佟鋼 劉忠梅

摘要 農(nóng)業(yè)氣象災害是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的重要因素之一。干旱、低溫冷害、寒害、洪澇等是最常見的農(nóng)業(yè)氣象災害?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)提倡通過加強農(nóng)業(yè)氣象觀測來監(jiān)測氣象變化，分析和預測農(nóng)業(yè)氣象災害，為相關(guān)部門指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和應對農(nóng)業(yè)氣象災害提供可靠依據(jù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全。主要闡述了農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了農(nóng)業(yè)氣象災害指標，探討了農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)研究，為農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警模式的創(chuàng)新和監(jiān)測預測技術(shù)的推廣應用提供一些參考。

關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)氣象災害；遙感監(jiān)測；地面監(jiān)測；數(shù)理統(tǒng)計預報；監(jiān)測預警模式

中圖分類號：S421 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）02–0055-03

我國東西橫跨經(jīng)度廣，南北緯度跨度大，地形高低起伏，高原、山地、沙漠等土地中有一大部分土地不適合耕作，可適用農(nóng)業(yè)耕作的土地有限，且每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受氣象災害影響較大，導致農(nóng)作物減產(chǎn)，甚至絕收。在有限的耕作土地上，為了確保國家糧食安全，我國必須在發(fā)展農(nóng)作物高產(chǎn)栽培技術(shù)的基礎(chǔ)上，做好農(nóng)業(yè)氣象災害的預測與防范工作。農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)是推動農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。國內(nèi)遙感技術(shù)、地面監(jiān)測技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等高新科技的發(fā)展為農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測預測研究提供了技術(shù)支持。近些年，國家加快了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)與發(fā)展規(guī)劃。基于農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的需求，農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)成為近幾年農(nóng)業(yè)氣象服務領(lǐng)域研究的熱點課題，對創(chuàng)新農(nóng)業(yè)氣象服務模式、提高農(nóng)業(yè)氣象服務水平和指導農(nóng)業(yè)科學、安全、可靠生產(chǎn)有重要意義。

1 農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

國外在農(nóng)業(yè)氣象預警方面以GTS系統(tǒng)為依托，應用AIAA、ProQuest、IEEE等數(shù)據(jù)庫技術(shù)和衛(wèi)星平臺打造軟件系統(tǒng)+專業(yè)情報服務為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)氣象預警服務系統(tǒng)。在農(nóng)業(yè)氣象服務科技研究方面，國外以作物模型的研究最具代表性。進入21世紀以來，國外許多農(nóng)業(yè)氣象學家、氣候?qū)W家都致力于研究作物模型與氣候模式融合預測農(nóng)業(yè)氣象災害的模式。目前，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛應用的作物模型有CERES、GROPGRO、DSSAT、AquaCrop、AgrometShell等。

作物模型成果研究的目的是為了開發(fā)服務于作物產(chǎn)量預測評估的系統(tǒng)或模式。以WOFOST為例，該模式被開發(fā)后應用于作物生長檢測系統(tǒng)，它的應用為作物生長檢測系統(tǒng)功能的拓展提供了新的可能，使農(nóng)業(yè)氣象服務真正地面向生產(chǎn)者，為生產(chǎn)者提供日常的農(nóng)業(yè)氣象服務。WOFOST模式目前已在歐盟國家得到普遍應用。歐洲聯(lián)合研究中心通過每月監(jiān)測的作物生長及其相關(guān)信息進行大數(shù)據(jù)整合分析，預測分析農(nóng)業(yè)氣象，并向歐洲地區(qū)發(fā)布作物生長監(jiān)測預測公報，公報內(nèi)容包括氣候改換、農(nóng)業(yè)氣象條件分析、衛(wèi)星遙感檢測結(jié)果、作物產(chǎn)量預測等，指導歐盟國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。

