生物气象预报的生态动力学基础

第34卷第6期气象科技Vol 34. No 6200年12月METEOROLOGICAL SCIENCE AND TECHNOLOGYDec.2006生物气象预报的生态动力学基础姜晓艳(辽宁省沈阳市气象局,沈阳110168)摘要生物气象预报同公用天气预报有着密切关联。根据国内外物候学、数值天气预报、模式识别自动化技术和生态动力学进展趋势,从生态动力学出发评述了生物气象预报进展、生物气象预报的理论和方法及生物气象预报所涉及范围与生态动力学的关系,指出高新技术化的生态动力学是生物气象预报从定性发展到定量、从单站发展到区域的预测网络的基础,就生物气象预报研究、业务化和人才培养等问题,提出了一些个人看法,并展望了发展前景及其在可持续发展、生态环境改善等方面的作用。关键词生物气象预报公用天气预报生态动力学近50年的历史。生物气象预报的广大业务人员有引言个共识:气象部门的生物气象预报与公用天气预生物气象学是生物科学与大气科学的交叉或边报是相辅相成的,公用天气预报为生物气象预报提缘科学,其研究对象是大气圈与生物圈的相互关系,供了基础,生物气象预报为公用天气预报服务于社是有关两个动力系统相互作用的科学。1956年由会搭建了一座桥梁,因为生物气象预报绝大多数内Tromp等共同发起、组建的国际生物气象学会,半容涉及到人体、植物、动物或微生物。尽管在气象预个世纪以来对生物气象的进展起到了积极的推动作报多年理论研究、教学和业务实践中,人们对生物气用。2005年9月5~9日在德国举行的第17届国象预报作过许多专题研究,但对生物气象预报的实际生物气象大会,深入探讨了生物气象因素与人类质,尤其是它的学科基础尚缺少充分概括性的评述适应性之间的关系、气象因素变化对人类健康的影对气象台站人员多年经验也缺乏概括总结。这对于响、气候变化与人类社会的相互作用等问题。尽生物气象业务的进一步发展是不利的。回顾天气预管生物气象预报未被列入该次会议的一个专门的问报研究的历史,不难看出:在数值天气预报2-51的题加以讨论,但生物气象预报渗透于若干专题之中,进展中,数值天气预报的数学物理基础起到了重要因为它是以普通生物气象学为基础的。在此次会议作用6。那么,对于生物气象预报的基础是什么这上交流的209篇论文被分为11个专题:农业与森个问题,尚未见到一个准确而公认的答案。从宏观林空气污染、动物、城市居住环境、气候变化、生物上来说生物气象预报必然涉及到生物学和气象学,气象史、人类、物候、花粉、旅游及紫外线辐射。在这这样的认识当然是正确的,但所涉及的内容实在是些论文中,直接论述生物气象预报的有10篇,可以太广泛了。作者在多年预报实践和应用研究基础被认为是生物气象预报的生态动力学基础的约50上,汲取其他生物气象预报工作者多年经验,参考国篇。这些论文涉及生物与气象关系的评价统计分内外最新文献,尝试分析与评述生物气象预报的生析、数值模拟、有关天气形势与气候变化等。我国参态动力学基础。与国际生物气象学会的活动虽然起步较晚,但生物探讨生物气象预报的生态动力学基础,将会使气象预报业务,尤其是涉及农业生产的生物气象预生物气象学的其他学科基础在此领域被有机地结合报开展得却很早,规模也很大,从1958年至今已有起来,并促进生物气象预报的发展作者简介:姜晓艳,女,1960年生,学士,高级工程师,主要从事应用气象预报研究与业务工作,Emai:sexy@163.netYHCNMHG收稿日期:2006年3月24日;定稿日期:2006年7月24日第6期姜晓艳:生物气象预报的生态动力学基础699象、医学或生物学类杂志上发表的论文共36篇。对生物气象预报若干基本问题的再认识《气象科技》第33卷6期在医疗气象专栏刊载多1.1生物气象预报的进展与生态动力学的关系篇14-20论文。上述期刊中有许多文章关系到生物尽管我国生物气象预报业务开展得很早,但当气象预报问题。作者浏览了《国际生物气象学杂》时由于出版物很少,许多业务实践并未用文字记录2001~2005年发表的106篇有关论文,其中有y篇下来。为弥补这一不足,作者走访了早年(最早为是专门研讨生物气象预报模式方法的,其余97篇未958年)做过生物气象预报业务的农业气象人员。