基于气象技术的农业气象监测预警及服务平台构建研究

杨昆

（临沂市气象局，山东临沂276004）

科技的高速发展和我国城镇化进程的不断推进，加速了我国农业从“小农经济”向“农业控股企业成为组织现代农业生产的主体”发展的转型，在改变农业生产组织方式的同时，提升农业技术创新水平才能进一步增大国内农产品的产量与国际市场竞争力[1-2]。但我国幅员辽阔，农业的发展又离不开光、水和热等气象因素，同时，由于我国农业现代化建设尚处于发展阶段，每年都有大量农作物因气象灾害的影响总体产量下降。为此，急需进一步加强气象技术在农业中的应用[3-5]，根据气象预测结果，对农业生产做出更加合理的组织和安排，以减少气象灾害带来的农业生产损失。

针对气象技术在农业上的应用，国内外学者都有过相关的研究[6-8]。文献[9]针对主要农产品的灾害指标，设计了一套完整的监测系统，可以实现农业信息的快速感知。文献[10]针对山南地区的农业气象预警结构进行分析，介绍了该系统的相关功能，为农业预警提供了很好的技术支持。文献[11]基于B/S开发了农业气象综合服务平台，为四川省农业气象服务提供了技术指导。文献[12]从智能划分和农业气象监测等角度分析了现代农业气象服务技能的提升和应用。文献[13]分析了农业信息服务技术在现代农业生产中的应用。文中基于气象技术设计了一套农业气象监测预警及服务平台，通过平台的建设为农业气象提供可靠的服务。

1 我国农业气象服务现状

气象技术在农业发展中的应用体系已经建立并逐渐得到完善，主要表现在气象监测、灾害性天气预警、农业气候资源分析和专项技术服务等几个方面[14-16]。

1.1 气象监测

当前，我国已经创建了集卫星技术、气象监测站和农业气象试验站等多位一体的农业气象监测系统，并得到成功应用。通过气象监测系统，可以实时掌握气象环境中的湿度、温度、风速、光照度和降雨量等参数。图1为风云三号气象卫星所携带的微波湿温探测仪监测到的台风。从图1中可以清楚地看到台风的位置和台风凤眼的具体结构等信息。

图1 气象卫星综合监测

图2为农业气象综合监测仪器。通过监测获取的气象数据，人们可以合理安排农业活动，降低资源浪费并提高了产量。与此同时，累积的气象数据可以作为大数据，通过对其分析可以进一步合理安排当地种植农作物的种类、播种时间等。

图3为风云三号卫星中微波湿温探测仪的电机电流图。从图2可以看出，电机在开始阶段是不稳定的，会出现电流起伏不定的状况，之后电流会稳定在0.3 A 附近。长期来看，卫星中微波湿温探测仪能够稳定的工作，为全球农业气象提供可靠的数据支持。

图2 农业气象综合监测仪器

图3 FY-3C/MWHTS长时间序列电机电流图

1.2 灾害性天气预警

突如其来的强降雨、冰雹、大风等灾害性天气会对农作物造成很大的破坏，如图4所示，大雨淹没了即将收获的蔬菜，冰雹砸毁了农民庄稼等，使辛勤劳动一年的人们颗粒无收，这给农民乃至国家带来了难以预估的损失。因此对科研工作者提出了迫切的需求，积极开展灾害天气预警机制[17-19]，用气象技术尽可能提前预测到恶劣天气的到来，使相关工作者与农业从事着提前做出应对措施，降低灾害天气对农作物造成的有害影响，保护农民及国家的财产。

图4 灾害性天气

1.3 专项技术服务

专项技术服务为农民提供常规农作物的针对性技术指导工作，详细传授农作物在各个生长阶段对阳光、水等气象条件的需求，并根据相应需求的气象指标，为农民详细讲解关于抗旱、抗低温与防霜等的技术与措施，并完善气象预警工作体制，以便农民提前做好防御准备。

2 气象灾害分析

在对气象技术应用的过程中，需要详细地对气象灾害进行定量分析和评估，其中主要是对致灾因子进行分析。致灾因子分析主要是通过研究一定区域内自然灾害发生的概率、重复出现的概率以及其对人类生产和生活带来的影响[20]。

