临安山核桃气象灾害精细化预警系统开发和应用

罗健琛 王懿伟 蒋慧峰 郭宝光 薛春 胡玉林

摘要：全球气候变化导致极端天气频发，给临安地区的山核桃生产带来巨大风险，准确的农业气象灾害预报信息有助于临安区采取针对性的防御措施。本文阐述了临安区山核桃气象灾害预警系统的设计原理和系统结构框架，该系统自2022年上线试运行以来，已自动触发6次预警，为临安地区山核桃生产防灾减灾工作发挥了重要作用。

关键词：智慧农业；气象灾害；精细化预警系统；山核桃；临安；信息发布

近年来，美国、加拿大等国采用植被状态指数（VCI）和温度状态指数（TCI）方法进行监测和预报[1]，

国内气象部门建立了农业气象灾害的指标体系和监测评估业务流程[2]。然而，极端天气频发，传统的预警服务模式难以满足农业防灾减灾需求[3]，迫切需要预警技术更新。

山核桃既是我国重要的经济树种，又是优质的用材树种[4]。山核桃干仁含油率高达69.8%～74.01%，是含油率最高的树种之一[5]，富含的蛋白质，可以作为一种预防疾病的药物[6]。目前，临安区的山核桃产业稳定发展，核桃面积约为3.8万hm2，产量约为1.5万t[7]，全产业链产值达37亿元，临安区的山核桃产量、加工和销售常年居全国首位。近年来，临安区的山核桃产业得到政府和林業部门的重视，通过提质增效和创新，推动了山核桃产业的可持续发展。然而，由于地貌复杂、气候多变等原因，山核桃产量和质量波动，亟需综合评价环境条件和气象预警手段以提高山核桃产业的稳定性。

山核桃的生长和发育受温度、降水和光照的影响[8]。

温度直接影响山核桃的生长和开花结果，在花期和幼果期尤为重要。适宜的温度有利于花芽分化、开花和果实发育，而过高或过低的温度可能导致花芽受损、花粉活力下降，进而影响山核桃的花期生育过程。降水则在果实发育阶段发挥重要作用，足够的降水可以促进果实膨大和品质提升。另外，山核桃是喜光的喜光树种，生长期的光照强度对树体生长、花芽分化和开花结果都有重要影响。山核桃的生产及产量易受到气象灾害的严重影响，当发生极端气候事件时，如冰雹、冻害、干旱或强风暴等，会严重影响山核桃树的生长和果实发育，导致减产甚至歉收[7]。如2022年7月

1日—8月10日，临安高温天气36 d，导致山核桃果实饱满度从80%下降到60%。因此，构建针对山核桃的气象灾害预警系统迫在眉睫，对种植山核桃的农民收入和经济稳定都具有重大意义。

为此，本试验基于温度、降水和光照等关键气象因子构建了山核桃精细化气象灾害预警模型，并相应地建立了山核桃气象灾害预警系统。通过资料分析、专家咨询和数据库构建，明确了预警条件和流程，系统运营1年后，通过反馈进行效果评估，具体流程如该系统已于2022年在农户、农业农村部门、农业专家间逐渐展开应用，实现对作物和区域的农业气象灾害预警，并提前通知生产主体。本研究构建的系统可向农业农村部门提供灾害预警信息，辅助专家决策，对提升农业防灾减灾水平、促进农业经济发展、推动生态友好型发展等方面具有重要意义。

1 设计原理及内容

1.1 基于专家经验的山核桃关键气象影响因子分析

在该预警系统中，主要针对影响山核桃生长的重要气象因素进行预警，因此在构建预警模型时，需要考虑灾害类型、发生时段等方面，如图2所示。

大量研究表明，温度[8]、降水和日照[9]是影响山核桃生长的重要因素，分别在山核桃的不同时期对山核桃的展叶、开花和结果产生重要影响。山核桃生长期关键时段为4月11日—5月10日，属于展叶期、花期至开花坐果期，易受低温冻害影响，短时间降温会造成局部落花落果，长时间可能导致冻害，遭遇大范围倒春寒甚至会绝收。山核桃的授粉期为4月11日—5月20日，连续低温阴雨可能导致授粉不良，降低坐果率，影响土壤的干燥程度，不利于生长和结果。7月11日—8月25日是山核桃的果实灌浆期和成熟期，持续高温干旱导致树叶受损、果实品质下降，严重时可导致树体死亡，同时也会影响土壤的性质，持续影响树体。7月—10月可能有台风袭来，对采收期有直接影响，可能引发洪水等灾害，造成产量损失。养分积累期为9月11日—11月30日，持续干旱可能导致叶片早衰、提前落叶，限制养分供应。这些因素综合影响山核桃生产，主要分为秋旱、台风、伏旱、低温霜冻和连阴雨，本研究针对这5项主要气象灾害构建预警模型及系统。