1.2國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)雖然起步較晚，但發(fā)展速度較快。進入21世紀，我國農(nóng)業(yè)氣象服務先后在可見光—紅外線、熱紅外、微波遙感技術(shù)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測，以及干旱指標、低溫冷害指標、寒潮指標、洪澇指標等方面取得了較為顯著的研究成果。國內(nèi)研究著主要側(cè)重于某一地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測與預測技術(shù)的研究，研究成果在特定區(qū)域內(nèi)具有較好的適應性，但在全國范圍內(nèi)的適用性受到一定的限制。近些年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、各類智能傳感器等在農(nóng)業(yè)氣象服務領(lǐng)域的融合性應用，國內(nèi)農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)數(shù)字化、智能化特征日益顯著。在農(nóng)業(yè)氣象災害預測預警模式方面，近2年來，以數(shù)理統(tǒng)計方法、GIS技術(shù)、農(nóng)業(yè)氣象智能監(jiān)測為基礎(chǔ)的數(shù)理統(tǒng)計預測預警模式、GIS精準預測預警模式和農(nóng)業(yè)氣象災害綜合性預測模式應用較為廣泛[2]。在農(nóng)業(yè)氣象災害預測預警實踐方面，綜合性模式的應用能夠更加全面、可靠地反映氣象災害相關(guān)信息，利于相關(guān)部門及農(nóng)戶更加精準、及時地了解農(nóng)業(yè)氣象災害的發(fā)生范圍和危害程度，對提早預防農(nóng)業(yè)氣象災害，開展相關(guān)防范服務提供了決策指導。

2 農(nóng)業(yè)氣象災害指標

2.1 干旱指標

干旱指標常用于旱情的描述，指干旱程度的特征量。在農(nóng)業(yè)氣象研究中，可通過對干旱指標的度量、對比、綜合性分析等來評價干旱程度、范圍。目前，國內(nèi)外關(guān)于干旱指標的評價有50余種。最常用的干旱指標有標準化降水指數(shù)、降水距平百分率、降水Z指數(shù)、相對濕潤度指數(shù)、K指數(shù)、CI指數(shù)、Palmetr指數(shù)等。

標準化降水指數(shù)是國際上應用最廣泛的評價干旱的指標。我國西北地區(qū)主要用標準化降水指標評價干旱，能夠較為準確地反映同一地區(qū)不同時間尺度下的干旱程度。應用標準化降水指標評價干旱時，需重點考慮氣溫、蒸發(fā)量等因素對區(qū)域性干旱的影響。在干旱地區(qū)，由于蒸發(fā)量較大、氣溫較高，采用標準化降水指標研究干旱難以準確地分析降雨與氣候平均狀況時的干旱關(guān)系，也難以用前期的干旱持續(xù)時間分析對后期干旱程度及范圍的影響。范嘉泉等[3]在甘肅平?jīng)龅貐^(qū)以Palmetr指數(shù)研究當?shù)馗珊登闆r，研究表明Palmetr指數(shù)在西北旱情較輕地區(qū)反映較為敏感，在蒸發(fā)量較大、干旱強度較大的地區(qū)反映最敏感，對干旱程度的描述更為準確，但對降水反映不敏感。王芝蘭等[4]以廣義極值分布理論為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了干旱指數(shù)Ｋ指標，并將該指標應用于西北地區(qū)干旱程度、范圍的評價中，結(jié)果表明Ｋ指標對該地區(qū)春季干旱監(jiān)測反饋結(jié)果較為準確，在其他季節(jié)K指標對干旱的監(jiān)測存在著頻率偏大或偏小、等級偏重或偏輕等結(jié)果差異。降水距平百分率則只能反饋某一段降水在同時期內(nèi)的狀態(tài)偏離程度。從現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)發(fā)展需求而言，標準化降水指數(shù)、K指數(shù)、降水距平百分率等干旱指標在評價干旱時存在一定的局限性。