直接论述预报,可以认为是生物气象预报的生态动据被调查者所述,从20世纪50年代后期至70年力学基础。除期刊外,历次会议文献论文集和有关代,每年农事关键季节,都发布生物气象预报。比专著,也反映了生物气象预报发展的历程如:春播期在测定农田地温和土壤墒情的基础上,结1980年以来,我国气象、植保、医药卫生等部门合天气形势和作物生物学指标,发布适播期预报;在的生物气象预报业务大有进展,从中央到地方的各病虫害有可能发生或蔓延的形势下,发布病虫害气级农业气象中心、病虫测报站、卫生防疫站的生物气象预报;在某种疫病有可能发生时,发布某一城市或象预报业务向定量化、模式化和自动化的方向发展,区域的疾病气象预报。如果从现在的认识水平来观得益于生态动力学发展。相信现有文献中反映的成察,当时的条件很差,预报主要是经验性的,以定性果,用于今后的业务实践是指日可待的。总之,生物预报为基础的。那段时间(1958~1979年)预报质气象预报技术,过去曾随生态动力学发展而发展,今量较差的原因,是生态动力学基础较薄弱。概括地后仍将随之发展而发展。当然,这并不意味着生物说:以大气动力学为基础的数值天气预报产品,基本气象预报技术不依赖于其他学科,只是生态动力学上未以传真图的形式发至基层台站;由于当时生态对生物气象预报的支撑作用更为直接些。学未被重视,生物气象指标依据不够充分;生物气象1.2生物气象预报的理论、方法对生态动力学的依预报业务人员的生态学知识欠缺,用起来很难得心赖关系应手。但是毋庸置疑的是,当时的生物气象预报,实2001年,我国出版了《生态动力学》2书。际上也是在当时的生态动力学基础上制作的,尽管该书的序言作者路甬祥指出:“生态动力学就是在可在当时未从原理上考察这一实践行为。持续发展的社会需求与生态学的学科发展需求中应文献调研结果表明:能够反映生物气象预报发运而生的。”2004年T.F.Pei等的“ Ecological Dy-展历程和新进展的国际权威性学术刊物是1957年 namics and Cybemetic Principle.”(生态动力学及控创刊的《国际生物气象学杂志》( International Journal制原理)122出版。该书的出版,为包括生物气象预of Biometeorology)和1964年创刊的《农业气象》(A-报在内的有关学科提供了有生物意义的科学依据。gricultural Meteorology)。后者于1984年改名为《农比如,在论述物候动力预报的生物物理基础时,原作林气象》( Agricultural and Forest Meteorology)。两者用积分表达式说明了温差的时间积累,用热力学刊论文均被SCI收录,分别在4区和1区。其他相第一定律的微分表达式说明了温度变化的生物物理关刊物有:日本的《农业气象》,前苏联以及现俄罗斯意义,用微分方程表达昆虫生态的箱式模式,用微分出版的《水文与气象》( MereopoJiorH方程组表达的现代控制理论和数量生态学的LotkTHApoJIor),其中,涉及医学、农业、林业、牧业、野 Volterra方程等,说明了可用于生物气象预报的许生动物的论文时有发表。在国内,《气象学报》8多确定性机理模型。如果说这些确定性模型有奠基等刊物有生物气象预报方法的论文发表。后来创刊和理论意义的话,那么随机模型既有理论意义又有的《应用气象学报》《中国农业气象》也常有这方面实践意义。根据生态动力源( ecologico- dynamic re的文章。我国高等院校和气象部门研究人员出版过 source)和生态动力汇( ecologico-dynamic sink)的原关于农业气象预报的书籍或论文9-12。最近(2005理,生物气象预报中所说的预报量或预报对象(pre年12月),谈建国和郑有飞13]全面而客观地评述了 dictand或 predicted object)属于生态动力汇的范畴,我国医疗气象学研究的现状,并对其未来的发展前而预报因子( predictor或 prediction factor)属于生态景作了展望。该评述引用了我国科技工作者在气动力源范畴。当然生物气象中的预报量,只应700气象科技第34卷动力汇的一个组成部分。