农业气象灾害监测预警—粮食安全的保障

文/郭安红 李森 中国气象局国家气象中心 李朝生 中国气象局应急减灾司

农业气象灾害是农业生产过程中直接或间接导致农业生物显著减产、品质下降或设施严重损坏的各种不利天气过程和天气现象的总称。我国是农业气象灾害影响最为严重的国家之一，灾害种类多、强度大、频率高，主要农业气象灾害对产量波动的直接影响可达18%。

光、温、水、气各气象因子或两项及以上因子的时空量不合理分配，均可能引起各种类型的农业气象灾害。水分异常引起的农业气象灾害有干旱、洪涝和湿害、冰雪灾害、冰雹等，温度异常引起的农业气象灾害包括低温冷害、寒害、冻害、霜冻、寒露风、高温热害等，复合要素异常引起的农业气象灾害有干热风、连阴雨等，气流异常引起的灾害有台风、龙卷风和雷暴大风等。有些灾害造成的影响是显性的，在灾害发生后通过外在的形态特征可直观判断，如洪涝、大风、冰雹等；有些是隐性的，例如冷害、热害、寒露风等，出现受害症状的时间滞后，需要一定时间才能观察到。

随着全球气候变化造成的气温、降水分布不均匀性以及极端天气气候事件的增多，农业气象灾害的发生频率增加、强度增强、危害加重，对国家粮食安全和农业持续发展已构成严重威胁。及时、准确地为各级政府、农业生产部门提供农业气象灾害监测预警信息，及时有效地防控农业气象灾害，最大限度减轻灾害对农业生产造成的危害，对提升农业综合防灾减灾能力、促进农业经济的可持续发展、实现新农村建设目标、保障粮食安全具有重要的意义。

农业气象灾害指标

要对农业气象灾害进行监测和预报预警，首先需要知道什么时候、什么程度的不利气象条件会造成农业生物产量损失、品质下降，以及损失或下降的程度与不利气象条件的关系是什么。在这方面，我国学者开展了大量的试验观测研究工作，获取了各类农业气象灾害指标。现有的农业气象灾害监测评估预警工作基本上都是基于农业气象灾害指标开展的。

农业气象灾害指标包括的主要内容是可能受影响的作物、异常的气象条件和程度，影响的主要时段以及可能造成的影响。例如，农业干旱是长时间降水偏少、空气干燥、土壤缺水，造成农作物体内水分发生亏缺，影响正常生长发育甚至减产。对于异常的气象条件和程度，有多个指标相辅相成共同来判断农作物是否会受旱，包括降水偏少的程度、土壤墒情偏差的程度、农作物水分亏缺的程度等等；此外，降水偏少、墒情偏差对不同作物的影响是不一样的，因而农业干旱指标又可以细化到作物种类，包括玉米干旱指标、冬小麦干旱指标等；最后，作物在不同生长发育阶段对缺水的耐受力或者敏感性不同，有些关键生长发育期对水分亏缺十分敏感，缺水会造成明显的生长发育受限，像玉米的“卡脖旱”就是一旦在玉米的抽雄期前后发生干旱，会导致雄穗或雌穗抽不出来，类似玉米被卡了脖子。再比如，小麦干热风是小麦开花灌浆期出现的一种高温低湿并伴有一定风力的灾害性、高影响性天气，影响小麦灌浆成熟，降低千粒重，导致小麦减产，因而有温度、空气相对湿度和风速三个气象指标阈值来描述这种高温低湿并伴有一定风力的灾害性天气，并且这种天气出现在小麦开花灌浆期会导致小麦减产。

我国已陆续制订发布了大量农业气象灾害国家标准、行业标准和地方标准，为各地农业气象灾害的监测预警及评估工作的规范化提供了一定的科学依据。主要包括国家标准《农业干旱等级》、气象行业标准《北方春玉米干旱等级》、《北方夏玉米干旱等级》、《水稻、玉米冷害等级》、《冬小麦、油菜涝渍等级》、《作物霜冻害等级》、《小麦干热风灾害等级》以及农业行业标准《水稻高温热害鉴定与分级》等等。

