羅健琛 王懿偉 蔣慧峰 郭寶光 薛春 胡玉林

摘要：全球氣候變化導(dǎo)致極端天氣頻發(fā)，給臨安地區(qū)的山核桃生產(chǎn)帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)，準(zhǔn)確的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)信息有助于臨安區(qū)采取針對(duì)性的防御措施。本文闡述了臨安區(qū)山核桃氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，該系統(tǒng)自2022年上線試運(yùn)行以來(lái)，已自動(dòng)觸發(fā)6次預(yù)警，為臨安地區(qū)山核桃生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)工作發(fā)揮了重要作用。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；氣象災(zāi)害；精細(xì)化預(yù)警系統(tǒng)；山核桃；臨安；信息發(fā)布

近年來(lái)，美國(guó)、加拿大等國(guó)采用植被狀態(tài)指數(shù)（VCI）和溫度狀態(tài)指數(shù)（TCI）方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)[1]，

國(guó)內(nèi)氣象部門建立了農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的指標(biāo)體系和監(jiān)測(cè)評(píng)估業(yè)務(wù)流程[2]。然而，極端天氣頻發(fā)，傳統(tǒng)的預(yù)警服務(wù)模式難以滿足農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)需求[3]，迫切需要預(yù)警技術(shù)更新。

山核桃既是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)樹種，又是優(yōu)質(zhì)的用材樹種[4]。山核桃干仁含油率高達(dá)69.8%～74.01%，是含油率最高的樹種之一[5]，富含的蛋白質(zhì)，可以作為一種預(yù)防疾病的藥物[6]。目前，臨安區(qū)的山核桃產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展，核桃面積約為3.8萬(wàn)hm2，產(chǎn)量約為1.5萬(wàn)t[7]，全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值達(dá)37億元，臨安區(qū)的山核桃產(chǎn)量、加工和銷售常年居全國(guó)首位。近年來(lái)，臨安區(qū)的山核桃產(chǎn)業(yè)得到政府和林業(yè)部門的重視，通過(guò)提質(zhì)增效和創(chuàng)新，推動(dòng)了山核桃產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。然而，由于地貌復(fù)雜、氣候多變等原因，山核桃產(chǎn)量和質(zhì)量波動(dòng)，亟需綜合評(píng)價(jià)環(huán)境條件和氣象預(yù)警手段以提高山核桃產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定性。

山核桃的生長(zhǎng)和發(fā)育受溫度、降水和光照的影響[8]。

溫度直接影響山核桃的生長(zhǎng)和開花結(jié)果，在花期和幼果期尤為重要。適宜的溫度有利于花芽分化、開花和果實(shí)發(fā)育，而過(guò)高或過(guò)低的溫度可能導(dǎo)致花芽受損、花粉活力下降，進(jìn)而影響山核桃的花期生育過(guò)程。降水則在果實(shí)發(fā)育階段發(fā)揮重要作用，足夠的降水可以促進(jìn)果實(shí)膨大和品質(zhì)提升。另外，山核桃是喜光的喜光樹種，生長(zhǎng)期的光照強(qiáng)度對(duì)樹體生長(zhǎng)、花芽分化和開花結(jié)果都有重要影響。山核桃的生產(chǎn)及產(chǎn)量易受到氣象災(zāi)害的嚴(yán)重影響，當(dāng)發(fā)生極端氣候事件時(shí)，如冰雹、凍害、干旱或強(qiáng)風(fēng)暴等，會(huì)嚴(yán)重影響山核桃樹的生長(zhǎng)和果實(shí)發(fā)育，導(dǎo)致減產(chǎn)甚至歉收[7]。如2022年7月

1日—8月10日，臨安高溫天氣36 d，導(dǎo)致山核桃果實(shí)飽滿度從80%下降到60%。因此，構(gòu)建針對(duì)山核桃的氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)迫在眉睫，對(duì)種植山核桃的農(nóng)民收入和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定都具有重大意義。

為此，本試驗(yàn)基于溫度、降水和光照等關(guān)鍵氣象因子構(gòu)建了山核桃精細(xì)化氣象災(zāi)害預(yù)警模型，并相應(yīng)地建立了山核桃氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。通過(guò)資料分析、專家咨詢和數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建，明確了預(yù)警條件和流程，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)1年后，通過(guò)反饋進(jìn)行效果評(píng)估，具體流程如該系統(tǒng)已于2022年在農(nóng)戶、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門、農(nóng)業(yè)專家間逐漸展開應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物和區(qū)域的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警，并提前通知生產(chǎn)主體。本研究構(gòu)建的系統(tǒng)可向農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門提供災(zāi)害預(yù)警信息，輔助專家決策，對(duì)提升農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)水平、促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、推動(dòng)生態(tài)友好型發(fā)展等方面具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)原理及內(nèi)容

