基于氣象技術的農業(yè)氣象監(jiān)測預警及服務平臺構建研究

楊昆

（臨沂市氣象局，山東臨沂276004）

科技的高速發(fā)展和我國城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，加速了我國農業(yè)從“小農經濟”向“農業(yè)控股企業(yè)成為組織現代農業(yè)生產的主體”發(fā)展的轉型，在改變農業(yè)生產組織方式的同時，提升農業(yè)技術創(chuàng)新水平才能進一步增大國內農產品的產量與國際市場競爭力[1-2]。但我國幅員遼闊，農業(yè)的發(fā)展又離不開光、水和熱等氣象因素，同時，由于我國農業(yè)現代化建設尚處于發(fā)展階段，每年都有大量農作物因氣象災害的影響總體產量下降。為此，急需進一步加強氣象技術在農業(yè)中的應用[3-5]，根據氣象預測結果，對農業(yè)生產做出更加合理的組織和安排，以減少氣象災害帶來的農業(yè)生產損失。

針對氣象技術在農業(yè)上的應用，國內外學者都有過相關的研究[6-8]。文獻[9]針對主要農產品的災害指標，設計了一套完整的監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現農業(yè)信息的快速感知。文獻[10]針對山南地區(qū)的農業(yè)氣象預警結構進行分析，介紹了該系統(tǒng)的相關功能，為農業(yè)預警提供了很好的技術支持。文獻[11]基于B/S開發(fā)了農業(yè)氣象綜合服務平臺，為四川省農業(yè)氣象服務提供了技術指導。文獻[12]從智能劃分和農業(yè)氣象監(jiān)測等角度分析了現代農業(yè)氣象服務技能的提升和應用。文獻[13]分析了農業(yè)信息服務技術在現代農業(yè)生產中的應用。文中基于氣象技術設計了一套農業(yè)氣象監(jiān)測預警及服務平臺，通過平臺的建設為農業(yè)氣象提供可靠的服務。

1 我國農業(yè)氣象服務現狀

氣象技術在農業(yè)發(fā)展中的應用體系已經建立并逐漸得到完善，主要表現在氣象監(jiān)測、災害性天氣預警、農業(yè)氣候資源分析和專項技術服務等幾個方面[14-16]。

1.1 氣象監(jiān)測

當前，我國已經創(chuàng)建了集衛(wèi)星技術、氣象監(jiān)測站和農業(yè)氣象試驗站等多位一體的農業(yè)氣象監(jiān)測系統(tǒng)，并得到成功應用。通過氣象監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時掌握氣象環(huán)境中的濕度、溫度、風速、光照度和降雨量等參數。圖1為風云三號氣象衛(wèi)星所攜帶的微波濕溫探測儀監(jiān)測到的臺風。從圖1中可以清楚地看到臺風的位置和臺風鳳眼的具體結構等信息。

圖1 氣象衛(wèi)星綜合監(jiān)測

圖2為農業(yè)氣象綜合監(jiān)測儀器。通過監(jiān)測獲取的氣象數據，人們可以合理安排農業(yè)活動，降低資源浪費并提高了產量。與此同時，累積的氣象數據可以作為大數據，通過對其分析可以進一步合理安排當地種植農作物的種類、播種時間等。

圖3為風云三號衛(wèi)星中微波濕溫探測儀的電機電流圖。從圖2可以看出，電機在開始階段是不穩(wěn)定的，會出現電流起伏不定的狀況，之后電流會穩(wěn)定在0.3 A 附近。長期來看，衛(wèi)星中微波濕溫探測儀能夠穩(wěn)定的工作，為全球農業(yè)氣象提供可靠的數據支持。