2.2 低溫冷害指標

低溫冷害指作物生長發(fā)育過程中熱量不足而表現(xiàn)出的一種農(nóng)業(yè)氣象災害，常用溫度距平或積溫距平來反映。低溫冷害在東北地區(qū)發(fā)生率較高。根據(jù)對東北地區(qū)相關(guān)研究顯示[5]，東北5—9月以平均溫度和距平值作為低溫冷害等級評價指標。東北地區(qū)5—9月低溫冷害指標為零下1.3 ℃，嚴重低溫冷害指標為零下3.3 ℃，其中吉林省大豆產(chǎn)量與5—9月氣溫呈線性關(guān)系。這也進一步說明低溫冷害對糧食作物產(chǎn)量的影響。孫玉亭等[6]在東北區(qū)糧食產(chǎn)量與5—9月溫度關(guān)系的基礎(chǔ)上建立了一套低溫冷害等級指標，以平均溫度、負距平來評價冷害年指標，確定一年中地區(qū)發(fā)生的冷害等級和冷害危害程度。王書裕[7]將積溫差小的指標低溫冷害定義為≥10 ℃的活動積溫且比一般年份少50 ℃·d；較一般年份少100 ℃·d的定義為嚴重低溫冷害年。潘鐵夫[8]以作物生育期總積溫比歷年平均值少100和少200 ℃·d分別作為評價低溫冷害和嚴重低溫冷害的指標。全國各地不同時段氣候存在差異性，低溫冷害評價方法和過程雖然存在差異性，但積溫指標是作為各地低溫冷害監(jiān)測預測及危害程度評價的重要指標。

2.3 寒害指標

寒害在我國華南地區(qū)和北方地區(qū)發(fā)生率較高，但發(fā)生類型不同。華南地區(qū)主要受害作物為蔬菜、亞熱帶或熱帶經(jīng)濟林果、漁業(yè)等。北方地區(qū)主要受害作物為玉米、水稻、棉花，以西北、東北玉米寒害發(fā)生最為典型。在空間上，全國冷害具有地區(qū)一致性特征，以東北地區(qū)最為明顯。此外，東北、西南地區(qū)和西北、東南地區(qū)在寒害發(fā)生空間上均呈現(xiàn)出反向型特征。黃朝榮[9]采用立式研究法對廣西現(xiàn)澆寒害溫度指標進行分析，研究結(jié)果表明溫度與香蕉產(chǎn)量有著緊密的關(guān)系。張蕾等[10]以海南地區(qū)的州縣發(fā)生的寒害災情、瓜菜面積和產(chǎn)量、氣象要素等為研究對象，分析了瓜菜生物學特性與寒害致災等級的關(guān)系，建立了相關(guān)的寒害等級評價指標。

2.4 洪澇指標

洪澇災害的監(jiān)測預警是近些年才發(fā)展起來一條技術(shù)體系，其技術(shù)核心是遙感監(jiān)測技術(shù)。國內(nèi)主要通過遙感監(jiān)測預警終端來評價和分析洪澇災害，并對其進行預警。遙感監(jiān)測終端通過物聯(lián)網(wǎng)與各類水資源計量或遠程信息采集設(shè)備相關(guān)聯(lián)，來獲取水位、雨量、溫濕度、圖像等信息。信息采集端將自動采集的信息上傳至管理平臺，平臺系統(tǒng)支持大數(shù)據(jù)分析，通過對各項相關(guān)指標的綜合分析來判斷監(jiān)測區(qū)域內(nèi)在特定時段是否存在水位異常等情況。當系統(tǒng)自動監(jiān)測到實際洪澇指標超過系統(tǒng)設(shè)定的安全指標后將根據(jù)系統(tǒng)顯示的洪澇災害等級自動觸發(fā)報警功能，警示洪澇安全，為洪澇防災減災決策提供科學依據(jù)。

3 農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)