1.1 基于專家經(jīng)驗(yàn)的山核桃關(guān)鍵氣象影響因子分析

在該預(yù)警系統(tǒng)中，主要針對(duì)影響山核桃生長(zhǎng)的重要?dú)庀笠蛩剡M(jìn)行預(yù)警，因此在構(gòu)建預(yù)警模型時(shí)，需要考慮災(zāi)害類型、發(fā)生時(shí)段等方面，如圖2所示。

大量研究表明，溫度[8]、降水和日照[9]是影響山核桃生長(zhǎng)的重要因素，分別在山核桃的不同時(shí)期對(duì)山核桃的展葉、開花和結(jié)果產(chǎn)生重要影響。山核桃生長(zhǎng)期關(guān)鍵時(shí)段為4月11日—5月10日，屬于展葉期、花期至開花坐果期，易受低溫凍害影響，短時(shí)間降溫會(huì)造成局部落花落果，長(zhǎng)時(shí)間可能導(dǎo)致凍害，遭遇大范圍倒春寒甚至?xí)^收。山核桃的授粉期為4月11日—5月20日，連續(xù)低溫陰雨可能導(dǎo)致授粉不良，降低坐果率，影響土壤的干燥程度，不利于生長(zhǎng)和結(jié)果。7月11日—8月25日是山核桃的果實(shí)灌漿期和成熟期，持續(xù)高溫干旱導(dǎo)致樹葉受損、果實(shí)品質(zhì)下降，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致樹體死亡，同時(shí)也會(huì)影響土壤的性質(zhì)，持續(xù)影響樹體。7月—10月可能有臺(tái)風(fēng)襲來(lái)，對(duì)采收期有直接影響，可能引發(fā)洪水等災(zāi)害，造成產(chǎn)量損失。養(yǎng)分積累期為9月11日—11月30日，持續(xù)干旱可能導(dǎo)致葉片早衰、提前落葉，限制養(yǎng)分供應(yīng)。這些因素綜合影響山核桃生產(chǎn)，主要分為秋旱、臺(tái)風(fēng)、伏旱、低溫霜凍和連陰雨，本研究針對(duì)這5項(xiàng)主要?dú)庀鬄?zāi)害構(gòu)建預(yù)警模型及系統(tǒng)。

1.2 山核桃主要?dú)庀鬄?zāi)害預(yù)警模型

針對(duì)早春霜凍、授粉期連陰雨、伏旱、秋旱、臺(tái)風(fēng)這5項(xiàng)主要?dú)庀鬄?zāi)害建立了預(yù)警模型，包括發(fā)生時(shí)段、災(zāi)害等級(jí)、災(zāi)害觸發(fā)條件、災(zāi)害解除條件等。（1）早春霜凍災(zāi)害預(yù)警模型系統(tǒng)1日最低氣溫≤4℃為觸發(fā)條件，以當(dāng)日及后2 d連續(xù)3 d的日最低氣溫都＞4℃時(shí)為解除條件。以日最低氣溫作為判斷指標(biāo)，滿足解除條件則發(fā)布預(yù)警解除通知。（2）授粉期連陰雨災(zāi)害預(yù)警模型。以預(yù)測(cè)的日降雨量作為判斷指標(biāo)，當(dāng)氣象監(jiān)測(cè)到連續(xù)5 d，日降雨量≥0.1 mm時(shí)會(huì)觸發(fā)連陰雨預(yù)警；只有連續(xù)2 d的日降雨量＜0.1 mm才會(huì)解除預(yù)警。（3）伏旱災(zāi)害預(yù)警模型系統(tǒng)以連續(xù)15 d日降雨量＜0.5 mm為觸發(fā)條件，前2日和當(dāng)日連續(xù)3 d的日降雨量都≥0.5 mm為解除條件。每天8∶00刷新和判斷1次，當(dāng)過(guò)去連續(xù)10 d的實(shí)況日降雨量＜0.5 mm，且氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)到未來(lái)連續(xù)5 d的日降雨量＜0.5 mm，則觸發(fā)預(yù)警。如果氣象條件滿足解除條件，則發(fā)布預(yù)警解除通知[10]。（4）臺(tái)風(fēng)災(zāi)害預(yù)警模型系統(tǒng)以氣象部門發(fā)布臺(tái)風(fēng)藍(lán)色及藍(lán)色以上預(yù)警為觸發(fā)條件，氣象部門發(fā)布解除臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息為解除條件，與氣象部門同步。（5）秋旱災(zāi)害預(yù)警模型系統(tǒng)以連續(xù)20 d日降雨量＜0.5 mm為觸發(fā)條件，以前2 d和當(dāng)日連續(xù)3 d的日降雨量都≥0.5 mm為解除條件。每天8∶00刷新和判斷1次，當(dāng)過(guò)去連續(xù)15 d的實(shí)況日降雨量＜0.5 mm，且氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)到未來(lái)連續(xù)5 d的日降雨量＜0.5 mm，則觸發(fā)預(yù)警。氣象條件滿足解除條件則發(fā)布預(yù)警解除通知。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2.1 系統(tǒng)介紹