因为气象类生态动力源只学21,30和生态控制原理30.31中所论述的生态控是生态动力源5个类别(气象类水文类、地貌类、土制,正适合于生物气象预报所服务的时空范围。从壤类和生物类)中的一个类别。除气象类生态动力时间来说,经典的生态预报往往只重视长期乃至超源之外,与气象条件有关的另外4类生态动力源,也长期的预报问题,比如现在社会上引起公众关注的可能构成生物气象预报的预报因子。比如,在Y=气候变暖的超长期预测问题——气候变暖引起生物∫(x1,x2,…,x;,…,xn)这一预报方程中,预报量地理的变化31-3)。 Leinonen和 Kramer138评述了Y依预报因子x;的变化而变化,x;可以是气象类不同的物候动力机理模型方法,并用其中有关模型预报因子,也可以是非气象类预报因子。预测气候变暖对光合作用持续时间的影响。但除超从预报因子的广泛性来说,生态动力预报的方长期的预报以外,考虑到生态动力与控制,生物预报法论为生物气象预报提供了广阔的视野,使生物气的时间尺度范围必须加以扩大,不仅应考虑宏观的象的备选( candidate)即假设( hypothesized)预报因子大范围超长期的预报对象,也必须考虑微观的小范来源于多方面,而不限于生物气象预报或研究人员围的长、中、短乃至短时等各个时间尺度的生物气象的固有思路范畴。比如,在王馥棠10主持的气象产预报对象。预报的目的是为社会各个方面的可持续量预报研究中,涉及多方面的预报因子,赵四强1发展服务,为生产和改善人类生存环境服务。对于提出的海温因子是一个重要创见。中国产量预报成生物气象预报来说,以天气、气候预报的时间尺度为果受到许多好评,获国家科技进步奖,至今一直被全其尺度是比较合适的。众所周知,天气预报及有关国各地农业气象部门广泛应用。在关于淋巴腺炎发某一方面的气象预报(生物气象预报是其中之一)现病与气象条件关系的研究中,曾主要考虑于旱的气有的发展水平远不能满足社会之需求。丑纪范、许象条件23,但从生态应用的观点看问题,就同时考以平39曾经说过,“长期预报,尚待探索”。对于在虑了天气、老鼠和橡树果3种备选预报因子24。类生物气象预报基础上做出农事活动、卫生防疫等方似的研究在国外还有许多25-28。又如,在冬小麦面的决策(包括宏观的长远战略型决策和微观、具体霜冻害的动力预报研究中29,将T42L9数值预报措施的决策)来说,超长期、长期、中期、短期乃至短模式输出的500hPa图所揭示的天气形势(主要是时的生物气象预报,都是有一定意义的。超长期预冷锋等导致降温的形势)指示植物旱柳的物候期、测可供大范围宏观的可持续发展参考,比如涉及全气象要素的实时观测结果作为备选预报因子,用自球环境的“京都议定书”的制定依赖于气候变化对人动化方法加以筛选。这正是充分利用广泛的备选预类影响的预测;长期预测可作为全年卫生防疫、农事报因子群,将生态动力学原理用于生态气象预报,使活动的参考;中期预报可直接服务于播种、施肥、中之向模式化、定量化、信息化方向发展的一个重要步耕等农事活动的决策;短期预报可直接用于防虫防骤。涉及长期气候变化的生物气象研究,已有许多病及即时防御冷害等活动;短时预报可用于防雷电、报道30-431。在农作物病虫害气象预报研究中,赵冰雹等灾害天气对人及其他动、植物的伤害。圣菊等用海温、厄尔尼诺事件、大气环流特征量为预报因子,建立了小麦赤霉病黏虫等发生面积(量)而2生物气象预报定量研究和高新技术化的生态发生期的预测模型{4-46;钱栓等{47研究了我国小动力学基础麦白粉病发生流行的长期气象预报方法;刘了凡生物气象预报研究人员在早年的研究和业务实等8研制出三代玉米螟发生程度和卵峰日的海温践中,试图寻找一种“在一般预报基础上,再考虑生预报模式;汤志成等49研究了地球极地变形力及大物指标”的预报方法。其实这是生物气象预报研究气环流因子在小麦赤霉病预报中的应用途径;叶彩的一种初级方法,尤其是作为一般天气预报业务基玲等50评述了农作物病虫害气象环境成因。础的天气动力学原理,是不应当也不能机械地推论1.3生物气象预报所涉及的范围与生态动力学关系到生物气象预报中去的。