臨安山核桃氣象災害精細化預警系統開發和應用

羅健琛 王懿偉 蔣慧峰 郭寶光 薛春 胡玉林

摘要：全球氣候變化導致極端天氣頻發，給臨安地區的山核桃生產帶來巨大風險，準確的農業氣象災害預報信息有助于臨安區采取針對性的防御措施。本文闡述了臨安區山核桃氣象災害預警系統的設計原理和系統結構框架，該系統自2022年上線試運行以來，已自動觸發6次預警，為臨安地區山核桃生產防災減災工作發揮了重要作用。

關鍵詞：智慧農業；氣象災害；精細化預警系統；山核桃；臨安；信息發布

近年來，美國、加拿大等國采用植被狀態指數（VCI）和溫度狀態指數（TCI）方法進行監測和預報[1]，

國內氣象部門建立了農業氣象災害的指標體系和監測評估業務流程[2]。然而，極端天氣頻發，傳統的預警服務模式難以滿足農業防災減災需求[3]，迫切需要預警技術更新。

山核桃既是我國重要的經濟樹種，又是優質的用材樹種[4]。山核桃干仁含油率高達69.8%～74.01%，是含油率最高的樹種之一[5]，富含的蛋白質，可以作為一種預防疾病的藥物[6]。目前，臨安區的山核桃產業穩定發展，核桃面積約為3.8萬hm2，產量約為1.5萬t[7]，全產業鏈產值達37億元，臨安區的山核桃產量、加工和銷售常年居全國首位。近年來，臨安區的山核桃產業得到政府和林業部門的重視，通過提質增效和創新，推動了山核桃產業的可持續發展。然而，由于地貌復雜、氣候多變等原因，山核桃產量和質量波動，亟需綜合評價環境條件和氣象預警手段以提高山核桃產業的穩定性。

山核桃的生長和發育受溫度、降水和光照的影響[8]。

溫度直接影響山核桃的生長和開花結果，在花期和幼果期尤為重要。適宜的溫度有利于花芽分化、開花和果實發育，而過高或過低的溫度可能導致花芽受損、花粉活力下降，進而影響山核桃的花期生育過程。降水則在果實發育階段發揮重要作用，足夠的降水可以促進果實膨大和品質提升。另外，山核桃是喜光的喜光樹種，生長期的光照強度對樹體生長、花芽分化和開花結果都有重要影響。山核桃的生產及產量易受到氣象災害的嚴重影響，當發生極端氣候事件時，如冰雹、凍害、干旱或強風暴等，會嚴重影響山核桃樹的生長和果實發育，導致減產甚至歉收[7]。如2022年7月

1日—8月10日，臨安高溫天氣36 d，導致山核桃果實飽滿度從80%下降到60%。因此，構建針對山核桃的氣象災害預警系統迫在眉睫，對種植山核桃的農民收入和經濟穩定都具有重大意義。

為此，本試驗基于溫度、降水和光照等關鍵氣象因子構建了山核桃精細化氣象災害預警模型，并相應地建立了山核桃氣象災害預警系統。通過資料分析、專家咨詢和數據庫構建，明確了預警條件和流程，系統運營1年后，通過反饋進行效果評估，具體流程如該系統已于2022年在農戶、農業農村部門、農業專家間逐漸展開應用，實現對作物和區域的農業氣象災害預警，并提前通知生產主體。本研究構建的系統可向農業農村部門提供災害預警信息，輔助專家決策，對提升農業防災減災水平、促進農業經濟發展、推動生態友好型發展等方面具有重要意義。

1 設計原理及內容

1.1 基于專家經驗的山核桃關鍵氣象影響因子分析

在該預警系統中，主要針對影響山核桃生長的重要氣象因素進行預警，因此在構建預警模型時，需要考慮災害類型、發生時段等方面，如圖2所示。

大量研究表明，溫度[8]、降水和日照[9]是影響山核桃生長的重要因素，分別在山核桃的不同時期對山核桃的展葉、開花和結果產生重要影響。山核桃生長期關鍵時段為4月11日—5月10日，屬于展葉期、花期至開花坐果期，易受低溫凍害影響，短時間降溫會造成局部落花落果，長時間可能導致凍害，遭遇大范圍倒春寒甚至會絕收。山核桃的授粉期為4月11日—5月20日，連續低溫陰雨可能導致授粉不良，降低坐果率，影響土壤的干燥程度，不利于生長和結果。7月11日—8月25日是山核桃的果實灌漿期和成熟期，持續高溫干旱導致樹葉受損、果實品質下降，嚴重時可導致樹體死亡，同時也會影響土壤的性質，持續影響樹體。7月—10月可能有臺風襲來，對采收期有直接影響，可能引發洪水等災害，造成產量損失。養分積累期為9月11日—11月30日，持續干旱可能導致葉片早衰、提前落葉，限制養分供應。這些因素綜合影響山核桃生產，主要分為秋旱、臺風、伏旱、低溫霜凍和連陰雨，本研究針對這5項主要氣象災害構建預警模型及系統。

