豫東平原農(nóng)業(yè)智能化氣象災(zāi)害預(yù)警與防御系統(tǒng)研究

李辰

摘要豫東平原農(nóng)業(yè)智能化氣象災(zāi)害預(yù)警與防御系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)智能化的同時(shí)，根據(jù)豫東地區(qū)地理、氣候和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌排系統(tǒng)的基礎(chǔ)上整合了農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)、天氣預(yù)報(bào)預(yù)警災(zāi)害防御系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)氣象預(yù)報(bào)預(yù)警信息自動(dòng)、及時(shí)做出農(nóng)事生產(chǎn)建議，能夠自動(dòng)根據(jù)土壤墑情、農(nóng)作物生長狀況進(jìn)行灌溉、排水等。在不同地區(qū)，可以根據(jù)需要選用不同類型和功能的氣象自動(dòng)站，因地制宜，方便地進(jìn)行農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝及灌溉等氣象要素的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)耕地園田化、灌排系統(tǒng)化、管理科學(xué)化、運(yùn)行良性化、信息網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)社會(huì)化，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)三大效益的統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞農(nóng)業(yè)智能化氣象災(zāi)害預(yù)警與防御系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測；氣象預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)；豫東平原

中圖分類號(hào)S431.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）21-0224-04

Study on Early Warning and Defense System of Agricultural Intelligent Meteorological Disasters in the Eastern Henan Plain

LI Chen

（Shangqiu City Meteorological Bureau， Shangqiu，Henan 476000）

AbstractIn the realization of intelligent agriculture， according to the geographical， climate and agricultural production status of eastern Henan， based on the agricultural automated irrigation and drainage system， the early warning and defense system of agricultural intelligence meteorological disasters in eastern Henan plain had finished the integration of agricultural weather monitoring service system and weather forecasting early warning disaster prevention system.Based on weather forecasting and early warning information， the system could automatically make agricultural production recommendations in time；and according to soil moisture and crop growth condition， this system could make an automatic irrigation， grainage and so on.Meteorological automatic stations of different types and functions were available to varied needs in different areas. According to local conditions， the monitoring over agriculture， forestry， horticulture and irrigation and other meteorological elements could be done in a very convenient way， together with the realization of pastoral farmland， systematic irrigation， scientific management， wellworking operation，networking information，and socialized services， thus achieving an integration of economic， social and ecological benefits.

Key wordsAgriculture intelligent meteorological disaster early warning and defense system；Agricultural meteorological monitoring；Weather forecasting and early warning service；Eastern Henan Plain

近年來，在全球氣候變暖為主要特征的氣候變化背景下，極端天氣氣候事件增加，氣象災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，氣象條件對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響也越來越被人們所重視[1-3]。豫東平原包括開封、商丘、周口3個(gè)地區(qū)，作為河南糧食作物的主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對(duì)該地區(qū)影響極大。因此，在互聯(lián)網(wǎng)+、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，結(jié)合豫東平原本身的區(qū)位、地理、氣候資源，利用新科技手段、融合實(shí)時(shí)氣象預(yù)警信息開發(fā)一套智能化水平高、符合當(dāng)?shù)匦枨蟮霓r(nóng)業(yè)智能化氣象災(zāi)害預(yù)警與防御系統(tǒng)，成為了提高豫東地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象現(xiàn)代化水平的關(guān)鍵。

豫東地區(qū)農(nóng)業(yè)智能化氣象災(zāi)害預(yù)警與防御系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是依托相應(yīng)的設(shè)施和工程技術(shù)手段、調(diào)節(jié)和控制環(huán)境因子，因此其實(shí)施的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)屬于設(shè)施農(nóng)業(yè)。對(duì)于設(shè)施農(nóng)業(yè)的研究，楊培林等[4]研究表明，發(fā)達(dá)國家的設(shè)施農(nóng)業(yè)已具有完善的監(jiān)測設(shè)備、一定的生產(chǎn)規(guī)范和可靠的質(zhì)量保證體系。汪懋華[5]、滕光輝[6]分析指出，由于自動(dòng)化和智能化高科技的運(yùn)用，栽培環(huán)境不受自然條件影響而得到有效控制，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)品工廠化生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)，這是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展到高級(jí)階段的工廠化農(nóng)業(yè)。在豫東地區(qū)，對(duì)于設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)控技術(shù)的研究多集中在農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究方面，較少結(jié)合新科技手段及融合實(shí)時(shí)氣象預(yù)警信息。因此，作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的一部分，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)、高起點(diǎn)的豫東平原農(nóng)業(yè)智能化氣象災(zāi)害預(yù)警與防御系統(tǒng)，對(duì)豫東平原農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)和保證糧食安全、全面建設(shè)小康社會(huì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的發(fā)展前景。

