新疆棉花气象服务平台功能设计与服务应用

孔子铭， 胡启瑞， 张山清， 火勋国， 吉春容,3

（1.新疆金锋华云气象科技有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002； 2.新疆兴农网信息中心，新疆维吾尔自治区农业气象台，新疆 乌鲁木齐 830002； 3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002）

0 引言

新疆维吾尔自治区（简称新疆）属大陆性气候，具有晴天多、日照强、少雨干燥、冬寒夏热及昼夜温差大等特点。新疆是我国最大的优质棉主产区，多年来棉花种植面积、产量居全国首位。大量研究表明，气象条件对棉花生产存在重大影响[1-5]。气象条件研究方面的数据支撑显得尤为重要[6-7]。建设基于大数据、云计算和地理信息技术的新疆棉花气象数据服务平台（以下简称棉花服务平台），实现新疆棉花相关气象数据的集中存储、统计分析、实景应用及成果展示，为相关农口单位及农户提供决策建议服务，有助于新疆棉花产业数字化水平的提升，推动棉花气象为农服务高质量发展。

1 建设目标及架构

1.1 建设目标

棉花服务平台综合考虑棉农的实际需求及气象相关科研部门的数据和业务成果，展示新疆棉花与气象相关的多方面数据。具体建设目标包括：①气象业务数据，提供基于位置的实时数据、预报预警数据；②历史统计，实现过去30 年历史气象数据的查询统计；③技术服务，提供棉花关键生育期预报、适应性种植区域划分、棉花生长适宜度评价等。

1.2 总体架构

棉花服务平台整合了多种功能的大数据系统，实现了棉花动态生长与相关气象数据的存储与应用，兼顾信息资源整合、数据共享、数据分析等功能。具有良好的兼容性、迭代性与高效性。总体架构由硬件支撑层、数据资源层、服务资源层、资源应用层和用户层构成，如图1 所示。

图1 新疆棉花气象数据管理平台总体构架Fig.1 Overall architecture of Xinjiang cotton meteorological data management platform

（1）硬件支撑层。包括网络通信设备、数据及应用服务器设备等。

（2）数据资源层。包括新疆各地区国家级气象站实况数据、5 km×5 km 网格24 h、3 d 和10 d 预报数据、预警信号数据、30 年历史气候数据及棉花气象服务产品数据等。

（3）服务资源层。以数据资源为基础，实现各数据资源的注册管理、服务接口、服务安全调用等功能。

（4）资源应用层。包括WEB 端应用和移动端应用，具有综合展示、查询、统计分析和预报决策等功能。

（5）用户层。包括新疆气象局、新疆农业气象台等相关单位，以及全疆各地区棉花行业的种植户、技术人员、企业等。

1.3 数据库建设

数据是服务平台的核心要素，棉花服务平台建设了以下9 类数据库。①新疆国家级气象站点实况数据库，包括各站点的名称、站号、坐标、温度、降水、湿度、气压、风向和风速等实时数据。②新疆区域气象网格数据库，包括精度为5 km×5 km 的温度、降水、湿度、风向和风速等实况数据，以及未来24 h、3 d 和10 d 的高低温、降水预报数据。③气象预警数据库，包括新疆各区域实时气象预警数据。④历史气象数据库，包括新疆过去30 年整编日、旬、月和年的平均温度、降水等数据。⑤农田小气候站点数据库，包括新疆不同区域农田小气候站点的土壤湿度、温度数据、棉田实景图片数据。⑥服务产品数据库，主要包括新疆农业气象台发布的各类棉花气象服务产品。⑦积温数据库，包括新疆各地过去30 年积温、该年积温及上年积温数据。⑧棉花气候适宜度评价数据库，该数据库基于网格气象数据及棉花适宜生长气象指标建立。⑨棉花气象灾害预报数据库，该数据库基于网格数据及棉花生长气象灾害指标建立。

