设施温室气象灾害监测预警分析

徐立强 康健丽 李宝升 李婧

(赤峰市气象局，内蒙古 赤峰 024200)

日光温室技术指的是利用光能资源，在寒冷的季节错季生产水果、蔬菜。主要的技术原理是在少量加温或者不加温的环境下，通过调节光照、温湿度和水分，为温室大棚中的蔬菜水果创造有利的气候条件，以满足反季节生产的需求。日光温室技术也是我国独有的技术，为增加广大农民的收入，改善农民的生活质量提供了巨大帮助。在全球气候变暖的大环境下，极端、反常的气候现象也越来越多，对于日光温室的发展十分不利。现阶段，我国的日光温室更倾向于硬件方面的投入，如先进的设备，但软件投入相对不足，科技水平较低，抵御气象灾害的能力较弱。温室大棚中的蔬菜水果很容易受到低温寡照、风雪、冻害等气象灾害的影响，损失巨大。笔者尝试构建温室气象灾害监测与预警系统，希望能够弥补温室大棚技术含量较低、软件投入不足的弊端。

1 系统的设计思路

温室气象灾害监测预警系统共包含4部分，分别是数据采集、数据管理、数据分析/产品制作、数据发布，满足各种用户的需求，为用户提供需要的服务。系统框架如图1所示。

图1 温室气象灾害预警监测系统框架图

1.1 数据采集

小气候监测子系统，主要为系统提供温室的小气候情况，由温室内部与外部的自动气象站组成，可实时监测并提供温湿度、地温、辐射情况等气象要素。

1.2 数据管理

基本数据库服务器的功能是存储、发布数据；Web服务器则负责提供设施农业气象信息网，并发布以WebGIS为基础的日常温室气象信息。

1.3 数据分析/产品制作

此部分是该系统的控制终端，拥有数据预处理、灾害预警、预报温室气象条件、制作手机短信等一系列功能。

1.4 数据发布

根据服务平台的要求，系统将数据制作成可以通过手机短信和网络平台发布的信息，以满足用户需求。

2 实现系统功能的关键技术

2.1 温室小气候远程监控系统

以无线移动技术(GPRS/CDMA)、互联网平台为基础设计远程数据采集系统。该系统包含了环境因子测试技术、无线通信技术、现代传感技术、计算机网络技术。可分3大模块，即服务器端数据接收与存储模块、监控现场数据采集与发送模块、Web数据管理与数据发布模块。在地理信息系统上可连接远程监控数据模块与当地气象站的数据库，同时结合农作物的灾害指标分析结果，呈现基于GIS的灾害预警信息电子地图。

在终端数据采集与发送模块上能够动态采集温室现场的数据信息，利用GPRS/CDMA无线移动通信网络连接因特网，将监测到的数据传送至监控中心的数据库服务器。监控中心的SQL Server 2000数据库服务器上所运行的便是服务器端数据接收与存储模块，不仅能够侦听指定的端口，还能准确识别并接受终端采集发送模块发出的TCP Socket连接请求，并进行校验与解析数据串，然后在数据库表中存储解析后的数据。基于Web的数据管理模块的功能是为用户提供数据应用接口以及相关服务，包括登录界面、数据检索、历史数据查找、分析、下载等。

2.2 基础地理数据的获取

系统的地理数据主要由我国基础地理信息系统中心提供，指的是1∶25万测绘地理用的地理信息数据集。利用地理信息系统(GIS)，能够转换、叠加、拼接、剪裁省内1∶25万的地理背景数据，最终形成省级地理背景数据层集。行政边界文件将省外定义为0，省界内填充的是市县编码。系统可以调入Arcview SHP格式的省行政区域矢量图，采用高斯-克吕格投影。

如果系统判断将会发生低温寡照灾害，就会显示灾害发生的地区与强度，以及省内所有站点均有灾害出现的经纬度。如果系统判定会有不同程度的灾害发生，根据各个站点的预警等级，利用地理信息技术后，此站点所对应的行政区域就会显示相应的颜色值；如果没有气象灾害，则颜色不发生改变，通过这种方式可起到灾害预警效果。

2.3 气象数据与农业数据的获取

远程气象监控系统能够动态读取温室的气象数据。在局域网上可读取的数据有省内所有气象台站的气象数据、省气象台制作的省内逐日天气预报数值的预报产品，以及由省农业厅提供当前温室蔬菜水果的种植面积、种类等相关资料。

2.4 预警指标的确认

试验结果表明，温室内蔬菜冠层的气温和外界日照的时数密切相关，外界的辐射量对温室内的热量条件产生重要影响。每种蔬菜对光照温度与水分的需求不同，因此要根据蔬菜种类、发育期确定低温寡照灾害的等级。处于开花结果期的蔬菜对日光是十分敏感的，以河北省广泛种植的黄瓜与番茄为例，确定温室不同等级的低温寡照灾害指标，如表1所示。