有了农业气象灾害指标，我们知道了在农业气象灾害监测和预报预警的时候需要关注哪些关键时段的哪些气象和作物指标，从而在大量气象和农业实时观测数据中，提取相关信息并进行综合分析，开展监测和预报预警工作就有了抓手。但是需要注意的是，随着农作物种植制度、管理措施和品种的变化，以及农作物对环境的适应性，农业气象灾害指标也是有变化的。例如，针对小麦干热风的指标，随着我国农业灌溉水平的提升，在小麦开花灌溉阶段，有灌溉条件、土壤墒情较好的情况下即使气温、相对湿度和风速达到了干热风的致灾阈值标准，也不会有干热风灾害发生。再比如，零上低温会对作物造成低温冷害，但对于稳生稳长、组织结实、含水量低、呼吸速率适中的植株对冷害具有一定的适应能力；相反，对于暴生暴长、组织疏松、身娇肉嫩、含水量高、吸旺盛的植株则宜受低温冷害。因此，农业气象灾害指标也是在不断地探索中，不断细化和修订。

农业气象灾害监测

农业气象灾害监测是针对灾害性天气过程、致灾因子强度以及受灾对象、受灾区域的形态特征、灾害损失等信息进行的实时动态统计分析，从而及时掌握农业气象灾害的发生发展动向，为开展减灾、救灾提供科学依据。目前我国的农业气象灾害监测主要有地面监测和遥感监测手段。

地面监测是依据已有的农业气象灾害指标，基于实时地面观测数据的提取判别和空间化分析，进行农业气象灾害监测。与农业气象灾害监测相关的地面监测网络包括气象观测网、农业气象观测网以及土壤水分自动观测网，这些网络节点（观测站）以人工观测或自动化监测仪器为监测手段，每天实时同步获取全国范围的各种气象要素、灾害性天气、农作物发育期和生长状况、土壤湿度、农业气象灾害及病虫害发生情况等观测数据，通过对这些观测数据进行提取和综合分析，结合农业气象灾害指标划分灾害等级，判断农业气象灾害的致灾强度，影响区域。目前除少数直接观测到的天气灾害（冰雹、大风等）外，大多数农业气象灾害监测是通过上述技术流程实现。地面监测相对而言自动化程度较低，但技术相对成熟，操作简单，精度也较高。近年来，随着互联网、远程视频技术以及自动化观测技术的不断发展，地面监测信息覆盖面更广、实时性更强、信息量更精细化，地面观测信息已成为农业气象灾害监测“大数据”的重要组成部分。

近年来，卫星遥感技术的发展为农业气象灾害的监测提供了有效工具。卫星遥感监测主要是通过对遥感地表信息数据的解译反演，监测地表植被变化、农作物长势、土壤墒情以及较大范围干旱、洪涝、病虫害等信息。通过对遥感获取的最新遥感影像信息与地理信息的叠加，可以监测灾情最新实况；通过对不同时段的多时相遥感影像数据进行叠加，则可监测灾害发展变化的最新趋势，实现灾害区域化、动态化监测。遥感监测的优势在于可以直观获取较大范围的同步的监测信息，但目前在监测数据获取周期、云遮挡情况下如何获取监测信息等方面存在瓶颈，另外在某些灾害监测精度方面还有待进一步提升。

未来农业气象灾害监测将会朝向获取“大数据”方向不断发展，即利用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)等技术，通过将遥感反演信息、地面定点观测信息、地面移动观测信息、自动化高频监测信息等多维度、立体监测信息综合分析，图像识别技术、高分辨率雷达辨识等新技术也将会应用起来，从而大幅度提升农业气象灾害监测定量化、精细化程度以及可视化程度。

农业气象灾害预报预警

农业气象灾害预报是对未来农业气象灾害可能发生区域、发生时段、灾害强度开展的专业化预报。农业气象灾害预报可分为长期预报和中短期预报，长期预报一般是利用数理统计模型方法，或者通过模型外推的方法、或者通过提取前兆信息的方法开展相关预报；中短期预报则是基于农业气象灾害指标，结合天气要素预报、农业气象监测预报开展定量化的灾害等级和落区预报。中短期农业气象灾害预报是开展农业气象灾害预警的主要技术支撑。