2 核心功能

为保证数据的实用、准确、科学，棉花服务平台建设了监测预报、灾害预警、气候图表、棉田技术服务和我的棉田5 大核心功能。

2.1 监测预报

监测预报功能包含站点实况、预警信号、格点预报、棉田实景和土壤水分5 项子功能。①站点实况。以高德地图为底图，将新疆区域内66 个国家级气象站标记于地图上，点击各站点可展示该时次站点温度、湿度、降水、能见度和风向风速要素数据。②预警信号。在地图中以预警图标标记当前时间各地区已发布的预警情况，预警数据来源于新疆各县级气象局。③格点预报。点击新疆区域内任意点，可获取当前坐标内5 km×5 km 范围当前时次未来24 h 逐小时、未来3 d 的温度、湿度、风向风速和能见度要素的预报数据，以及未来10 d 每天的最高温、最低温和平均降水预报数据。④棉田实景。展示新疆区域各农田小气候站逐小时实景图片，以及田间小气候要素数据。⑤土壤水分。在新疆地图中标记各农田小气候站点，根据时次、土壤含水量及土壤相对湿度，进行数据的查询。

2.2 灾害预警

灾害预警功能包含预警评估及灾害预报两项子功能。①预警评估，展示由新疆农业气象台权威发布的未来一周棉花气象灾害预警评估内容。②灾害预报，全疆气象格点预报数据结合棉花气象灾害指标，以色斑图形式叠加于地图图层之上，可以直观显示新疆棉花气象灾害区域。

2.3 气候图表

气候图表功能数据取自1991—2020 年30 年整编气象数据，涵盖了日、旬、月和年的平均气温、降水、日照时长数据，以及每年的无霜期和积温数据。其中积温数据包含了有效积温和活动积温。该功能以图表的形式直观展示了历史气象数据变化，为气候分析、统计提供数据支持。

2.4 棉田技术服务

棉田技术服务功能为用户展示各类棉花气象服务产品，如棉花关键发育期预报、棉花生长气象条件评价、种植实用技术等。此外，棉花生长评价结合了格点预报与棉花生长适宜度指标，以色斑图形式叠加于地图图层之上展示，用户可直观了解新疆棉花生长适宜度区域划分。

2.5 我的棉田

我的棉田功能为移动端独有功能，基于手机GPS定位系统，为用户匹配当前定位地点的棉田气象实况、预报数据、气象灾害预警及生长适宜度等级信息。此外，用户可根据棉田经纬度录入棉田基本信息，以匹配以上气象数据。

3 关键技术

3.1 数据采集技术

近年来，中国气象局在新疆投入了大量的大气探测设备，先后建立了国家一级天气观测自动站、区域自动站、农田实景观测站数百个。这些气象站全天候地观测天气的变化，并将采集到的数据传输到各气象站，经过气象工作人员的核验校准，上报自治区信息中心汇总、入库。这些数据不仅对气象业务部门提高灾害性天气的监测能力有极大帮助，而且对各领域升级气象服务水平有极其重大的意义[8-11]。

3.2 大数据平台技术

棉花服务平台依靠的数据平台为“天擎”系统。“天擎”系统是中国气象局在全国气象系统推行的气象大数据云平台，是以“云＋端”为设计思路实现的“数算一体”的平台，改变了过去烟囱式的应用系统建设方式，各业务系统的输入输出数据均在“天擎”系统中进行统一集约化管理，算力靠近数据，数据不再冗余存储。“天擎”系统以数据为中心支撑各应用系统围绕数据结合算法和算力进行集约化运行，提升业务流程运行效率并节约系统资源。“天擎”系统通过以下关键技术满足发生变化的业务需求：一是采用分布式集群运行技术实现系统的动态可扩展；二是策略驱动设计实现系统的灵活性；三是实现多协议数据归档、敏感数据归档、转储数据归档的功能，满足多场景数据归档需求；四是提供丰富的数据回取服务接口，提升回取数据服务便捷性；五是归档数据全流程追溯和归档业务各环节数据量统计，保证数据归档的完整性和正确性；六是规范化的磁带管理，实现归档的磁带服务。

3.3 气象数据格点化技术

新疆地域辽阔，各地气候差异巨大，为了得到精细化的气象要素空间分布情况，借助地理信息系统在全疆范围进行网格化，处理设置大小为 5 km×5 km 的正方形网格点，每个气象监测站都落在某个网格内。此外，建立气象要素与地理因子（海拔、 经度、纬度）三维二次模型，进行气象要素的细网格推算，每个网格的气象要素模拟值由相邻的几个监测站的监测值计算出来，通过插值算法，全疆范围内每个网格点都拥有一组气象数据，从而获得全疆气候资源精细化空间分布。

