楊昆

（臨沂市氣象局，山東臨沂276004）

科技的高速發(fā)展和我國城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，加速了我國農(nóng)業(yè)從“小農(nóng)經(jīng)濟”向“農(nóng)業(yè)控股企業(yè)成為組織現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主體”發(fā)展的轉(zhuǎn)型，在改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織方式的同時，提升農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新水平才能進一步增大國內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量與國際市場競爭力[1-2]。但我國幅員遼闊，農(nóng)業(yè)的發(fā)展又離不開光、水和熱等氣象因素，同時，由于我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)尚處于發(fā)展階段，每年都有大量農(nóng)作物因氣象災(zāi)害的影響總體產(chǎn)量下降。為此，急需進一步加強氣象技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[3-5]，根據(jù)氣象預(yù)測結(jié)果，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出更加合理的組織和安排，以減少氣象災(zāi)害帶來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失。

針對氣象技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者都有過相關(guān)的研究[6-8]。文獻[9]針對主要農(nóng)產(chǎn)品的災(zāi)害指標，設(shè)計了一套完整的監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的快速感知。文獻[10]針對山南地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣象預(yù)警結(jié)構(gòu)進行分析，介紹了該系統(tǒng)的相關(guān)功能，為農(nóng)業(yè)預(yù)警提供了很好的技術(shù)支持。文獻[11]基于B/S開發(fā)了農(nóng)業(yè)氣象綜合服務(wù)平臺，為四川省農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供了技術(shù)指導(dǎo)。文獻[12]從智能劃分和農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測等角度分析了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)技能的提升和應(yīng)用。文獻[13]分析了農(nóng)業(yè)信息服務(wù)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。文中基于氣象技術(shù)設(shè)計了一套農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測預(yù)警及服務(wù)平臺，通過平臺的建設(shè)為農(nóng)業(yè)氣象提供可靠的服務(wù)。

1 我國農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)現(xiàn)狀

氣象技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用體系已經(jīng)建立并逐漸得到完善，主要表現(xiàn)在氣象監(jiān)測、災(zāi)害性天氣預(yù)警、農(nóng)業(yè)氣候資源分析和專項技術(shù)服務(wù)等幾個方面[14-16]。

1.1 氣象監(jiān)測

當前，我國已經(jīng)創(chuàng)建了集衛(wèi)星技術(shù)、氣象監(jiān)測站和農(nóng)業(yè)氣象試驗站等多位一體的農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測系統(tǒng)，并得到成功應(yīng)用。通過氣象監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時掌握氣象環(huán)境中的濕度、溫度、風速、光照度和降雨量等參數(shù)。圖1為風云三號氣象衛(wèi)星所攜帶的微波濕溫探測儀監(jiān)測到的臺風。從圖1中可以清楚地看到臺風的位置和臺風鳳眼的具體結(jié)構(gòu)等信息。

圖1 氣象衛(wèi)星綜合監(jiān)測

圖2為農(nóng)業(yè)氣象綜合監(jiān)測儀器。通過監(jiān)測獲取的氣象數(shù)據(jù)，人們可以合理安排農(nóng)業(yè)活動，降低資源浪費并提高了產(chǎn)量。與此同時，累積的氣象數(shù)據(jù)可以作為大數(shù)據(jù)，通過對其分析可以進一步合理安排當?shù)胤N植農(nóng)作物的種類、播種時間等。

圖3為風云三號衛(wèi)星中微波濕溫探測儀的電機電流圖。從圖2可以看出，電機在開始階段是不穩(wěn)定的，會出現(xiàn)電流起伏不定的狀況，之后電流會穩(wěn)定在0.3 A 附近。長期來看，衛(wèi)星中微波濕溫探測儀能夠穩(wěn)定的工作，為全球農(nóng)業(yè)氣象提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

圖2 農(nóng)業(yè)氣象綜合監(jiān)測儀器

圖3 FY-3C/MWHTS長時間序列電機電流圖

1.2 災(zāi)害性天氣預(yù)警

突如其來的強降雨、冰雹、大風等災(zāi)害性天氣會對農(nóng)作物造成很大的破壞，如圖4所示，大雨淹沒了即將收獲的蔬菜，冰雹砸毀了農(nóng)民莊稼等，使辛勤勞動一年的人們顆粒無收，這給農(nóng)民乃至國家?guī)砹穗y以預(yù)估的損失。因此對科研工作者提出了迫切的需求，積極開展災(zāi)害天氣預(yù)警機制[17-19]，用氣象技術(shù)盡可能提前預(yù)測到惡劣天氣的到來，使相關(guān)工作者與農(nóng)業(yè)從事著提前做出應(yīng)對措施，降低災(zāi)害天氣對農(nóng)作物造成的有害影響，保護農(nóng)民及國家的財產(chǎn)。