例如，根据低温冷害标准，低温冷害的预报需要三个要素相结合：（1）低温天气的预报，包括低温天气出现区域和持续的时间、低于生长适宜温度的幅度等；（2）作物的生长发育期预报或者温度敏感期的确定，不同的生长发育阶段适宜的温度阈值不同，因此低温天气过程对处于不同生长发育期的作物影响不同，受害与否、受害程度均与发育期相关；（3）低温冷害的轻、中、重指标阈值。三个要素相结合，当作物处于低温敏感阶段、低温天气影响作物正常生长并且达到该作物受低温冷害的指标，即可判断作物可能遭受低温冷害。将这种基于点上的判断通过地理信息技术拓展到作物种植区域上，就可以对低温冷害可能发生的范围、影响的作物以及受害的等级进行预报。目前，基于数值天气预报技术，可以获取未来10天左右较为准确的气象要素预报信息，并且随着现代农业气象观测预报技术的发展，作物种植区域监测、作物发育期监测预报已经相对精准，因此，结合农业气象指标， 农业气象灾害预报已经能够实现未来10天逐日滚动的发生区域、发生程度预报。

有了专业化的、逐日滚动的未来10天农业气象灾害可能发生区域、发生时段以及灾害强度的预报，当判定未来较大范围内将要发生的达到一定严重程度的农业气象灾害时，就可以开展农业气象灾害预警。一般情况下，由于农业气象灾害主要是对农业生产对象造成损失、不会造成重大人员伤亡，所以农业气象灾害预警等级一般分为轻度、中度、或重度三个级别，分别发布蓝色、黄色和橙色预警信号。国家级发布预警和省级发布预警在区域划分和防御指南上有一定差别。国家级发布预警的标准不以省的行政区域为单位，而是以农业气象灾害影响区域作为整体，在此范围内达到一定等级的区域农业气象灾害标准时，发布相应的预警信号；而省级发布预警的标准则以本省范围内达到一定等级的区域农业气象灾害时发布相应的预警信号。

准确地发布农业气象灾害预警信息，能使农业生产部门和广大农民在灾害来临之前提前采取防御措施，有效避免农业气象灾害的发生或减轻灾害损失。预警信号发布后，仍会及时跟踪农业气象灾害监测和预报结论，适时变更或解除预警信号。目前在农业气象灾害预警发布标准、预警信息发布平台和系统、预警发布手段方面还有大量工作要做。如何通过纵横贯通的预警信息发布系统，包括网站、广播电视、农村大喇叭、电子显示屏等将农业气象灾害预警信息及时准确地发布到各级用户手上，还需要做大量的工作。

未来发展

现代天气预报技术、农业气象观测技术和信息化技术的迅猛发展，给农业气象灾害监测预报预警技术的发展带来了前所未有的机遇，但是气候变化背景下农业气象灾害发生频率增加、强度增强、危害加重也给灾害预报预警带来了严峻的挑战。在防灾减灾决策者层面上，需要了解一定区域范围内农业气象灾害的现状、未来发展趋势，以便采取防灾减灾政策上或资源配置上的调整。另一方面，对于个体或者农户来说，更需要了解自家地里的农作物会不会有灾害发生、如何减免损失，因而在时间上和空间上都要求有更加精细化的农业气象灾害监测和预报预警信息服务。

因而，面向新形势下我国粮食安全生产提质增效的需求，以及面向不同用户群开展针对性的农业气象灾害防灾减灾服务，需要在农业气象灾害自动化监测、灾害预报预警精准化以及服务手段多样化等方面开展大量的工作。在监测技术方法上，要尽快发展自动化观测和信息采集识别技术，充分挖掘大数据应用分析技术，获取规范、精细和准确的灾害监测信息；在预报技术上，要充分利用现代天气预报技术、信息技术、数值模拟技术以及人工智能学习技术，建立精准化的预报预警系统，提升预报准确率和预警发布时效。此外，在机制层面上还需要集成气象、农业、林业、水利和民政等部门的合力，形成农业气象灾害防灾减灾联动机制，提升农业气象灾害预警决策服务和公共服务的公信力。最后，在用户层面上，及时有效地利用好农业气象灾害监测预警信息，规避、防范和减免灾害，必将实现农业可持续发展和粮食稳产增效。