3.4 灾害与生长适宜区域划分

基于网格点气象数据、棉花灾害与生长适宜气象指标，借助地理信息系统对数据进行挖掘、分析和应用有重要意义。通过分析棉花对气象条件的生长需求及灾害条件，结合气温、积温、无霜期、高温和低温等数据，将新疆棉花种植区域分为适宜、次适宜和不适宜3 个等级。根据灾害程度将新疆棉花种植区分为重度、中度、轻度和无灾害4 个等级。以数据指标为依据，借助全疆气象网格化模型，计算出各网格棉花适宜区域和灾害等级，并将每种等级对应一种色标，叠加渲染在地图上，得到新疆每时次棉花灾害与生长适宜区域划分图。基于该功能，棉花行业管理者和技术人员可在各区域进行棉花相应的扩种或减种，合理调整种植比例，科学指导当地棉花生产。

4 服务应用与实践

4.1 北疆棉区霜冻灾害情况分析

利用格点化技术结合棉花霜冻指标，分析了北疆棉区霜冻发生情况，结果如表1 所示。近30 年北疆棉区终霜冻共发生330 次，其中轻霜149 次、中霜98 次、重霜83 次。从年均发生次数看，轻霜，博州棉区发生最多，为0.60 次/年；塔城棉区次之，为0.50 次/年，石河子棉区最少，为0.34 次/年；中霜，石河子棉区最多，为0.35 次/年；重霜，石河子棉区最多，为0.31 次/年，博州棉区最少，0.15 次/年。北疆棉区春季霜冻灾害主要分布在天山北坡，特别是塔城地区南部、石河子地区东部及南部，昌吉州南部、博州东部属于高等级终霜冻灾害区域。塔城地区中部、石河子地区中部，昌吉州地区北部，博州地区中部均属较高等级危险，其他地区属于较低等级或低等级。

表1 北疆棉区春季霜冻年均发生次数Tab.1 Annual average frequency of spring frost in cotton region of northern Xinjiang

4.2 北疆棉区大风灾害情况分析

利用格点化技术结合棉花大风指标，分析了北疆棉区大风灾害发生情况，结果如图2 所示。北疆棉花各站点中，大风发生天数较高的是精河县和呼图壁县，近30 年精河县平均发生14 d，呼图壁县平均8 d，其余站点为1～7 d。石河子棉区大风日数年平均2～4 d，除沙湾市乌兰乌苏镇大风日数呈减少趋势外，其他均呈不同程度增加趋势，大风日数的峰值出现在2012 年，沙湾市炮台镇5 d、莫索湾垦区20 d、石河子市4 d，大风日数发生较高的是莫索湾垦区，其次是乌兰乌苏镇、石河子市、炮台镇。昌吉州棉区除玛纳斯县外，其他地方均呈不同程度增加趋势，近30 年玛纳斯县平均3 d、昌吉市平均7 d、呼图壁县平均8 d，大风发生较高的是呼图壁县，其次是昌吉市、玛纳斯县。博州棉区近30 年均呈减少趋势，博乐市平均2 d，精河县平均14 d。从空间看，北疆西北部是大风强度的高值区，主要集中在博州棉区、塔城南部棉区、昌吉州西部棉区。

图2 石河子、昌吉州、博州、塔城棉区大风日变化趋势Fig.2 Daily variation trend of strong winds in cotton areas of Shihezi，Changji，Bozhou and Tacheng

5 结束语

棉花服务平台整合了多种功能的大数据系统，建设了集气象实况、预报、预警、气候数据、灾害及适应区划等为一体的全方位多角度棉花气象数据库，实现了棉花动态生长与相关气象数据的存储与应用，兼顾信息资源整合、数据共享、数据分析等功能。具有良好的兼容性、迭代性与高效性。服务平台打破了传统的气象为农服务模式，将用户需求与气象信息无缝隙匹配，实现面向农户“一对一”的智慧气象服务，满足现代农业精细化服务需求，有效提升气象为农服务的智慧化水平。未来仍需对平台继续改进优化，进一步挖掘用户需求，打造更加精准、实用的棉花气象服务平台。