圖4 災(zāi)害性天氣

1.3 專項技術(shù)服務(wù)

專項技術(shù)服務(wù)為農(nóng)民提供常規(guī)農(nóng)作物的針對性技術(shù)指導(dǎo)工作，詳細傳授農(nóng)作物在各個生長階段對陽光、水等氣象條件的需求，并根據(jù)相應(yīng)需求的氣象指標，為農(nóng)民詳細講解關(guān)于抗旱、抗低溫與防霜等的技術(shù)與措施，并完善氣象預(yù)警工作體制，以便農(nóng)民提前做好防御準備。

2 氣象災(zāi)害分析

在對氣象技術(shù)應(yīng)用的過程中，需要詳細地對氣象災(zāi)害進行定量分析和評估，其中主要是對致災(zāi)因子進行分析。致災(zāi)因子分析主要是通過研究一定區(qū)域內(nèi)自然災(zāi)害發(fā)生的概率、重復(fù)出現(xiàn)的概率以及其對人類生產(chǎn)和生活帶來的影響[20]。

文中選擇灰色系統(tǒng)理論來分析氣象災(zāi)害的致災(zāi)因子，通過計算灰色關(guān)聯(lián)度來判定氣象致災(zāi)因子。其主要的步驟如下：

1）數(shù)據(jù)的無量綱化

文中采用Z分數(shù)標準化法對序列進行無量綱化處理，如式（1）所示：

式中，x′i(k)、xi(k)、xi(l)分別為無量綱化后的序列、原始序列、序列的初值。i、k分別為序列的數(shù)量、不同序列具體的序列個數(shù)。

2）指標逆化

假定xi(k)、xo(k)分別為比較序列和參考序列，則：

倒數(shù)化如式（3）所示：

3）求差序列

求差序列如式（4）所示：

4）兩級的最大差和最小差

兩級的最大差和兩級的最小差如式（5）、式（6）所示：

5）求灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中，ρ為分辨系數(shù)。該系數(shù)的引入主要是為了能夠讓關(guān)聯(lián)系數(shù)之間出現(xiàn)更加大的差異。通過對各個時間段關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值來分析序列間的關(guān)聯(lián)程度。

3 基于氣象技術(shù)的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)平臺建立

3.1 建設(shè)雷電監(jiān)測預(yù)警體系

若農(nóng)業(yè)對突發(fā)性天氣無法做出合理的應(yīng)對，將會對勞動者以及國家?guī)順O大的損失，因此運用科學(xué)的氣象技術(shù)建立氣象監(jiān)測預(yù)警體系十分必要。將氣象衛(wèi)星、雷達和地面的觀測資料整合在一起所形成的云分析系統(tǒng)可以最大程度上縮短spin-up 時間，從而改進模式云和降水預(yù)報的時間。

云分析系統(tǒng)的主要功能模塊如圖5所示。其主要的工作原理是雷達通過波段的強度對空間內(nèi)一定范圍內(nèi)進行篩選，特定篩選結(jié)束后可以得到可視的氣象資料。

圖5 LAPS功能模塊示意圖

我國現(xiàn)階段的雷電監(jiān)測系統(tǒng)有很多，例如對雷電監(jiān)測，使用閃電定位儀、多普勒天氣雷達（新一代）等先進儀器對雷電進行監(jiān)測，更加高效準確地捕捉雷電的蹤影，經(jīng)特定的儀器采集并傳輸?shù)娇蒲泄ぷ髡呤掷?，并?jīng)科學(xué)的方法對采集信息進行處理，判斷雷電出現(xiàn)的概率，雷電的破壞力度等級，并給出預(yù)警及相應(yīng)的處理措施方案，及時傳遞到勞動者手里，做好預(yù)防工作，極大程度上避免損失。雷電氣象突害預(yù)警系統(tǒng)框架如圖6所示。

