新疆棉花氣象服務平臺功能設計與服務應用

孔子銘， 胡啟瑞， 張山清， 火勛國， 吉春容,3

（1.新疆金鋒華云氣象科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830002； 2.新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心，新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002； 3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

新疆維吾爾自治區(qū)（簡稱新疆）屬大陸性氣候，具有晴天多、日照強、少雨干燥、冬寒夏熱及晝夜溫差大等特點。新疆是我國最大的優(yōu)質(zhì)棉主產(chǎn)區(qū)，多年來棉花種植面積、產(chǎn)量居全國首位。大量研究表明，氣象條件對棉花生產(chǎn)存在重大影響[1-5]。氣象條件研究方面的數(shù)據(jù)支撐顯得尤為重要[6-7]。建設基于大數(shù)據(jù)、云計算和地理信息技術的新疆棉花氣象數(shù)據(jù)服務平臺（以下簡稱棉花服務平臺），實現(xiàn)新疆棉花相關氣象數(shù)據(jù)的集中存儲、統(tǒng)計分析、實景應用及成果展示，為相關農(nóng)口單位及農(nóng)戶提供決策建議服務，有助于新疆棉花產(chǎn)業(yè)數(shù)字化水平的提升，推動棉花氣象為農(nóng)服務高質(zhì)量發(fā)展。

1 建設目標及架構

1.1 建設目標

棉花服務平臺綜合考慮棉農(nóng)的實際需求及氣象相關科研部門的數(shù)據(jù)和業(yè)務成果，展示新疆棉花與氣象相關的多方面數(shù)據(jù)。具體建設目標包括：①氣象業(yè)務數(shù)據(jù)，提供基于位置的實時數(shù)據(jù)、預報預警數(shù)據(jù)；②歷史統(tǒng)計，實現(xiàn)過去30 年歷史氣象數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計；③技術服務，提供棉花關鍵生育期預報、適應性種植區(qū)域劃分、棉花生長適宜度評價等。

1.2 總體架構

棉花服務平臺整合了多種功能的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了棉花動態(tài)生長與相關氣象數(shù)據(jù)的存儲與應用，兼顧信息資源整合、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)分析等功能。具有良好的兼容性、迭代性與高效性。總體架構由硬件支撐層、數(shù)據(jù)資源層、服務資源層、資源應用層和用戶層構成，如圖1 所示。

圖1 新疆棉花氣象數(shù)據(jù)管理平臺總體構架Fig.1 Overall architecture of Xinjiang cotton meteorological data management platform

（1）硬件支撐層。包括網(wǎng)絡通信設備、數(shù)據(jù)及應用服務器設備等。

（2）數(shù)據(jù)資源層。包括新疆各地區(qū)國家級氣象站實況數(shù)據(jù)、5 km×5 km 網(wǎng)格24 h、3 d 和10 d 預報數(shù)據(jù)、預警信號數(shù)據(jù)、30 年歷史氣候數(shù)據(jù)及棉花氣象服務產(chǎn)品數(shù)據(jù)等。

