橡胶风害与气候适宜性评价系统

刘少军 张京红 蔡大鑫 李伟光 白蕤

摘要：为了更好开展橡胶气象服务（橡胶风害和气候适宜性评价），根据橡胶气象服务的关键点，在建立的橡胶气候适宜性评价模型、橡胶台风潜能破坏指数监测模型、橡胶风害灾损预测模型、橡胶树断倒模型的基础上，结合中国气象局CIMISS系统，利用C#语言开发实现了橡胶风害和气候适宜性系统。该系统能快速实现不同时间段不同区域橡胶风害和气候适宜性状况，能很好地辅助橡胶气象服务，可为橡胶生产管理和防灾减灾提供技术支撑。

关键词：橡胶；风害；气候适宜性；系统

中图分类号：P49 文献标识码：A 文章编号：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

橡胶树属于典型的热带树种，生长在赤道附近，喜高温高湿。由于全球天然橡胶需求的增加，全球橡胶种植开始向更高纬度扩展。中国橡胶种植区属于非传统植胶区，低温寒害和台风灾害严重影响橡胶单产及橡胶树的经济寿命[1]。气候变化和极端气候事件对橡胶产胶的影响程度较高[2]。对海南省而言，橡胶风害相对突出，直接影响到橡胶树的生长；而气候适宜性的变化可能直接影响橡胶产量的波动。因此，建立橡胶风害与气候适宜性评价系统将有利于客观评估橡胶树的灾损状况和产胶潜力，提高橡胶气象服务工作效率。在橡胶气象服务系统建设方面，前人已经开展了研究，如张京红等[3]基于GIS技术和可拓模型建立橡胶林风害评估系统，开展橡胶灾损评估；车秀芬等[4]基于FY-3遥感数据开发了海南岛橡胶遥感长势监测系统；黎小清等[5，6]分别建立了橡胶园信息管理系统和橡胶树施肥管理系统；李湘云等[2]基于GIS技术开发了西双版纳橡胶气象信息服务系统，科学指导割胶气象服务；陈赞章等[7]建立了基于WebGIS的橡胶树施肥信息系统，合理管理胶园。针对海南省橡胶生产区的灾害性天气特点和气象服务的需求，将气象数据和风害与气候适宜性评价模型相结合，建立针对橡胶生产气象服务系统，以便能客观评估橡胶树的风害损失和气候适宜性状况，为橡胶生产与决策气象服务提供技术支撑。

1 相关模型

橡胶风害与气候适宜性评价系统包括4个模型，即橡胶气候适宜性评价模型、橡胶台风破坏潜能监测指数监测模型、橡胶风害灾损预测模型、橡胶树断倒模型。

1.1 橡胶气候适宜性评价模型

气候条件（光、温、水）直接影响橡胶的生长和产胶的潜力，因此气候适宜性评价模型可为橡胶生长状况和产量分析提供判别的依据[8]。参照文献[8，9]，建立橡胶生长期内的气候适宜性评价模型，如式（1）所示。

S（T，P，S，W）=■ （1）

式中，S（T，P，S，W）为橡胶生长期内的气候适宜度；S（T）、S（p）、S（s）、S（w）分別为橡胶生长期温度适宜度、降水适宜度、日照时数适宜度、风速适宜度，具体计算见式2～式8。

ST=■ （2）

B=■ （3）

式中，S（T）表示橡胶生长期温度适宜度，T表示温度，T1、T2、T0分别为橡胶生长期内的最低温度、最高温度和最适宜温度；ST表示温度为T时的温度适宜度，B表示最高温度和最适宜温度的差值与最适宜温度和最低温度差值之比。

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）表示橡胶生长期降水适宜度；S（r）为橡胶生长期降水量适宜度；S（d）为橡胶降水日数适宜度。R1为生长期橡胶适宜降水量，R为生长期内的实际降水量。d1、dh为橡胶生长期适宜降水日数的上限和下限，d为橡胶生长期实际降水日数。

S（s）=e■ S

式中，S（s）为橡胶生长期日照适宜度，S为橡胶生长期内实际日照时数，S0为日照百分率为55%的日照时数，常数b取5.1。

S（w）= 1 W≤W1（29/9）*（Wh-W）/Wh W1

式中，S（w）为橡胶生长期风速适宜度，W为实际风速，W1、Wh为橡胶生长期适宜风速的上限和下限。

1.2 橡胶台风潜能破坏指数监测模型

风速是导致橡胶灾损程度的重要因子，橡胶林的灾损程度随着风速的增大而线性增大[10]。根据文献[11]，建立橡胶台风潜能破坏指数监测模型（式9、式10）。

F=-0.057-1.84×10-5P （9）

P=∑■■Vi （10）

式中，F表示台风对橡胶林植被影响力指数；P表示台风破坏潜能指数。

1.3 橡胶风害灾损预测模型

对橡胶林风害灾损程度的准确评估是一个复杂的过程，因为橡胶灾损程度不仅与大风本身强度有关，还与地形下垫面和橡胶栽培技术等多种因素有关[12]。根据海南省橡胶风害的灾情调查统计结果情况和海南橡胶气象服务实用技术手册[13]，确定橡胶风害与风力评价指标表1。

