基于AgERA5与CMIP6的甘肃天水冬小麦主产区产量气象响应及近未来情景预估

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2026-0427

摘要/Abstract

摘要：

为识别甘肃东南部冬小麦产量对气象因子的响应特征，并评估近未来县域单产变化趋势，本文以天水市的秦州区、麦积区、秦安县、甘谷县和武山县为研究区，基于2015—2024年冬小麦单产数据、AgERA5农业气象再分析资料和CMIP6未来气候数据，构建涵盖不同生育阶段的气象指标体系，综合采用相关分析、偏相关、灰色关联、多元线性回归、随机森林及KNN等方法开展分析。结果表明：研究区冬小麦单产对热量条件较敏感，全生育期日平均气温最大值和灌浆成熟期日平均气温最大值与单产呈稳定负相关；返青拔节期的太阳辐射、极端低温及灌浆成熟期的降水等关键气象指标也对小麦产量具有较高影响。随机森林模型在历史数据拟合效果优于多元线性回归，KNN残差模型在2024年独立验证中表现较好。2025—2035年预测结果显示，研究区域内五县区的冬小麦单产总体呈波动变化，未表现出持续上升趋势，且县域之间的单产变化存在一定空间差异。研究表明，高温热胁迫是限制区域冬小麦稳产的重要气象风险因素，返青拔节期和灌浆成熟期是气候影响小麦产量的关键阶段。

关键词: 冬小麦, 气象因子, AgERA5, 随机森林, KNN, CMIP6

Abstract:

To identify the response characteristics of winter wheat yield in southeastern Gansu Province to meteorological factors and assess the trend of county-level yield changes in the near future, this study selected Qinzhou District, Maiji District, Qin'an County, Gangu County, and Wushan County in Tianshui City as the research areas. Based on the winter wheat yield data from 2015 to 2024, AgERA5 agrometeorological reanalysis data, and CMIP6 future climate data, a meteorological index system for different growth stages was constructed. Correlation analysis, partial correlation, grey correlation, multiple linear regression, random forest, and KNN methods were comprehensively adopted for analysis. The results show that the winter wheat yield in the study area is highly sensitive to heat conditions. The maximum average temperature during the entire growth period and the filling and maturation period has a stable negative correlation with the yield. Indicators such as solar radiation during the reviving-jointing period, extreme low temperature, and precipitation during the filling and maturation period also have significant impacts. The historical fitting effect of the random forest was better than that of multiple linear regressions, and the KNN residual model performed well in the independent validation in 2024. The prediction results from 2025 to 2035 indicate that the winter wheat yield in the five counties and districts shows fluctuating changes and does not show a continuous upward trend, and there are certain spatial differences among the counties. The study suggests that high-temperature heat stress is an important meteorological risk limiting the stable production of winter wheat in the region, and the reviving-jointing period and the filling and maturation period are the key stages of climate affecting wheat yield.

Key words: winter wheat, meteorological factors, AgERA5, random forest, KNN, CMIP6

中图分类号:

S165+.27

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图/表 15

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县区	样本数	平均单产/(t/hm²)	最小值/(t/hm²)	最大值/(t/hm²)	平均面积/hm²
武山县	10	3.089	2.781	3.576	18992.5
甘谷县	10	3.120	2.512	4.990	10874.9
秦安县	10	2.745	2.556	2.971	19465.7
秦州区	10	3.085	2.717	3.537	28591.2
麦积区	10	3.019	2.457	3.894	27395.2

县区	样本数	平均单产/(t/hm²)	最小值/(t/hm²)	最大值/(t/hm²)	平均面积/hm²
武山县	10	3.089	2.781	3.576	18992.5
甘谷县	10	3.120	2.512	4.990	10874.9
秦安县	10	2.745	2.556	2.971	19465.7
秦州区	10	3.085	2.717	3.537	28591.2
麦积区	10	3.019	2.457	3.894	27395.2

方法	气象指标	相关系数	p值	显著性
Pearson	全生育期（10月—次年6月）日平均气温最大值	-0.350	0.013	^*
Pearson	灌浆成熟期（5—6月）日平均气温最大值	-0.350	0.013	^*
Pearson	全生育期（10月—次年6月）日最高气温最大值	-0.260	0.068	.
Spearman	全生育期（10月—次年6月）日平均气温最大值	-0.355	0.011	^*
Spearman	灌浆成熟期（5—6月）日平均气温最大值	-0.355	0.011	^*
Spearman	返青拔节期（3—4月）日最高气温最小值	-0.320	0.023	^*
Kendall	全生育期（10月—次年6月）日平均气温最大值	-0.252	0.010	^**
Kendall	灌浆成熟期（5—6月）日平均气温最大值	-0.252	0.010	^**
Kendall	全生育期（10月—次年6月）日最高气温最大值	-0.213	0.029	^*
偏相关	全生育期（10月—次年6月）日平均气温最大值	-0.370	0.008	^**
偏相关	灌浆成熟期（5—6月）日平均气温最大值	-0.370	0.008	^**
偏相关	越冬期（11月—次年2月）日平均气温最大值	0.308	0.029	^*

方法	气象指标	相关系数	p值	显著性
Pearson	全生育期（10月—次年6月）日平均气温最大值	-0.350	0.013	^*
Pearson	灌浆成熟期（5—6月）日平均气温最大值	-0.350	0.013	^*
Pearson	全生育期（10月—次年6月）日最高气温最大值	-0.260	0.068	.
Spearman	全生育期（10月—次年6月）日平均气温最大值	-0.355	0.011	^*
Spearman	灌浆成熟期（5—6月）日平均气温最大值	-0.355	0.011	^*
Spearman	返青拔节期（3—4月）日最高气温最小值	-0.320	0.023	^*
Kendall	全生育期（10月—次年6月）日平均气温最大值	-0.252	0.010	^**
Kendall	灌浆成熟期（5—6月）日平均气温最大值	-0.252	0.010	^**
Kendall	全生育期（10月—次年6月）日最高气温最大值	-0.213	0.029	^*
偏相关	全生育期（10月—次年6月）日平均气温最大值	-0.370	0.008	^**
偏相关	灌浆成熟期（5—6月）日平均气温最大值	-0.370	0.008	^**
偏相关	越冬期（11月—次年2月）日平均气温最大值	0.308	0.029	^*

气象指标	进入前10次数	进入前15次数	平均排序
全生育期（10月—次年6月）日平均气温最大值	6	6	11.43
全生育期（10月—次年6月）日最高气温最大值	5	6	11.14
灌浆成熟期（5—6月）日最低气温最大值	4	6	16.86
灌浆成熟期（5—6月）日最高气温平均值	4	5	16.57
返青拔节期（3—4月）日最低气温最小值	4	5	17.86
返青拔节期（3—4月）日最高气温最小值	4	5	18.71
灌浆成熟期（5—6月）日最高气温最大值	4	4	12.40
灌浆成熟期（5—6月）日平均气温最大值	4	4	15.80