因为生物气象预报必须考预报所涉及的时空范围的全面性,使生物气象虑有关的生物物理意义,而不是像一般天气预报那预报研究和业务有了明确的目标,便于从业者和管样,只考虑其物理意义就可以了。理者正确地处理其中的具体问题。生态动力从生物气象预报进展的历史来看,物纵第6期姜晓艳:生物气象预报的生态动力学基础701测和预报似乎是最早的。早在20世纪70年代初出相当重要的基础作用。可参照文献[21]所示的程版的物候学著作中,就讲述了物候预报农时的方法,序,结合具体问题试验应用,绘出基本流程图(图但一直到生态动力预报提出之前,物候预报仍是单1)。除上述例子中的方法外,在经典的数学方法中,站的和人工的。从裴铁璠的研究29,301可以看出,还有许多方法可以用于数学建模,例如文献进入21世纪,已有了自动化的预报农业灾害的中期[40]~[43]中的许多新方法,其中包括:数学分析、生物气象预报方法。这种生物气象预报方法显然是概率统计、随机过程(马尔可夫过程、平稳随机系列基于生态动力学中的生态动力源和生态动力汇这些过程)、微分方程、规划论、排队论、库存论、突变论、基本概念的。在以往的物候一农时(比如发育期)预现代控制理论、蒙特卡罗方法、模糊数学、灰色系统、报中,一般考虑物候期和温度条件,但温度本身是由均匀设计等。客观天气形势决定的,它只是表现天气特征的一个生物气象预报问題重要要素,并不是天气形成的“本源”,而且在多数情[找原因、方法卜况下,农时预报考虑的是温度实况和气候平均,作为预报因子的生物物理意义是不太客观的。而生态动不成功>“调查、考窦实验数学方法解题分析力学指出的可作为备选生态动力源因子者,既包括实验研究}学术价值了生物类生态动力源(如树木的物候期),也包括了发现非生物的生态动力源,于是考虑数值预报的模式输否发現出图,并作为非生物生态动力源的“本源”就顺理成新问题章了。将积累多年的大范围物候数据与数值预报的成功缠续应用未发现模式输出图有机结合起来,使生物气象的物候预报由单站发展到大范围的预测网络,从而为古老的物图1生物气象数理预报方法研究与应用的基本流程候学在现代高新技术条件下走向新的发展道路开辟3生物气象预报业务化途径了一条新的途径。这与天气预报从单站预报阶段走向区域预报阶段的历史很类似。从生态动力学原理可知,无论是非生物类的生不难看出,即使有了生物气象预报模式的设想,态动力源或者是生物类的生态动力源,都是只有涉如果不借助高新技术,那么这种设想也是不能实现及到生物时才构成生态动力源。可见本来只有物理的。上例所指出的中期生物气象预报的实现,是原意义的气象类的生物气象预报因子(包括温度湿度文作者21借助一种先进的自动化模式识别技术等要素、地面及500hPa等压面上的槽脊、高低值中属性文法模式识别引入生物气象预报之中的。心及冷暖平流等)在生物气象预报中,必须与有关生在运用模式识别之前,在制作生物气象预报的过程物联系起来。要实现生物气象预报的业务化,需要中,常常是靠肉眼观察来找相似。由于历史上的物气象部门(系统)涉及有关生物的单位(农、林、牧、候资料及相关图形很多,天气形势的图形也很多,并疗养地建筑设计、公共卫生等)和地理生态研究部门且千变万化,想在制作中期预报的短时间内用肉眼3方面密切合作。既然是生物气象预报,及时的气观察是很难找出相似的,而用机器视觉的人工智能象信息是必不可少的,这种信息只有在气象系统所原理,自动化则能实现。属的台站才有,包括天气图信息、数值预报模式输出需要指出的是,以生态动力学原理为基础的新图气象卫星云图雷达回波图片信息等。而所用的的生物气象预报的综合模式还存在许多不足之处。必要即时数据,均是气象台站观测的,其中绝大部分比如,对于有关观测资料应按地貌、地势等条件做必信息能及时传递给各级气象中心。为实现生物气象要订正;针对不同的生物,运用更有代表意义的即生预报的业务化,对气象台站原有的信息系统中的有物物理意义更为明确的指标;气象要素的预报结合关信息须进一步完善。各级气象生态中心最好形成当地情况,需用MOS( Model Output Statistics)等方个独立的为生物气象预报所应用的系统,并承担法加以订正等。对全社会有关单位的生物气象业务化的行业协调任生态动力建模的方法论,对于生物气象预报有务。