（3）服務資源層。以數(shù)據(jù)資源為基礎，實現(xiàn)各數(shù)據(jù)資源的注冊管理、服務接口、服務安全調(diào)用等功能。

（4）資源應用層。包括WEB 端應用和移動端應用，具有綜合展示、查詢、統(tǒng)計分析和預報決策等功能。

（5）用戶層。包括新疆氣象局、新疆農(nóng)業(yè)氣象臺等相關單位，以及全疆各地區(qū)棉花行業(yè)的種植戶、技術人員、企業(yè)等。

1.3 數(shù)據(jù)庫建設

數(shù)據(jù)是服務平臺的核心要素，棉花服務平臺建設了以下9 類數(shù)據(jù)庫。①新疆國家級氣象站點實況數(shù)據(jù)庫，包括各站點的名稱、站號、坐標、溫度、降水、濕度、氣壓、風向和風速等實時數(shù)據(jù)。②新疆區(qū)域氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫，包括精度為5 km×5 km 的溫度、降水、濕度、風向和風速等實況數(shù)據(jù)，以及未來24 h、3 d 和10 d 的高低溫、降水預報數(shù)據(jù)。③氣象預警數(shù)據(jù)庫，包括新疆各區(qū)域?qū)崟r氣象預警數(shù)據(jù)。④歷史氣象數(shù)據(jù)庫，包括新疆過去30 年整編日、旬、月和年的平均溫度、降水等數(shù)據(jù)。⑤農(nóng)田小氣候站點數(shù)據(jù)庫，包括新疆不同區(qū)域農(nóng)田小氣候站點的土壤濕度、溫度數(shù)據(jù)、棉田實景圖片數(shù)據(jù)。⑥服務產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，主要包括新疆農(nóng)業(yè)氣象臺發(fā)布的各類棉花氣象服務產(chǎn)品。⑦積溫數(shù)據(jù)庫，包括新疆各地過去30 年積溫、該年積溫及上年積溫數(shù)據(jù)。⑧棉花氣候適宜度評價數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫基于網(wǎng)格氣象數(shù)據(jù)及棉花適宜生長氣象指標建立。⑨棉花氣象災害預報數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)及棉花生長氣象災害指標建立。

2 核心功能

為保證數(shù)據(jù)的實用、準確、科學，棉花服務平臺建設了監(jiān)測預報、災害預警、氣候圖表、棉田技術服務和我的棉田5 大核心功能。

2.1 監(jiān)測預報

監(jiān)測預報功能包含站點實況、預警信號、格點預報、棉田實景和土壤水分5 項子功能。①站點實況。以高德地圖為底圖，將新疆區(qū)域內(nèi)66 個國家級氣象站標記于地圖上，點擊各站點可展示該時次站點溫度、濕度、降水、能見度和風向風速要素數(shù)據(jù)。②預警信號。在地圖中以預警圖標標記當前時間各地區(qū)已發(fā)布的預警情況，預警數(shù)據(jù)來源于新疆各縣級氣象局。③格點預報。點擊新疆區(qū)域內(nèi)任意點，可獲取當前坐標內(nèi)5 km×5 km 范圍當前時次未來24 h 逐小時、未來3 d 的溫度、濕度、風向風速和能見度要素的預報數(shù)據(jù)，以及未來10 d 每天的最高溫、最低溫和平均降水預報數(shù)據(jù)。④棉田實景。展示新疆區(qū)域各農(nóng)田小氣候站逐小時實景圖片，以及田間小氣候要素數(shù)據(jù)。⑤土壤水分。在新疆地圖中標記各農(nóng)田小氣候站點，根據(jù)時次、土壤含水量及土壤相對濕度，進行數(shù)據(jù)的查詢。

2.2 災害預警

災害預警功能包含預警評估及災害預報兩項子功能。①預警評估，展示由新疆農(nóng)業(yè)氣象臺權威發(fā)布的未來一周棉花氣象災害預警評估內(nèi)容。②災害預報，全疆氣象格點預報數(shù)據(jù)結合棉花氣象災害指標，以色斑圖形式疊加于地圖圖層之上，可以直觀顯示新疆棉花氣象災害區(qū)域。

2.3 氣候圖表

氣候圖表功能數(shù)據(jù)取自1991—2020 年30 年整編氣象數(shù)據(jù)，涵蓋了日、旬、月和年的平均氣溫、降水、日照時長數(shù)據(jù)，以及每年的無霜期和積溫數(shù)據(jù)。其中積溫數(shù)據(jù)包含了有效積溫和活動積溫。該功能以圖表的形式直觀展示了歷史氣象數(shù)據(jù)變化，為氣候分析、統(tǒng)計提供數(shù)據(jù)支持。

2.4 棉田技術服務

棉田技術服務功能為用戶展示各類棉花氣象服務產(chǎn)品，如棉花關鍵發(fā)育期預報、棉花生長氣象條件評價、種植實用技術等。此外，棉花生長評價結合了格點預報與棉花生長適宜度指標，以色斑圖形式疊加于地圖圖層之上展示，用戶可直觀了解新疆棉花生長適宜度區(qū)域劃分。

2.5 我的棉田

我的棉田功能為移動端獨有功能，基于手機GPS定位系統(tǒng)，為用戶匹配當前定位地點的棉田氣象實況、預報數(shù)據(jù)、氣象災害預警及生長適宜度等級信息。此外，用戶可根據(jù)棉田經(jīng)緯度錄入棉田基本信息，以匹配以上氣象數(shù)據(jù)。