1.2 山核桃主要气象灾害预警模型

针对早春霜冻、授粉期连阴雨、伏旱、秋旱、台风这5项主要气象灾害建立了预警模型，包括发生时段、灾害等级、灾害触发条件、灾害解除条件等。（1）早春霜冻灾害预警模型系统1日最低气温≤4℃为触发条件，以当日及后2 d连续3 d的日最低气温都＞4℃时为解除条件。以日最低气温作为判断指标，满足解除条件则发布预警解除通知。（2）授粉期连阴雨灾害预警模型。以预测的日降雨量作为判断指标，当气象监测到连续5 d，日降雨量≥0.1 mm时会触发连阴雨预警；只有连续2 d的日降雨量＜0.1 mm才会解除预警。（3）伏旱灾害预警模型系统以连续15 d日降雨量＜0.5 mm为触发条件，前2日和当日连续3 d的日降雨量都≥0.5 mm为解除条件。每天8∶00刷新和判断1次，当过去连续10 d的实况日降雨量＜0.5 mm，且气象格点数据预测到未来连续5 d的日降雨量＜0.5 mm，则触发预警。如果气象条件满足解除条件，则发布预警解除通知[10]。（4）台风灾害预警模型系统以气象部门发布台风蓝色及蓝色以上预警为触发条件，气象部门发布解除台风预警信息为解除条件，与气象部门同步。（5）秋旱灾害预警模型系统以连续20 d日降雨量＜0.5 mm为触发条件，以前2 d和当日连续3 d的日降雨量都≥0.5 mm为解除条件。每天8∶00刷新和判断1次，当过去连续15 d的实况日降雨量＜0.5 mm，且气象格点数据预测到未来连续5 d的日降雨量＜0.5 mm，则触发预警。气象条件满足解除条件则发布预警解除通知。

2 系统结构框架

2.1 系统介绍

2013年杭州市气象局建立了重大气象灾害预警信息全网发布系统，能够实现10 min 内启动绿色通道，20 min内完成数字电视全频道發布和手机短信分区域发布、6 h 内完成手机短信全区域发布[11]。基于这一实践，针对临安区主导作物山核桃，建立了农业气象灾害预警机制，将气象预报与灾害指标结合，实现了及时气象灾害预警。该模型融合农业生产、气象预报和信息技术，核心功能是预警触发和解除算法，包括灾害等级、触发条件、规则、信息发送、防御措施建议，以及解除条件和通知，避免资源浪费。

2.2 山核桃主要气象灾害预警系统管理平台

将山核桃气象灾害预警模型利用系统管理平台进行管理配置，将规模种植主体所在村与气象站点数据进行就近匹配，实现差异化精准预警。建立待测地区中山核桃种植基地的基地信息数据库，并按照就近原则对基地进行气象站点的匹配，分别建立对应关系；基于气象站点收集种植基地的第一气象数据，代入气象灾害数据库中按照预设触发规则进行比对，判断是否满足预警触发条件，满足则根据第一气象数据确定对应的基地并通过基地信息数据库获取相应的联系人方式对基地联系人发送气象灾害预警信息。将气象站点与山核桃基地按照地理位置就近匹配，对一个地区中所有的山核桃基地可同时进行差异化精准预警。

2.3 专家审核和短信触发移动端

专家可通过浙政钉移动端小程序，审核每天系统触发的灾害预警并进行短信触发操作，使相关农业主体及时收到短信提醒，并根据专家建议提前采取措施防御灾害。该系统对此的实现方式分为通过浙里办推送给影响区域内主体、通过气象局通知平台推送给区域内村干部，以及通过浙政钉推送给农技推广中心的产业专家。专家根据这些气象灾害预警信息和专业知识进行综合判断，如果灾害影响较轻，则在预警处置中做出不推送短信的操作，专家根据实际情况做农业指导；如果灾害影响明显，则选择发送短信通知给规模主体，内容包含详细的灾害预计发生时间、等级、危害和防御措施。通过这些信息和数据支持，专家能够更及时准确地掌握农业气象灾害发生情况，从而更精准地开展灾前灾后的调查和技术指导。

3 结论

基于大数据和专家预测技术，通过对大量数据进行分析检索，构建了一整套完善的基于临安气象数据灾害预警系统。该系统通过数字农业技术和气象数据的综合分析，能够准确预测山核桃生长关键期内的气象灾害，及时预警气象灾害信息，帮助临安山核桃种植户更好地采取有效措施来减少灾害损失，提高农业产业适应气候变化的能力，保障临安区山核桃产业的生产稳定和可持续发展。

参考文献

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[4] 中国气象局与农业农村部加强联合进一步做好农业气象灾害风险预警[Z].2022-02-14.

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[11] 叶春.重大气象灾害预警信息全网发布系统特点分析[J].浙江气象，2015，36（3）：23-25.