3.1 研究對象與任務

農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)研究的對象是農(nóng)業(yè)氣象及農(nóng)業(yè)氣候資源，研究內(nèi)容較多，內(nèi)容不同，研究任務目標也不同。目前，研究最多的內(nèi)容如下：（1）農(nóng)業(yè)氣象觀測和探測；（2）農(nóng)業(yè)氣象基礎(chǔ)理論研究；（3）農(nóng)業(yè)氣象信息服務；（4）農(nóng)業(yè)氣象減災與防災；（5）農(nóng)業(yè)氣候資源開發(fā)；（6）農(nóng)業(yè)小氣候利用與調(diào)節(jié)；（7）應對氣候變化的對策。農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測預測的主要任務是預測和評估農(nóng)業(yè)氣象災害發(fā)生情況，預防和應對農(nóng)業(yè)氣象災害，減少或降低農(nóng)業(yè)氣象災害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的負面影響，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動順利進行，保證國家糧食安全，促進農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展[11]。

3.2 研究過程和方法

3.2.1 研究過程 農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)的研究是農(nóng)業(yè)氣象學的一部分，研究過程包括獲取資料、資料處理、資料分析、得出結(jié)果?；谵r(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測預測的任務目的，該課題的研究過程依次為國內(nèi)外農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析、氣象災害指標的分析、研究前景展望。

首先，通過課題研究對象、內(nèi)容、關(guān)鍵詞等查找相關(guān)文獻，分析國內(nèi)外近些年在農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警相關(guān)的資料文獻，獲取最新資料。其次，對涉及農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)相關(guān)的資料進行分析整理。最后，對整理出的關(guān)于農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測所應用到的遙感技術(shù)、GIS技術(shù)、GPS技術(shù)、GTS系統(tǒng)、地面檢測儀器、數(shù)理統(tǒng)計預報技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等進行分析，確定農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警系統(tǒng)建構(gòu)所應用到的關(guān)鍵技術(shù)及其要點。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展及在農(nóng)業(yè)氣象領(lǐng)域的應用，農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)逐漸地趨向于多元化、自動化、智能化、數(shù)字化發(fā)展。目前，關(guān)于農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測服務國內(nèi)已經(jīng)建立了從地面到強控的多指標立體監(jiān)測體系。在天空監(jiān)測領(lǐng)域，3S技術(shù)、GTS系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用；在地面監(jiān)測領(lǐng)域，土壤溫濕度檢測儀、空氣溫濕度檢測儀、土壤墑情站、激光傳感器、遠程病害監(jiān)測儀、遠程拍照式蟲情測報等、植物環(huán)境信息檢測設(shè)備、專家系統(tǒng)等發(fā)揮了重要的作用；在系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方面，數(shù)理統(tǒng)計預報技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等發(fā)揮了很重要的作用[12]。特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用，使各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域相關(guān)的監(jiān)控設(shè)備實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)管理，使設(shè)計農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)氣象災害領(lǐng)域相關(guān)的、專用的、獨立的氣象監(jiān)測站、氣象監(jiān)測系統(tǒng)成為了現(xiàn)實。在多功能農(nóng)作物氣象站的聯(lián)合應用下，為農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測提供了多源可靠的信息數(shù)據(jù)，有效地保證了農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警的可靠性。

3.2.2 研究方法 主要采用了文獻調(diào)查法、概念分析法、定性分析法、歷史研究法、模擬法、信息研究法、經(jīng)驗總結(jié)法、描述性研究法等方法對農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預測技術(shù)及其研究進展進行探討和總結(jié)。

4 國內(nèi)研究進展

4.1 主要模式

目前，國內(nèi)農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警主要模式包括數(shù)理統(tǒng)計預測預警模式、GIS精準預測預警模式、農(nóng)業(yè)氣象災害綜合性預測模式等。數(shù)理統(tǒng)計模式一般采用多元回歸分析法、時間序列分析法建立預測預警模型，運用非線性回歸方程進行農(nóng)業(yè)氣象災害的預測分析。一些農(nóng)業(yè)氣象災害預警系統(tǒng)還引入了加速遺傳算法模型，用于分析和預測大氣回流。此外，還有一部分學者引入物候信號作為農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測的指標之一，通過分析作物在不同節(jié)候中發(fā)生的周期變化評估氣象災害，使農(nóng)業(yè)氣象災害的監(jiān)測精準的定位到不同節(jié)候，豐富了農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測的內(nèi)容，進一步提升了氣象災害監(jiān)測預測的精準性[12]。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