这样,各级生态气象中心会成为业务YH702气象科技第34卷气象预报中心。的必由之路。有关生物部门所特有的与气象有关的生物信息,一般分布在各个管理部门,但在现有的体制管理4生物气象预报业务与研究人才培养问题下,这些信息尚不能及时收集到生物气象业务中心学校教育是人才培养的基础。虽然在我国高等来。在过去的几十年中,我国的气象部门尤其是基院校没有设置过“生物气象”这一本科专业,但事实层台站在关键农事季节,一直与农业、牧业、林业、水上,培养生物气象人才的高等教育至今已有50年的利、卫生防疫部门保持联系。如何积极主动为这些历史。20世纪80年代初期,我国高校本科专业分部门提供有针对性的生物气象预报服务,是实现其得过细,曾经设置过的农业气象、林业气象、水文气业务化的思想基础和人力资源基础。与此同时,这象专业都培养出不少生物气象预报人才,同时也有些部门也非常重视气象情报。随着通信设备的完农学、植保、气候、天气和大气物理等专业的人从事善,网络、电子邮箱等现代化通信手段为进一步加强生物气象预报工作。根据现有本科专业的划分,生相互联系,使之系统化提供了很好的物质保障。在物气象人才一般应出自应用气象专业。从生物气象政府支持下,在具有了较好的设计方案的条件下,只人才培养的历史、现状和未来发展来说,在本科教育需投入必要的少量的经费,就可以把服务于生物气基础上,应分别培养研究、业务和教学3种类型人象预报的大量生物信息集中到预报中心来。由生物才。研究型人才一般应接受研究生阶段的教育,或气象预报中心收集的生物信息,大概可以来自农业在在职研究实践中取得同等学历,使被培养者具有厅(局)的农情信息、生产进度等,植物保护部门的农坚实的理论基础并掌握有关学科广泛知识,跟踪国作物病虫害发生、蔓延、防治情况,牧业兽医管理部内外动态,在专题科研中逐步提高自身的开拓创新门的家禽放牧、畜(禽)疫病信息,林业厅(局)的造能力、组织协调能力和攻克难关能力。实用型人才林、营林、森林病虫害信息,水产渔政部门的水生物般应有天气预报员的经历,天气预报是搞好生物生产发育信息,野生动物管理部门的候鸟迁徙信息,气象业务预报的前提。实用型人才在业务实践的同卫生防疫部门的流行病信息,建筑与环保部门的人时,应从事一些新技术的应用开发研究工作,不断接居环境受污染信息等。触、了解新的研究成果并应用到业务工作中。教学由于所涉及的生物部门是生物气象预报中心的人才应在掌握有关研究成果、了解学科动态的基础大量信息的提供单位,也是所制作出来的业务化预上,编写好讲义、教材,以便把新的知识传输给学生。报的受益部门,所以生物信息的收集是容易实现的。上述3种人才的培养,各有侧重,但也是有机联系般可试行用约定的符号,在网站接受信息即可,这的。理论与实践的结合,或者说“格物致知”(实践出有些像气象部门发布天气预报和墒情报告的做法。真知)的哲理,在生物气象预报人才培养中是值得提而对于特急信息,比如某地发生了致病性禽流感或倡的。对于一个具体生物气象预报工作者来说,所非典(SARS)疑似病例,可在互联网上加急传送至中属“类型”不一定是终身的。根据社会需要,观察有心,这有些像气象部门的航(空)危(险)报。关生物气象预报人员的特点,因势利导,量才录用为了使生物气象预报尽快实现业务化并还步提实施必要的人才流动机制,是在工作中进一步培养高其业务质量,就必须加强这方面的应用研究工作。生物气象人才的必要措施。由于生物气象预报的主要基础是生态动力学,并且5小结与讨论生态研究部门具备相应研究实力,所以促进生物气象业务化的科学研究工作,应以生态研究单位为中我国以及其他国家近几十年来的论著(期刊、书这里所说的研究单位,包括专门的比较大的生籍和会议录)和实际调查结果表明:生物气象预报的态研究单位,也包括大专院校和地方农林牧渔以及进展是迅速稳健的,这种进展与其生态动力学基础环保园林等研究单位的生态研究组(室)。这样的应是分不开的;尽管过去未见明确指出这一基础的文用基础研究,应立足于深度、广度并能及时为业务化献,但这样的基础,无疑已潜移默化地渗透于生物气服务。业务化信息系统的实现、研究工作的加强和象预报的发展历程之中。