寧夏農業自動氣象站組成與應用

劉曉磊，張婷婷，宮 軍，薛箏箏，石菊紅，孫嘉楠

(1.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，銀川 750002；2.寧夏大氣探測技術保障中心，銀川 750002)

0 引言

中國是一個農業大國、人口大國，農業生產安全直接關系到社會的穩定和國家的可持續發展。農業也是受氣候變化影響最敏感的領域之一，災害性天氣直接影響著農業生產。中國是世界上氣象災害種類多、活動頻繁、危害嚴重的國家之一。在所有自然災害中，氣象災害占70%以上，其中60%為農業氣象災害。近10 a，氣象災害造成的經濟損失呈現出上升的趨勢。

現代化農業的大力發展對新科技、新技術的依賴越來越強烈，傳統的農業氣象服務已經不能滿足現代農業的信息需求，必須開展具有針對性的特色農業服務才能滿足現代農業多元化發展的需求。文章將介紹有關農業氣象服務自動氣象站在寧夏的發展經驗。

1 農業自動氣象監測的意義

寧夏是中國5大平原灌區之一，也是國家13個商品糧生產基地之一。農業是寧夏傳統優勢產業，農產品主要有：水稻、小麥、玉米、馬鈴薯、枸杞、葡萄和紅棗等。在農業氣候方面，寧夏地處西北內陸，北部和中部以干旱剝蝕、風蝕地貌為主，南部以流水侵蝕的黃土地貌為主，境內地形南高北低，而氣溫則呈南低北高、南寒北暖的“倒掛”現象。受地貌復雜性和氣候特殊性等多重因素的影響，寧夏地區的氣候變化對全球氣候變化的響應更為敏感，因此，寧夏農業生產受氣候變化的影響也更加顯著[1，2]。

隨著近年氣候環境的不斷變化，對農業影響嚴重的大風、寒潮、冰凍等災害性天氣發生頻率不斷上升，每年都會給農業帶來不小的損失。傳統的農業氣象服務重點在于氣象預報、墑情分析和作物發育等方面，而對災害性天氣預報預警和實時氣象數據觀測方面則關注較少。因此推廣建設富有特色、因地制宜的農業設施自動氣象監測系統，將有效提高觀測資料獲取水平，并以此為基礎開展氣象預報預警服務、開發設施農業自動化控制系統等工作。

2 農業自動氣象監測系統的組成

農業自動氣象監測系統以數據自動采集為基礎，在供電、通信等輔助設施的配合下，完成觀測資料的采集，并對觀測資料進行數據處理，形成完整的數據報告和服務產品。農業自動氣象站數據采集系統以傳感器和采集器為核心。目前針對不同農業產業的需求，已經有大量的自動化采集器和傳感器可以選用。

2.1 常規氣象環境監測

目前溫度、濕度、風速、風向、雨量、氣壓等氣象要素自動化觀測作為基礎觀測項目已得到廣泛應用，并在自動氣象監測系統中全部得到監測。這些要素的自動化觀測具有觀測范圍廣、分辨力高、準確度高和造價低等特點。在使用中，各類傳感器安裝簡單，安裝位置可以任意選擇。同時自動氣象站采集器也已支持多路信號傳輸，因此在同一區域可安裝多個相同的氣象要素傳感器，不但能夠充分了解各觀測點實況資料與變化規律，也可以互相比較觀測數據，為不同作物的生長發育提供科學依據。

2.2 特種氣象環境監測

1)土壤水分觀測

土壤水分是重要的農業氣象要素之一，能夠反映土壤的濕潤狀況，是農業氣象、生態環境以及水文監測的基礎性工作，也是農田干旱、情報預報的重要依據。

目前寧夏開展土壤水分監測主要使用的是華云公司研制的DZN3型自動土壤水分觀測儀，它采用土壤水分頻域反射(FDR)測量技術，能夠準確及時地測量土壤含水量，完成土壤水分貯存量信息的采集、處理、存儲及傳輸。其最大優點是應用多通道數據采集技術，能夠同時開展不同深度的土壤水分監測工作[3，4]。

在部分監測站點還使用了SWR-3型土壤水分傳感器，其優點是結構小巧輕便、價格低廉，既可用于土壤水分點源信息的移動測量，也可埋入土壤中對土壤水分進行定點的長期監測。

2)葉面溫度傳感器

葉面溫度傳感器為遙感式測量，采用紅外探測技術進行測量，安裝時可任意選擇監測區域，檢測準確度高、穩定性好，但安裝較為復雜，需仔細調整紅外線角度并完成自我修正系數的測試，以此來保證觀測資料的準確性。

3)二氧化碳儀

CO2等溫室氣體的增加對生態系統和農業生產的影響，特別對于設施農業的影響都是非常復雜的。CO2增加雖然有利于綠色植物的光合作用，但作為溫室氣體，CO2的增加對設施農業溫度變化的影響也更加明顯。因此對CO2濃度的準確檢測，不但可以實時了解其濃度變化，而且可以與自動控制系統相連接，及時調整設施農業通風、揭蓋草簾等工作。

目前寧夏部分站點選用的是維薩拉GMM220系列的CO2監測儀，其最大優點是可在惡劣的環境下工作，并在廣泛的溫度和相對濕度范圍內提供精確的CO2監測，但缺點是價格昂貴，不適宜大面積布設。

4)實景觀測系統

農業小氣候實景觀測系統通過專業視頻采集設備獲得實景資料，再通過后臺對比等算法輸出服務產品。目前實景觀測分為作物特征和實景視頻兩類。其中，作物特征包括作物發育期、蓋度、密度、冠層高度、生長狀況評定、葉面積指數和干物質質量。實景視頻包括作物、農田、觀測設備及農事活動的現場視頻。在應用中最大難點在于觀測期的觀測資料儲備。目前可以通過2個作物觀測期，實現玉米、小麥、水稻、牧草生長發育要素自動識別采集功能；通過3～4個作物觀測期，實現馬鈴薯、紅棗、枸杞、葡萄、硒砂瓜等生長發育要素自動識別采集功能。生長發育要素主要包括作物生育期、覆蓋度、密度、高度、生長狀況、葉面積指數和干物質質量等。

3 農業自動氣象監測系統在寧夏的發展

自2011年起，寧夏隨著中國氣象局“三農項目”的不斷推進和各市縣對特色農業生產的不斷投入，農業自動氣象監測站在全區范圍內逐步發展起來。特別是2018年自治區政府投資建設的“兩個體系”項目，更是一次性在全區特色農業主產區建設了111套農業自動氣象監測站，極大地豐富了監測站點數量、監測要素種類和監測資料內容。

目前寧夏已建成由農業氣象服務與農村氣象災害監測網、農村氣象災害預警預報系統及信息發布系統和農業農村氣象災害風險管理系統共同構成的寧夏農業氣象服務體系和農村氣象災害防御體系，能夠為新型農業經營主體和農民提供農業生產全過程、多時效、定量化的農業氣象監測分析、預報預測和影響評估服務，有效提升了寧夏農業氣象服務和農村氣象災害防御水平。

4 結束語

農業氣象監測資料的收集是做好農業氣象服務、減輕農業氣象災害的基礎工作。隨著氣象現代化工作的不斷推進，全自動化的農業氣象監測站是氣象觀測的發展趨勢，也是獲得資料最直接、最高效的方法，具有較高的推廣價值。