表1 黄瓜与番茄开花结果期不同等级的低温寡照灾害指标

3 温室气象服务系统介绍

此系统是一个以ASP技术为基础的网站，将Microsoft Frontpage作为平台，使用JavaScript与VBScript脚本来编辑，由SQL Server 2000后台数据库提供支持。用户通过页面可以访问数据库的数据、修改数据、插入数据、删除数据。数据库采用Sql Server进行开发、设计，采用VB Script连接和修改，涵盖了以下模块。科学技术：这一模块主要功能是普及大棚内的小气候特点、使用的农业生产技术、常见病虫害与气象、气象灾害标准、生育期的气象条件、天气预报指数等。温度预报：通过小气候模拟系统对未来24h内温室大棚的温湿度变化进行预测。数据监控与图像监测：显示实时数据、查询历史数据，通过图像的方式呈现农作物的生长发育状况。农用天气预报：与农业生产相关的喷药、通风、覆盖等信息。气象服务：手机短信、决策服务和公众服务。气象灾害天气预警：风害、高温热害、低温冻害、雪灾等。

3.1 农用气象预报

通过温室小气候远程监测系统所提供的数据来研究大棚内农作物的生长发育、病虫害和小气候之间的关系，分析不同类型大棚的棚内小气候和大气候之间的关系，构建温室小气候模拟系统，同时联合天气预报产品来预测未来24h温室内的气象变化，分析对大棚农作物有利、有害的气象因素，并制订相应的防范措施。根据病虫害的发生特点，模拟未来7d内的天气预报数据，并得出未来7d内温室气候与病虫害危害程度的模拟预报，最终准确掌握病虫害的发生与发展规律，为病虫害的防治奠定良好基础。

3.2 农用天气预报

立足于农业生产的需求，在农业气象预报、气候预测、天气预测的基础上，采用农业气象定量评价技术以及农业气象指标体系来预测可能会对农业生产活动产生影响的天气，制订有效的防范措施，为农业生产提供针对性的气象服务，如揭帘盖帘、喷洒农药、开启或关闭通风口等。

3.2.1 喷药农用天气预报

温室大棚内的空气湿度普遍较高，为病虫害的发生创造了有利条件。提前喷洒农药可起到预防病虫害的效果，喷药的最佳时机是天气晴朗、阳光充足的下午，可提高农药的吸收率。喷药的基本要求是下午盖帘之前农药能干，如果未干，随着夜间大棚内的湿度不断提高，农药会逐渐流失，不仅浪费成本，而且还影响喷药效果。喷药农用天气预报有3个等级。适宜：光照充足、天气晴朗，可最大程度发挥药效。较适宜：光照较弱，多云，但农药可以在盖帘前干燥，基本可以发挥药效。不适宜：阴、雨、雪天气，同时没有打开通风口，大棚内的湿度较高，不可喷药。

3.2.2 灌溉农用天气预报

在温室大棚内，灌溉是一种非常常见的农事活动，灌溉次数最多的时间是蔬菜的定植阶段。冬天为了保持地温，不适合频繁灌溉，通常每30d灌溉2次。应根据气象条件来选择灌溉时机，灌溉在增加墒情的同时，也会降低地温，提高大棚内的空气湿度，因此阴雨天不适合灌溉。最佳的灌溉时机是连续多日的晴朗天气，灌溉后大棚内的地温可以迅速回升。灌溉农用天气预报同样分为3个等级。适宜：连续多天晴朗。较适宜：多云，灌溉后地温缓慢回升。不适宜：寒潮、阴天、雨雪天。

3.2.3 覆盖农用天气预报

冬天，温室大棚每天都要揭盖草帘，还要根据温湿度和天气变化来增减草帘，以满足农作物生长所需。从2020年10月定植，到2021年6月结束生产，农作物经历了显著的温度变化，高温—低温—高温。夜间最低温度甚至可达到-25℃～-20℃，而且还会遭受寒潮、暴雨、暴雪、大风等恶劣气候。通过覆盖来调节夜间的大棚温度，保证棚内温度可以满足农作物的需求。外界环境的变数较多，所以应灵活选择覆盖方式。覆盖农用天气预报指数如表2所示。

表2 覆盖农用天气预报指数

3.2.4 通风农用天气预报

通风指的是在大棚内温度能够满足农作物生长需求的情况下，为了避免高温热害所采取的一种手段，同时还能降低大棚湿度。通风农用天气预报指数如表3所示。

表3 通风农用天气预报指数

3.2.5 灾害天气预警

参考预报信息和气象灾害指标对灾害的预警等级、危害程度进行判断，然后通过灾害影像库与防御措施库公布预警信号、防范措施。如表4所示。

表4 气象灾害的指标、影响程度、防范措施

4 结束语

综上所述，随着日光温室分布不断扩大、在农业中所占份额不断提高，对气象灾害监测预警服务的需求更加迫切。信息网络技术的发展，极大地丰富了气象服务的方式，传统的电话传真服务逐渐转向电子邮件、APP、微博、微信公众号等信息化形式。气象灾害监测与预警系统的应用，增强了温室大棚抵御气象灾害的能力，对于促进我国农业发展具有重要作用。如何进一步增加基于无线远程监控站点，逐步形成针对日光温室环境的监测网络，并将基于定点的观测数据、气象部门的背景数据与地理信息系统更好地融合，进一步细化气象灾害的指标系统，使之能在更多种类作物上推广应用，则是今后的重要研究任务。