3 關鍵技術

3.1 數(shù)據(jù)采集技術

近年來，中國氣象局在新疆投入了大量的大氣探測設備，先后建立了國家一級天氣觀測自動站、區(qū)域自動站、農(nóng)田實景觀測站數(shù)百個。這些氣象站全天候地觀測天氣的變化，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鳉庀笳荆?jīng)過氣象工作人員的核驗校準，上報自治區(qū)信息中心匯總、入庫。這些數(shù)據(jù)不僅對氣象業(yè)務部門提高災害性天氣的監(jiān)測能力有極大幫助，而且對各領域升級氣象服務水平有極其重大的意義[8-11]。

3.2 大數(shù)據(jù)平臺技術

棉花服務平臺依靠的數(shù)據(jù)平臺為“天擎”系統(tǒng)。“天擎”系統(tǒng)是中國氣象局在全國氣象系統(tǒng)推行的氣象大數(shù)據(jù)云平臺，是以“云＋端”為設計思路實現(xiàn)的“數(shù)算一體”的平臺，改變了過去煙囪式的應用系統(tǒng)建設方式，各業(yè)務系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)均在“天擎”系統(tǒng)中進行統(tǒng)一集約化管理，算力靠近數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不再冗余存儲。“天擎”系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為中心支撐各應用系統(tǒng)圍繞數(shù)據(jù)結合算法和算力進行集約化運行，提升業(yè)務流程運行效率并節(jié)約系統(tǒng)資源。“天擎”系統(tǒng)通過以下關鍵技術滿足發(fā)生變化的業(yè)務需求：一是采用分布式集群運行技術實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)可擴展；二是策略驅(qū)動設計實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性；三是實現(xiàn)多協(xié)議數(shù)據(jù)歸檔、敏感數(shù)據(jù)歸檔、轉儲數(shù)據(jù)歸檔的功能，滿足多場景數(shù)據(jù)歸檔需求；四是提供豐富的數(shù)據(jù)回取服務接口，提升回取數(shù)據(jù)服務便捷性；五是歸檔數(shù)據(jù)全流程追溯和歸檔業(yè)務各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)量統(tǒng)計，保證數(shù)據(jù)歸檔的完整性和正確性；六是規(guī)范化的磁帶管理，實現(xiàn)歸檔的磁帶服務。

3.3 氣象數(shù)據(jù)格點化技術

新疆地域遼闊，各地氣候差異巨大，為了得到精細化的氣象要素空間分布情況，借助地理信息系統(tǒng)在全疆范圍進行網(wǎng)格化，處理設置大小為 5 km×5 km 的正方形網(wǎng)格點，每個氣象監(jiān)測站都落在某個網(wǎng)格內(nèi)。此外，建立氣象要素與地理因子（海拔、 經(jīng)度、緯度）三維二次模型，進行氣象要素的細網(wǎng)格推算，每個網(wǎng)格的氣象要素模擬值由相鄰的幾個監(jiān)測站的監(jiān)測值計算出來，通過插值算法，全疆范圍內(nèi)每個網(wǎng)格點都擁有一組氣象數(shù)據(jù)，從而獲得全疆氣候資源精細化空間分布。

3.4 災害與生長適宜區(qū)域劃分

基于網(wǎng)格點氣象數(shù)據(jù)、棉花災害與生長適宜氣象指標，借助地理信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行挖掘、分析和應用有重要意義。通過分析棉花對氣象條件的生長需求及災害條件，結合氣溫、積溫、無霜期、高溫和低溫等數(shù)據(jù)，將新疆棉花種植區(qū)域分為適宜、次適宜和不適宜3 個等級。根據(jù)災害程度將新疆棉花種植區(qū)分為重度、中度、輕度和無災害4 個等級。以數(shù)據(jù)指標為依據(jù)，借助全疆氣象網(wǎng)格化模型，計算出各網(wǎng)格棉花適宜區(qū)域和災害等級，并將每種等級對應一種色標，疊加渲染在地圖上，得到新疆每時次棉花災害與生長適宜區(qū)域劃分圖。基于該功能，棉花行業(yè)管理者和技術人員可在各區(qū)域進行棉花相應的擴種或減種，合理調(diào)整種植比例，科學指導當?shù)孛藁ㄉa(chǎn)。