2013年杭州市氣象局建立了重大氣象災(zāi)害預(yù)警信息全網(wǎng)發(fā)布系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)10 min 內(nèi)啟動(dòng)綠色通道，20 min內(nèi)完成數(shù)字電視全頻道發(fā)布和手機(jī)短信分區(qū)域發(fā)布、6 h 內(nèi)完成手機(jī)短信全區(qū)域發(fā)布[11]?；谶@一實(shí)踐，針對(duì)臨安區(qū)主導(dǎo)作物山核桃，建立了農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警機(jī)制，將氣象預(yù)報(bào)與災(zāi)害指標(biāo)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了及時(shí)氣象災(zāi)害預(yù)警。該模型融合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)和信息技術(shù)，核心功能是預(yù)警觸發(fā)和解除算法，包括災(zāi)害等級(jí)、觸發(fā)條件、規(guī)則、信息發(fā)送、防御措施建議，以及解除條件和通知，避免資源浪費(fèi)。

2.2 山核桃主要?dú)庀鬄?zāi)害預(yù)警系統(tǒng)管理平臺(tái)

將山核桃氣象災(zāi)害預(yù)警模型利用系統(tǒng)管理平臺(tái)進(jìn)行管理配置，將規(guī)模種植主體所在村與氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行就近匹配，實(shí)現(xiàn)差異化精準(zhǔn)預(yù)警。建立待測(cè)地區(qū)中山核桃種植基地的基地信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并按照就近原則對(duì)基地進(jìn)行氣象站點(diǎn)的匹配，分別建立對(duì)應(yīng)關(guān)系；基于氣象站點(diǎn)收集種植基地的第一氣象數(shù)據(jù)，代入氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)中按照預(yù)設(shè)觸發(fā)規(guī)則進(jìn)行比對(duì)，判斷是否滿足預(yù)警觸發(fā)條件，滿足則根據(jù)第一氣象數(shù)據(jù)確定對(duì)應(yīng)的基地并通過(guò)基地信息數(shù)據(jù)庫(kù)獲取相應(yīng)的聯(lián)系人方式對(duì)基地聯(lián)系人發(fā)送氣象災(zāi)害預(yù)警信息。將氣象站點(diǎn)與山核桃基地按照地理位置就近匹配，對(duì)一個(gè)地區(qū)中所有的山核桃基地可同時(shí)進(jìn)行差異化精準(zhǔn)預(yù)警。

2.3 專家審核和短信觸發(fā)移動(dòng)端

專家可通過(guò)浙政釘移動(dòng)端小程序，審核每天系統(tǒng)觸發(fā)的災(zāi)害預(yù)警并進(jìn)行短信觸發(fā)操作，使相關(guān)農(nóng)業(yè)主體及時(shí)收到短信提醒，并根據(jù)專家建議提前采取措施防御災(zāi)害。該系統(tǒng)對(duì)此的實(shí)現(xiàn)方式分為通過(guò)浙里辦推送給影響區(qū)域內(nèi)主體、通過(guò)氣象局通知平臺(tái)推送給區(qū)域內(nèi)村干部，以及通過(guò)浙政釘推送給農(nóng)技推廣中心的產(chǎn)業(yè)專家。專家根據(jù)這些氣象災(zāi)害預(yù)警信息和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合判斷，如果災(zāi)害影響較輕，則在預(yù)警處置中做出不推送短信的操作，專家根據(jù)實(shí)際情況做農(nóng)業(yè)指導(dǎo)；如果災(zāi)害影響明顯，則選擇發(fā)送短信通知給規(guī)模主體，內(nèi)容包含詳細(xì)的災(zāi)害預(yù)計(jì)發(fā)生時(shí)間、等級(jí)、危害和防御措施。通過(guò)這些信息和數(shù)據(jù)支持，專家能夠更及時(shí)準(zhǔn)確地掌握農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害發(fā)生情況，從而更精準(zhǔn)地開展災(zāi)前災(zāi)后的調(diào)查和技術(shù)指導(dǎo)。

3 結(jié)論

基于大數(shù)據(jù)和專家預(yù)測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢索，構(gòu)建了一整套完善的基于臨安氣象數(shù)據(jù)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)和氣象數(shù)據(jù)的綜合分析，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)山核桃生長(zhǎng)關(guān)鍵期內(nèi)的氣象災(zāi)害，及時(shí)預(yù)警氣象災(zāi)害信息，幫助臨安山核桃種植戶更好地采取有效措施來(lái)減少災(zāi)害損失，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)適應(yīng)氣候變化的能力，保障臨安區(qū)山核桃產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

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