圖6 雷電氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)框架

3.2 強化農(nóng)氣監(jiān)測與傳播能力

針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，創(chuàng)建有高度科技含量的氣象觀測站網(wǎng)，依據(jù)各地氣象條件，深化有效的區(qū)域性觀測站布局，強化農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測力度，以大量的氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)，創(chuàng)建合理的數(shù)學(xué)模型與仿真模擬，提出完善的氣象指標與預(yù)警閾值。應(yīng)用現(xiàn)有覆蓋面最廣泛的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將科研工作者的氣象信息及時高效地發(fā)布出去，使氣象技術(shù)更好地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)平臺[21-23]功能框架如圖7所示。

圖7 農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)平臺框架圖

4 氣象技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中應(yīng)用的對策

4.1 提高農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測能力

健全氣象觀測設(shè)施，爭取做出全面輻射的氣象站網(wǎng)，及時準確地監(jiān)測各地氣象情況，并針對不同農(nóng)作物，給出其特色的氣象指標，在農(nóng)作物從播種到發(fā)芽，再到收獲的各個生長環(huán)節(jié)做到特色監(jiān)測，發(fā)揮各地不同氣象的特色，針對本地特色播種適應(yīng)其氣象條件的農(nóng)作物，不但需做好對氣象監(jiān)測，還要科學(xué)地利用氣象條件，發(fā)揮其特色優(yōu)勢[24]。

4.2 改進預(yù)報方法并提升預(yù)測準確率

在完善的氣象監(jiān)測體系下，要充分發(fā)揮其優(yōu)勢，做到全面全方位監(jiān)測的同時，整合監(jiān)測數(shù)據(jù)，以科學(xué)手段，改進氣象預(yù)報的方法，研究更準確的農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報系統(tǒng)。緊緊地依托農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準化栽培技術(shù)，研究基于氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)、農(nóng)作物生長規(guī)律的農(nóng)用天氣預(yù)報技術(shù)，制定符合各地方特色的氣象指標來指導(dǎo)農(nóng)業(yè)的更好發(fā)展，開發(fā)面向多重區(qū)域、多種作物種類、針對多種農(nóng)業(yè)氣象問題的定量化農(nóng)用天氣預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品。

4.3 加強科學(xué)研究及農(nóng)業(yè)氣象信息傳播

統(tǒng)計各年的農(nóng)產(chǎn)品豐收情況，研究與產(chǎn)量有關(guān)的氣象影響等指數(shù)的作物產(chǎn)量動態(tài)預(yù)報技術(shù)。加強氣象技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)，重視科技研發(fā)，開展農(nóng)作物從播種到收獲各時期相應(yīng)的氣象影響因素觀測試驗，分析氣象條件和農(nóng)作物產(chǎn)量之間的關(guān)系，建立作物全生長周期的模擬模型[25]。并要加大氣象傳播力度，建立基于專業(yè)氣象部門、農(nóng)村氣象服務(wù)站、農(nóng)民手機客戶端的綜合性信息發(fā)布以及傳播平臺，實現(xiàn)多重農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)信息以及災(zāi)害性天氣的實時更新，并做到全覆蓋、高效率的傳播。

武漢農(nóng)業(yè)氣象研究機構(gòu)很早就依靠氣象監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對全省范圍內(nèi)的降雨進行了監(jiān)測，主要儀器包括：地基GPS[10]、微波輻射針、GPS 移動探測系統(tǒng)等。通過固定設(shè)備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，可以初步獲得一定的農(nóng)業(yè)氣象信息。這些信息包含梅雨時節(jié)的云中溫度、水汽、云等。

我國已建成的農(nóng)業(yè)氣象雷達主要包括C 和S波段。新一代的雷達監(jiān)測系統(tǒng)通過仰角數(shù)和掃描時間由掃描方式規(guī)定。表1為多普勒天氣雷達體掃方式。

表1 多普勒天氣雷達體掃方式

5 結(jié) 論

農(nóng)業(yè)發(fā)展和氣象條件密切相關(guān)，運用科學(xué)的手段研究農(nóng)業(yè)氣象至關(guān)重要。文中闡述了農(nóng)作物生長全周期過程中的氣象監(jiān)測體制，制定與其對應(yīng)的氣象指標，根據(jù)該指標指導(dǎo)農(nóng)民勞作；并提出健全的雷電等災(zāi)害性天氣的預(yù)警平臺，及時高效地傳遞氣象信息，使人們提前做出應(yīng)對措施，減少損失；并建立了農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)平臺，收錄各地歷年氣象信息，除了監(jiān)測預(yù)警外，還為農(nóng)業(yè)日常耕種提供有利的信息與技術(shù)指導(dǎo)。