近些年，GIS技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用為各地地質(zhì)、地形的分析提供了技術(shù)支持，擴充了監(jiān)測指標及其內(nèi)容，推動農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測預測向圖像化、視頻化、可視化轉(zhuǎn)變。由于GIS提供的圖像信息可以依靠物聯(lián)網(wǎng)實時傳輸給預警系統(tǒng)，預警系統(tǒng)在獲得最新信息后可及時對系統(tǒng)中氣候預報相關(guān)的相關(guān)數(shù)據(jù)及重要指標進行修正，提高了農(nóng)業(yè)氣象災害指標預測的精準性[13]。

此外，還可以采用物聯(lián)網(wǎng)、3S技術(shù)、智能監(jiān)測設(shè)備等，建立綜合性農(nóng)業(yè)才會預測發(fā)布服務系統(tǒng)，通過加強對各類氣象數(shù)據(jù)，建立農(nóng)業(yè)氣象災害歷史數(shù)據(jù)庫，整合新舊資源進行氣象災害的監(jiān)測預測，來指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災減災。

5 結(jié)語

地方性氣象、氣候條件是當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、作物類型選擇、耕作制度確定的基礎(chǔ)，也是影響作物病蟲害類型及發(fā)生情況的重要因素。常見的農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測和預測主要應用3S技術(shù)、GTS系統(tǒng)、地面檢測儀器、數(shù)理統(tǒng)計預報技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。遙感衛(wèi)星負責對農(nóng)業(yè)氣象活動進行監(jiān)測，地面檢測儀器負責對地面農(nóng)田生態(tài)信息及農(nóng)作物信息進行實時采集，再由數(shù)理統(tǒng)計預報系統(tǒng)對所有收集的監(jiān)測信息進行匯總、分析和處理，整合氣象數(shù)據(jù)與農(nóng)作物農(nóng)田實際情況，預測預報農(nóng)業(yè)氣象災害。當系統(tǒng)自動檢測到農(nóng)業(yè)氣象活動可能對現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成危害時，系統(tǒng)就會根據(jù)設(shè)定的危害等級做出農(nóng)業(yè)氣象災害預警提示，以便精準地指導相關(guān)部門預防農(nóng)業(yè)氣象災害。

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責任編輯：黃艷飛

Advances in Monitoring and Forecasting Techniques of Agrometeorological Disasters

Tong Gang et al（Tonghua Meteorological Bureau， Tonghua， Jilin 134001）

Abstract Agrometeorological disasters are one of the important factors affecting the safety of agricultural production. Drought， cold damage， cold damage， flood and waterlogging are the most common agrometeorological disasters. Modern agriculture advocates the monitoring of meteorological changes and the analysis and prediction of agrometeorological disasters through the enhancement of agrometeorological observations， thus providing a reliable basis for relevant departments to guide agricultural production and respond to agrometeorological disasters， improve the efficiency of agricultural production and ensure the safety of agricultural production. This research mainly elaborated the agricultural meteorological disaster monitoring and forecasting technology development present situation， analyzed the agricultural meteorological disaster index， discussed the agricultural meteorological disaster monitoring and forecasting technology research， it provides some references for the innovation of monitoring and early warning model of agrometeorological disasters and the popularization and application of monitoring and forecasting technology.

Key words Agrometeorological disasters; remote sensing monitoring; Ground monitoring; Mathematical statistical forecasting; Monitoring and early warning model

作者簡介 佟鋼（1976—），男，吉林通化人，工程師，本科，研究方向：綜合氣象觀測。

收稿日期 2022-10-19