析了河南省54年来的气候变化情况;其次,分别采用6种趋势产量分离方法分离出河南省气候产量,经过合理的筛选获得最佳分离方法;最后,在相关性分析、多重共线性分析的基础上对关键气象因子进行筛选与检验,最终构建人工神经网络模型,对河南省气候产量的时空变化进行模拟预测分析。通过研究,得出以下结论：（1）河南省冬小麦单位面积产量呈逐年增长趋势,但增长速度有所减缓。近54年来河南省气温升温速率由大到小依次为：日最低气温、平均气温和日最高气温;平均气温、日最低气温与日最高气温都存在20a以上的全域性周期震荡信号;且三者都呈现东南高西北低的空间分布格局,除日最高气温区域差异缩小外,平均气温和日最低气温区域差异都在扩大。省内年降水量在增加,而日照时数则呈极显著减少,二者分别存在25a以上、14a-25a的全域性周期震荡信号,降水量分布南多北少,且南北差异依然在增大;而日照时数东北多西南少,且西北地区有增多趋势。（2）在分离气候产量上,相较于三年滑动平均、五年滑动平均、二次指数平滑法、二次曲线拟合和三次曲线拟合这5种方法,H-P滤波具有明显优势。（3）影响河南省气候产量的关键生育期有播种期、越冬期、拔节期、抽穗期4个时期,其中降水量和日照时数贡献较大,生育期内气温影响不显著。（4）为保证模拟预测的准确性,对影响河南省气候产量的气象因子进行了多重共线性检验,结果表明因子之间不存在相互影响的关系,不需要剔除共线性对模型的影响。由于气象因子与气候产量之间存在非线性的复杂关系,最终确定使用人工神经网络来模拟河南省气候产量,并确定模型参数设置为：10个隐含层节点,设定2000作为训练次数,用tansig函数作为传递函数。（5）从时间上来看,河南省冬小麦气候产量在1971年发生由低到高的突变;且在1980年气候产量呈现显著性增加;且气候产量存在17a-27a的全域性周期震荡信号;并且未来十几年内河南省冬小麦平均气候产量可能会处在相对较高的水平上。从空间上来看,20世纪60年代气候产量呈现中高周低的分布格局：70年代分布格局为东南高西北低;80年代呈现北部低南部高的格局,且气候产量正值区面积空前增大;90年代河南省气候产量变化空间分布格局为东南小部分地区高,西北和东北大部分地区低;21世纪前10年气候产量从西北向东南增多;最近4年中气候产量则呈现东北高西南低空间分布格局。不同年代气候产量变动最大的地区为河南省中东部,其次为河南省南部地区,而南阳盆地气候产量一直处在低值区。在未来变化上,河南省中东部气候产量呈现显著增长趋势,豫北山地呈现不显著的减少,其余区域趋势变化不明显;水热条件的配合是影响小麦气候产量高低的关键。
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