1.4 橡膠树断倒模型

在研究方法上，借鉴国内外森林风害机理模型（HWIND和GALES）的研究思路，并凭借以往开展橡胶灾害影响评价和气象灾害实时评估的丰富经验，结合现有的工作条件，构建海南橡胶林断倒的机理模型[14]。

橡胶树断裂模型：

V■=■

[■]■[■]■ln■ （11）

式中，V■表示橡胶树断倒的风速，k为卡门常数（=0.41），D表示橡胶树的平均间距，d表示零平面位移，h表示离地高度，z0表示地面粗糙度，G表示阵风系数；MOR表示断裂的弹性模量，dbh表示断裂部位树干的直径，？籽表示空气密度，取1.226 kg/m3；f■， f■， f■为风力试验参数。

橡胶树倒伏模型：

V■=■[■]■[■]■ln■（12）

式中，V■表示橡胶树倒伏的风速，SW表示冠层的重量，Creg为风力试验参数。

2 业务系统

2.1 系统框架

系统包括4个模型，即橡胶气候适宜性模型、橡胶台风破坏潜能指数、橡胶风害灾损预测模型、橡胶树断、倒判识模型。模型运行数据取值来源于中国气象局气象信息中心CIMISS数据库，图像边界取值地理信息数据。CIMISS数据库建立了气象数据标准化框架，规范了各类数据命名、格式和算法，定义了国家级和省级一致的气象数据存储结构和数据服务接口，实现了国家级、省级数据同步和实时历史数据一体化管理[15]。系统具体框架见图1。

2.2 系统实现

系统的开发基于ArcGIS平台和CIMISS数据库，采用C#语言进行二次开发，同时耦合4个评价模型（橡胶气候适宜性模型、橡胶台风破坏潜能指数、橡胶风害灾损预测模型、橡胶树断倒模型），实现橡胶气候适宜性和风害评价，并结合地图可视化显示评价结果，可为橡胶气象服务人员提供评价数据。系统主要功能为橡胶气候适宜性评价、橡胶台风破坏潜能指数评价、橡胶风害灾损预测评价、橡胶树断倒判识等功能，并以图像和数据分别展示评价结果；地图操作功能包括放大、缩小、平移、全图、导出和保存图形等；专题图的制作可以根据用户需求将评价结果快速展示。系统具体界面见图2。

2.3 系统运行环境

服务端：服务器操作系统：Windows Server 2003；数据库服务器：SQL Server2008以上；中间件：IIS；其他支持软件：.NET Framework 4.0。

客户端：客户端操作系统：Microsoft Windows XP以上；其他支持软件：.NET Framework 4.0。

3 结论

1）为适应橡胶气候适宜性和气象灾害评价的需求，基于橡胶气候适宜性评价模型、橡胶台风潜能破坏指数监测模型、橡胶灾损预测模型、橡胶树断倒模型，通过二次开发实现了橡胶风害与气候适宜性评价，提高了橡胶气象服务能力。

2）系统采用的模型分别来自不同科研成果的总结，具有一定的实用性，后期将根据实际应用情况，不断修订评价模型参数，提高模型的精度，提升系统的可靠性。

参考文献：

[1] 王祥军，李维国，高新生，等.巴西橡胶树响应低温逆境的生理特征及其调控机制[J].植物生理学报，2012，48（4）：318-324.

[2] 李湘云，谭志坚，凌升海.基于GIS的西双版纳天然橡胶气象信息服务系统[J].气象科技，2010，38（1）：141-144.

[3] 张京红，刘少军，蔡大鑫.基于GIS的海南岛橡胶林风害评估技术及应用[J].自然灾害学报，2013，22（4）：175-181.

[4] 车秀芬，张京红，刘少军，等.海南岛橡胶长势监测系统建设[J].气象研究与应用，2014，35（1）：46-49.

[5] 黎小清，陈桂良，陶建祥，等.基于GIS的橡胶园信息管理系统的设计与实现[J].热带农业科技，2016，39（4）：9-14.

[6] 黎小清，丁华平，杨春霞，等.基于WebGIS的东风农场橡胶树施肥信息管理系统的设计与实现[J].热带农业科技，2014，37（4）：1-5.

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[15] 熊 劦，邓卫华，胡佳军，等.基于CIMISS的区域灾害性天气实时监测与报警系统的设计与实现[J].气象科技，2017，45（3）：453-459.