文中选择灰色系统理论来分析气象灾害的致灾因子，通过计算灰色关联度来判定气象致灾因子。其主要的步骤如下：

1）数据的无量纲化

文中采用Z分数标准化法对序列进行无量纲化处理，如式（1）所示：

式中，x′i(k)、xi(k)、xi(l)分别为无量纲化后的序列、原始序列、序列的初值。i、k分别为序列的数量、不同序列具体的序列个数。

2）指标逆化

假定xi(k)、xo(k)分别为比较序列和参考序列，则：

倒数化如式（3）所示：

3）求差序列

求差序列如式（4）所示：

4）两级的最大差和最小差

两级的最大差和两级的最小差如式（5）、式（6）所示：

5）求灰关联系数

式中，ρ为分辨系数。该系数的引入主要是为了能够让关联系数之间出现更加大的差异。通过对各个时间段关联系数的平均值来分析序列间的关联程度。

3 基于气象技术的农业气象服务平台建立

3.1 建设雷电监测预警体系

若农业对突发性天气无法做出合理的应对，将会对劳动者以及国家带来极大的损失，因此运用科学的气象技术建立气象监测预警体系十分必要。将气象卫星、雷达和地面的观测资料整合在一起所形成的云分析系统可以最大程度上缩短spin-up 时间，从而改进模式云和降水预报的时间。

云分析系统的主要功能模块如图5所示。其主要的工作原理是雷达通过波段的强度对空间内一定范围内进行筛选，特定筛选结束后可以得到可视的气象资料。

图5 LAPS功能模块示意图

我国现阶段的雷电监测系统有很多，例如对雷电监测，使用闪电定位仪、多普勒天气雷达（新一代）等先进仪器对雷电进行监测，更加高效准确地捕捉雷电的踪影，经特定的仪器采集并传输到科研工作者手里，并经科学的方法对采集信息进行处理，判断雷电出现的概率，雷电的破坏力度等级，并给出预警及相应的处理措施方案，及时传递到劳动者手里，做好预防工作，极大程度上避免损失。雷电气象突害预警系统框架如图6所示。

图6 雷电气象灾害预警系统框架

3.2 强化农气监测与传播能力

针对现代农业的发展需求，创建有高度科技含量的气象观测站网，依据各地气象条件，深化有效的区域性观测站布局，强化农业气象监测力度，以大量的气象数据为依据，创建合理的数学模型与仿真模拟，提出完善的气象指标与预警阈值。应用现有覆盖面最广泛的互联网络，将科研工作者的气象信息及时高效地发布出去，使气象技术更好地为农业生产服务。农业气象服务平台[21-23]功能框架如图7所示。

图7 农业气象服务平台框架图

4 气象技术在现代农业发展中应用的对策

4.1 提高农业气象监测能力

健全气象观测设施，争取做出全面辐射的气象站网，及时准确地监测各地气象情况，并针对不同农作物，给出其特色的气象指标，在农作物从播种到发芽，再到收获的各个生长环节做到特色监测，发挥各地不同气象的特色，针对本地特色播种适应其气象条件的农作物，不但需做好对气象监测，还要科学地利用气象条件，发挥其特色优势[24]。

4.2 改进预报方法并提升预测准确率

在完善的气象监测体系下，要充分发挥其优势，做到全面全方位监测的同时，整合监测数据，以科学手段，改进气象预报的方法，研究更准确的农业气象预报系统。紧紧地依托农业生产的精准化栽培技术，研究基于气象监测数据、农作物生长规律的农用天气预报技术，制定符合各地方特色的气象指标来指导农业的更好发展，开发面向多重区域、多种作物种类、针对多种农业气象问题的定量化农用天气预报指导产品。

4.3 加强科学研究及农业气象信息传播

统计各年的农产品丰收情况，研究与产量有关的气象影响等指数的作物产量动态预报技术。加强气象技术相关领域的人才培养，重视科技研发，开展农作物从播种到收获各时期相应的气象影响因素观测试验，分析气象条件和农作物产量之间的关系，建立作物全生长周期的模拟模型[25]。并要加大气象传播力度，建立基于专业气象部门、农村气象服务站、农民手机客户端的综合性信息发布以及传播平台，实现多重农业气象服务信息以及灾害性天气的实时更新，并做到全覆盖、高效率的传播。

武汉农业气象研究机构很早就依靠气象监测网络对全省范围内的降雨进行了监测，主要仪器包括：地基GPS[10]、微波辐射针、GPS 移动探测系统等。通过固定设备网络监控，可以初步获得一定的农业气象信息。这些信息包含梅雨时节的云中温度、水汽、云等。

我国已建成的农业气象雷达主要包括C 和S波段。新一代的雷达监测系统通过仰角数和扫描时间由扫描方式规定。表1为多普勒天气雷达体扫方式。

表1 多普勒天气雷达体扫方式

5 结 论

农业发展和气象条件密切相关，运用科学的手段研究农业气象至关重要。文中阐述了农作物生长全周期过程中的气象监测体制，制定与其对应的气象指标，根据该指标指导农民劳作；并提出健全的雷电等灾害性天气的预警平台，及时高效地传递气象信息，使人们提前做出应对措施，减少损失；并建立了农业气象服务平台，收录各地历年气象信息，除了监测预警外，还为农业日常耕种提供有利的信息与技术指导。