4 服務應用與實踐

4.1 北疆棉區(qū)霜凍災害情況分析

利用格點化技術結合棉花霜凍指標，分析了北疆棉區(qū)霜凍發(fā)生情況，結果如表1 所示。近30 年北疆棉區(qū)終霜凍共發(fā)生330 次，其中輕霜149 次、中霜98 次、重霜83 次。從年均發(fā)生次數(shù)看，輕霜，博州棉區(qū)發(fā)生最多，為0.60 次/年；塔城棉區(qū)次之，為0.50 次/年，石河子棉區(qū)最少，為0.34 次/年；中霜，石河子棉區(qū)最多，為0.35 次/年；重霜，石河子棉區(qū)最多，為0.31 次/年，博州棉區(qū)最少，0.15 次/年。北疆棉區(qū)春季霜凍災害主要分布在天山北坡，特別是塔城地區(qū)南部、石河子地區(qū)東部及南部，昌吉州南部、博州東部屬于高等級終霜凍災害區(qū)域。塔城地區(qū)中部、石河子地區(qū)中部，昌吉州地區(qū)北部，博州地區(qū)中部均屬較高等級危險，其他地區(qū)屬于較低等級或低等級。

表1 北疆棉區(qū)春季霜凍年均發(fā)生次數(shù)Tab.1 Annual average frequency of spring frost in cotton region of northern Xinjiang

4.2 北疆棉區(qū)大風災害情況分析

利用格點化技術結合棉花大風指標，分析了北疆棉區(qū)大風災害發(fā)生情況，結果如圖2 所示。北疆棉花各站點中，大風發(fā)生天數(shù)較高的是精河縣和呼圖壁縣，近30 年精河縣平均發(fā)生14 d，呼圖壁縣平均8 d，其余站點為1～7 d。石河子棉區(qū)大風日數(shù)年平均2～4 d，除沙灣市烏蘭烏蘇鎮(zhèn)大風日數(shù)呈減少趨勢外，其他均呈不同程度增加趨勢，大風日數(shù)的峰值出現(xiàn)在2012 年，沙灣市炮臺鎮(zhèn)5 d、莫索灣墾區(qū)20 d、石河子市4 d，大風日數(shù)發(fā)生較高的是莫索灣墾區(qū)，其次是烏蘭烏蘇鎮(zhèn)、石河子市、炮臺鎮(zhèn)。昌吉州棉區(qū)除瑪納斯縣外，其他地方均呈不同程度增加趨勢，近30 年瑪納斯縣平均3 d、昌吉市平均7 d、呼圖壁縣平均8 d，大風發(fā)生較高的是呼圖壁縣，其次是昌吉市、瑪納斯縣。博州棉區(qū)近30 年均呈減少趨勢，博樂市平均2 d，精河縣平均14 d。從空間看，北疆西北部是大風強度的高值區(qū)，主要集中在博州棉區(qū)、塔城南部棉區(qū)、昌吉州西部棉區(qū)。

圖2 石河子、昌吉州、博州、塔城棉區(qū)大風日變化趨勢Fig.2 Daily variation trend of strong winds in cotton areas of Shihezi，Changji，Bozhou and Tacheng

5 結束語

棉花服務平臺整合了多種功能的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，建設了集氣象實況、預報、預警、氣候數(shù)據(jù)、災害及適應區(qū)劃等為一體的全方位多角度棉花氣象數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了棉花動態(tài)生長與相關氣象數(shù)據(jù)的存儲與應用，兼顧信息資源整合、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)分析等功能。具有良好的兼容性、迭代性與高效性。服務平臺打破了傳統(tǒng)的氣象為農(nóng)服務模式，將用戶需求與氣象信息無縫隙匹配，實現(xiàn)面向農(nóng)戶“一對一”的智慧氣象服務，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精細化服務需求，有效提升氣象為農(nóng)服務的智慧化水平。未來仍需對平臺繼續(xù)改進優(yōu)化，進一步挖掘用戶需求，打造更加精準、實用的棉花氣象服務平臺。