在今后的发展历帮中针社会有关部门的配合,是实现生物气象预报业务化对生物气象预报某些具体问题,自觉地深人厂泛地第6期姜晓艳:生物气象预报的生态动力学基础703探讨其生态动力学基础应是很必要的。这样的探建立与分析[J]气象科技,2005,33(6):554-558讨,将会促进该学科理论框架进一步完善,使其科学[15]董惠青,字春,郭琳芳,等南宁市呼吸道疾病预测研究[J]依据更加充分,同时有利于业务实践水平的提高,为气象科技,2005,33(6):559-564[16]叶殿秀,杨贤为,吴桂贤北京地区冠心病发病率的气象评估模社会提供较可靠的预报,服务于有关生产部门、社会型[J].气象科技,2005,33(6):565-569公益部门和广大民众,为国民经济的持续发展做出[17]李兆芹幼年上呼吸道感染发病的预测模型研究[.气象科贡献。技,2005,33(6):570-573当然,“生物气象预报的生态动力学基础”是近18]张德山邓长菊尤焕苓等北京地区中暑气象指数预报与服年才被明确提出的,作者的看法不可能很全面、很具务[J.气象科技,2005,33(6):574-576[19]李雄,郭琳芳,董惠青癌症死亡的气象影响因素探讨[J].气象体。为使生物气象预报在其生态动力学基础上向纵科技,2005,33(6):577-579深发展,向多学科渗透,应首先结合不同生物对象分[20]范伶俐广州禽流感流行的气象条件分析[冂气象科技,200别加以研究。有了多种类似的研究,再进一步综合,33(6):580-582积累到一定数量的成果及反映这些成果的大量文[2裴铁璠于系民金昌杰等生态动力学M]北京:科学出版献,将使该领域内容更加充实。从单点预报到区域社,2001:163-223[22] Pei T F, Jin CJ, Guan D X. 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The ecological-dynamicbasis of biometeorological forecasting is described on the basis of operational practice, applied researches, the related references and experts' experiences The advancements, theories and methods, and research scope ofbiometeorological forecasting, as well as the relation with ecological dynamics, are reviewed It is pointed outthat the introduction of high-new technology into ecological dynamics is the foundation for the development ofbiometeorological forecasting from qualitative to quantitative forecasting and from single station to regional network. Some suggestions on the operationization and specialist training for biometeorological forecasting aresented. Discussion is also made on the prospects of biometeorological forecasting and its importance for the sustainable development of the national economy and the ecological environmentKey words: biometeorological prediction, public weather prediction, ecological dynamicsYHCNMHG