1.2 山核桃主要氣象災害預警模型

針對早春霜凍、授粉期連陰雨、伏旱、秋旱、臺風這5項主要氣象災害建立了預警模型，包括發生時段、災害等級、災害觸發條件、災害解除條件等。（1）早春霜凍災害預警模型系統1日最低氣溫≤4℃為觸發條件，以當日及后2 d連續3 d的日最低氣溫都＞4℃時為解除條件。以日最低氣溫作為判斷指標，滿足解除條件則發布預警解除通知。（2）授粉期連陰雨災害預警模型。以預測的日降雨量作為判斷指標，當氣象監測到連續5 d，日降雨量≥0.1 mm時會觸發連陰雨預警；只有連續2 d的日降雨量＜0.1 mm才會解除預警。（3）伏旱災害預警模型系統以連續15 d日降雨量＜0.5 mm為觸發條件，前2日和當日連續3 d的日降雨量都≥0.5 mm為解除條件。每天8∶00刷新和判斷1次，當過去連續10 d的實況日降雨量＜0.5 mm，且氣象格點數據預測到未來連續5 d的日降雨量＜0.5 mm，則觸發預警。如果氣象條件滿足解除條件，則發布預警解除通知[10]。（4）臺風災害預警模型系統以氣象部門發布臺風藍色及藍色以上預警為觸發條件，氣象部門發布解除臺風預警信息為解除條件，與氣象部門同步。（5）秋旱災害預警模型系統以連續20 d日降雨量＜0.5 mm為觸發條件，以前2 d和當日連續3 d的日降雨量都≥0.5 mm為解除條件。每天8∶00刷新和判斷1次，當過去連續15 d的實況日降雨量＜0.5 mm，且氣象格點數據預測到未來連續5 d的日降雨量＜0.5 mm，則觸發預警。氣象條件滿足解除條件則發布預警解除通知。

2 系統結構框架

2.1 系統介紹

2013年杭州市氣象局建立了重大氣象災害預警信息全網發布系統，能夠實現10 min 內啟動綠色通道，20 min內完成數字電視全頻道發布和手機短信分區域發布、6 h 內完成手機短信全區域發布[11]。基于這一實踐，針對臨安區主導作物山核桃，建立了農業氣象災害預警機制，將氣象預報與災害指標結合，實現了及時氣象災害預警。該模型融合農業生產、氣象預報和信息技術，核心功能是預警觸發和解除算法，包括災害等級、觸發條件、規則、信息發送、防御措施建議，以及解除條件和通知，避免資源浪費。

2.2 山核桃主要氣象災害預警系統管理平臺

將山核桃氣象災害預警模型利用系統管理平臺進行管理配置，將規模種植主體所在村與氣象站點數據進行就近匹配，實現差異化精準預警。建立待測地區中山核桃種植基地的基地信息數據庫，并按照就近原則對基地進行氣象站點的匹配，分別建立對應關系；基于氣象站點收集種植基地的第一氣象數據，代入氣象災害數據庫中按照預設觸發規則進行比對，判斷是否滿足預警觸發條件，滿足則根據第一氣象數據確定對應的基地并通過基地信息數據庫獲取相應的聯系人方式對基地聯系人發送氣象災害預警信息。將氣象站點與山核桃基地按照地理位置就近匹配，對一個地區中所有的山核桃基地可同時進行差異化精準預警。

2.3 專家審核和短信觸發移動端

專家可通過浙政釘移動端小程序，審核每天系統觸發的災害預警并進行短信觸發操作，使相關農業主體及時收到短信提醒，并根據專家建議提前采取措施防御災害。該系統對此的實現方式分為通過浙里辦推送給影響區域內主體、通過氣象局通知平臺推送給區域內村干部，以及通過浙政釘推送給農技推廣中心的產業專家。專家根據這些氣象災害預警信息和專業知識進行綜合判斷，如果災害影響較輕，則在預警處置中做出不推送短信的操作，專家根據實際情況做農業指導；如果災害影響明顯，則選擇發送短信通知給規模主體，內容包含詳細的災害預計發生時間、等級、危害和防御措施。通過這些信息和數據支持，專家能夠更及時準確地掌握農業氣象災害發生情況，從而更精準地開展災前災后的調查和技術指導。

3 結論

基于大數據和專家預測技術，通過對大量數據進行分析檢索，構建了一整套完善的基于臨安氣象數據災害預警系統。該系統通過數字農業技術和氣象數據的綜合分析，能夠準確預測山核桃生長關鍵期內的氣象災害，及時預警氣象災害信息，幫助臨安山核桃種植戶更好地采取有效措施來減少災害損失，提高農業產業適應氣候變化的能力，保障臨安區山核桃產業的生產穩定和可持續發展。

參考文獻

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