圖2 農業(yè)氣象綜合監(jiān)測儀器

圖3 FY-3C/MWHTS長時間序列電機電流圖

1.2 災害性天氣預警

突如其來的強降雨、冰雹、大風等災害性天氣會對農作物造成很大的破壞，如圖4所示，大雨淹沒了即將收獲的蔬菜，冰雹砸毀了農民莊稼等，使辛勤勞動一年的人們顆粒無收，這給農民乃至國家?guī)砹穗y以預估的損失。因此對科研工作者提出了迫切的需求，積極開展災害天氣預警機制[17-19]，用氣象技術盡可能提前預測到惡劣天氣的到來，使相關工作者與農業(yè)從事著提前做出應對措施，降低災害天氣對農作物造成的有害影響，保護農民及國家的財產。

圖4 災害性天氣

1.3 專項技術服務

專項技術服務為農民提供常規(guī)農作物的針對性技術指導工作，詳細傳授農作物在各個生長階段對陽光、水等氣象條件的需求，并根據相應需求的氣象指標，為農民詳細講解關于抗旱、抗低溫與防霜等的技術與措施，并完善氣象預警工作體制，以便農民提前做好防御準備。

2 氣象災害分析

在對氣象技術應用的過程中，需要詳細地對氣象災害進行定量分析和評估，其中主要是對致災因子進行分析。致災因子分析主要是通過研究一定區(qū)域內自然災害發(fā)生的概率、重復出現的概率以及其對人類生產和生活帶來的影響[20]。

文中選擇灰色系統(tǒng)理論來分析氣象災害的致災因子，通過計算灰色關聯度來判定氣象致災因子。其主要的步驟如下：

1）數據的無量綱化

文中采用Z分數標準化法對序列進行無量綱化處理，如式（1）所示：

式中，x′i(k)、xi(k)、xi(l)分別為無量綱化后的序列、原始序列、序列的初值。i、k分別為序列的數量、不同序列具體的序列個數。

2）指標逆化

假定xi(k)、xo(k)分別為比較序列和參考序列，則：

倒數化如式（3）所示：

3）求差序列

求差序列如式（4）所示：

4）兩級的最大差和最小差

兩級的最大差和兩級的最小差如式（5）、式（6）所示：

5）求灰關聯系數

式中，ρ為分辨系數。該系數的引入主要是為了能夠讓關聯系數之間出現更加大的差異。通過對各個時間段關聯系數的平均值來分析序列間的關聯程度。

3 基于氣象技術的農業(yè)氣象服務平臺建立

3.1 建設雷電監(jiān)測預警體系

若農業(yè)對突發(fā)性天氣無法做出合理的應對，將會對勞動者以及國家?guī)順O大的損失，因此運用科學的氣象技術建立氣象監(jiān)測預警體系十分必要。將氣象衛(wèi)星、雷達和地面的觀測資料整合在一起所形成的云分析系統(tǒng)可以最大程度上縮短spin-up 時間，從而改進模式云和降水預報的時間。

云分析系統(tǒng)的主要功能模塊如圖5所示。其主要的工作原理是雷達通過波段的強度對空間內一定范圍內進行篩選，特定篩選結束后可以得到可視的氣象資料。

圖5 LAPS功能模塊示意圖

我國現階段的雷電監(jiān)測系統(tǒng)有很多，例如對雷電監(jiān)測，使用閃電定位儀、多普勒天氣雷達（新一代）等先進儀器對雷電進行監(jiān)測，更加高效準確地捕捉雷電的蹤影，經特定的儀器采集并傳輸到科研工作者手里，并經科學的方法對采集信息進行處理，判斷雷電出現的概率，雷電的破壞力度等級，并給出預警及相應的處理措施方案，及時傳遞到勞動者手里，做好預防工作，極大程度上避免損失。雷電氣象突害預警系統(tǒng)框架如圖6所示。

圖6 雷電氣象災害預警系統(tǒng)框架

3.2 強化農氣監(jiān)測與傳播能力

針對現代農業(yè)的發(fā)展需求，創(chuàng)建有高度科技含量的氣象觀測站網，依據各地氣象條件，深化有效的區(qū)域性觀測站布局，強化農業(yè)氣象監(jiān)測力度，以大量的氣象數據為依據，創(chuàng)建合理的數學模型與仿真模擬，提出完善的氣象指標與預警閾值。應用現有覆蓋面最廣泛的互聯網絡，將科研工作者的氣象信息及時高效地發(fā)布出去，使氣象技術更好地為農業(yè)生產服務。農業(yè)氣象服務平臺[21-23]功能框架如圖7所示。

圖7 農業(yè)氣象服務平臺框架圖

4 氣象技術在現代農業(yè)發(fā)展中應用的對策

4.1 提高農業(yè)氣象監(jiān)測能力

健全氣象觀測設施，爭取做出全面輻射的氣象站網，及時準確地監(jiān)測各地氣象情況，并針對不同農作物，給出其特色的氣象指標，在農作物從播種到發(fā)芽，再到收獲的各個生長環(huán)節(jié)做到特色監(jiān)測，發(fā)揮各地不同氣象的特色，針對本地特色播種適應其氣象條件的農作物，不但需做好對氣象監(jiān)測，還要科學地利用氣象條件，發(fā)揮其特色優(yōu)勢[24]。

4.2 改進預報方法并提升預測準確率

在完善的氣象監(jiān)測體系下，要充分發(fā)揮其優(yōu)勢，做到全面全方位監(jiān)測的同時，整合監(jiān)測數據，以科學手段，改進氣象預報的方法，研究更準確的農業(yè)氣象預報系統(tǒng)。緊緊地依托農業(yè)生產的精準化栽培技術，研究基于氣象監(jiān)測數據、農作物生長規(guī)律的農用天氣預報技術，制定符合各地方特色的氣象指標來指導農業(yè)的更好發(fā)展，開發(fā)面向多重區(qū)域、多種作物種類、針對多種農業(yè)氣象問題的定量化農用天氣預報指導產品。

4.3 加強科學研究及農業(yè)氣象信息傳播

統(tǒng)計各年的農產品豐收情況，研究與產量有關的氣象影響等指數的作物產量動態(tài)預報技術。加強氣象技術相關領域的人才培養(yǎng)，重視科技研發(fā)，開展農作物從播種到收獲各時期相應的氣象影響因素觀測試驗，分析氣象條件和農作物產量之間的關系，建立作物全生長周期的模擬模型[25]。并要加大氣象傳播力度，建立基于專業(yè)氣象部門、農村氣象服務站、農民手機客戶端的綜合性信息發(fā)布以及傳播平臺，實現多重農業(yè)氣象服務信息以及災害性天氣的實時更新，并做到全覆蓋、高效率的傳播。

武漢農業(yè)氣象研究機構很早就依靠氣象監(jiān)測網絡對全省范圍內的降雨進行了監(jiān)測，主要儀器包括：地基GPS[10]、微波輻射針、GPS 移動探測系統(tǒng)等。通過固定設備網絡監(jiān)控，可以初步獲得一定的農業(yè)氣象信息。這些信息包含梅雨時節(jié)的云中溫度、水汽、云等。

我國已建成的農業(yè)氣象雷達主要包括C 和S波段。新一代的雷達監(jiān)測系統(tǒng)通過仰角數和掃描時間由掃描方式規(guī)定。表1為多普勒天氣雷達體掃方式。

表1 多普勒天氣雷達體掃方式

5 結 論

農業(yè)發(fā)展和氣象條件密切相關，運用科學的手段研究農業(yè)氣象至關重要。文中闡述了農作物生長全周期過程中的氣象監(jiān)測體制，制定與其對應的氣象指標，根據該指標指導農民勞作；并提出健全的雷電等災害性天氣的預警平臺，及時高效地傳遞氣象信息，使人們提前做出應對措施，減少損失；并建立了農業(yè)氣象服務平臺，收錄各地歷年氣象信息，除了監(jiān)測預警外，還為農業(yè)日常耕種提供有利的信息與技術指導。