1基本情況

1.1地理位置

研究區(qū)域地處河南省中東部（113°87′～116°64′ E、33°07′～34°86′ N），西起京廣鐵路、東接豫皖省界、北靠黃河、南濱淮海，總面積約5萬km2，是我國主要的農(nóng)產(chǎn)區(qū)之一，屬于半濕潤灌溉集約農(nóng)作區(qū)，該區(qū)以平原為主，有部分丘陵，大部分地區(qū)海拔在100 m以下，土地平坦，土層深厚，主要是潮土褐土，土質(zhì)砂黏中等，適宜耕作，河流故道多砂土，鹽漬土面積較少。

1.2氣候條件

研究區(qū)內(nèi)四季分明，雨熱同期，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，氣候溫和，屬半濕潤暖溫帶。年總輻射量為4 390～5 180 MJ/m2。年平均氣溫8～15 ℃，最冷月平均氣溫-7～-4 ℃，最熱月平均氣溫22～28 ℃，大于0 ℃積溫4 200～5 500 ℃·d，大于10 ℃積溫3 600～4 900 ℃·d，無霜期170～200 d，熱量資源可滿足喜涼、喜溫作物一年兩熟的要求，該區(qū)主要栽種方式是冬小麥-夏玉米。年降水量為500～950 mm，剛好滿足雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的要求；降水由北向南增多，降水量的年際變化較大，年降水量的變異系數(shù)為0.30；因受季風(fēng)影響，降水在年內(nèi)分配不均，全年降水量80%集中在6—9月，7—8月降水量占全年的45%～65%，且多以暴雨形式出現(xiàn)。秋、冬、春三季均為水分虧缺的干旱期，水是制約豫東平原農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制因子。

1.3農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀

豫東地區(qū)位于河南東部黃淮平原，自然條件得天獨(dú)厚，物產(chǎn)豐富。農(nóng)、林、牧、副、漁各業(yè)興旺發(fā)達(dá)，是國家著名的農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)基地。糧、棉、油、煙葉和水果，林木、畜牧產(chǎn)空中水資源利用率高，旱澇保收田面積大，近年來糧食產(chǎn)量穩(wěn)中有升，增產(chǎn)潛力大。河南省已全面建設(shè)自動(dòng)氣象站，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫、壓、濕、降水、風(fēng)等氣象要素的動(dòng)態(tài)監(jiān)測；已全面建成土壤水分自動(dòng)監(jiān)測站，完善了農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)和氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，可以隨時(shí)監(jiān)測農(nóng)業(yè)和天氣變化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)氣象的動(dòng)態(tài)監(jiān)測和服務(wù)。

1.4支持該系統(tǒng)的自動(dòng)化水平

自動(dòng)化灌溉和施肥技術(shù)在國內(nèi)日趨成熟，部分省市已進(jìn)入示范推廣階段，廣泛用于蔬菜、園林、城市綠化，并向農(nóng)作物方向延伸，軟硬件研究得到同步發(fā)展。

2實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化管理的必要性和必然性

由于豫東平原地處南北氣候過渡帶，氣象災(zāi)害種類多、強(qiáng)度大、頻率高，是我國氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生的地區(qū)之一。暴雨（雪）、干旱、大風(fēng)、雷電、冰雹、沙塵暴、霜凍等自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，每年因氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失占全區(qū)生產(chǎn)總值的1%～3%[1]。由此可見，氣象災(zāi)害已經(jīng)成為制約豫東地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展、危及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的主要因素。

在設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)時(shí)，整合農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌排系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)、天氣預(yù)報(bào)警報(bào)災(zāi)害防御系統(tǒng)，做好農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)和服務(wù)工作，達(dá)到農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的目的[7-8]。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理智能化、產(chǎn)業(yè)化、耕地田園化、灌排系統(tǒng)化、運(yùn)行良性化、信息網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)社會(huì)化，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)三大效益的統(tǒng)一，對(duì)于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收、減少氣象災(zāi)害造成的損失、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展將產(chǎn)生重大的推動(dòng)作用。

3農(nóng)業(yè)智能化氣象災(zāi)害預(yù)警與防御系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)站、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)系統(tǒng)、氣象預(yù)報(bào)預(yù)警災(zāi)害防御系統(tǒng)、農(nóng)田供水施肥系統(tǒng)四部分組成，系統(tǒng)將傳感器采集到的觀測數(shù)據(jù)傳至中央計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行管理的決策者參考?xì)庀箢A(yù)報(bào)預(yù)警信息，通過農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)系統(tǒng)制定管理方案和灌溉計(jì)劃，通過臺(tái)式或筆記本電腦從遠(yuǎn)程位置控制農(nóng)田供水施肥系統(tǒng)（田間控制器），實(shí)現(xiàn)智能化灌溉和管理（圖1）。

3.1中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)集中控制，采取“集中管理、分散控制”的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)中設(shè)置的流量、壓力及自動(dòng)氣象站中的氣溫、雨量、濕度等傳感器以及土壤墑情傳感器和作物生長動(dòng)態(tài)監(jiān)測信息，作為系統(tǒng)的信號(hào)反饋設(shè)備，將采集到的信號(hào)傳到中央計(jì)算機(jī)，供系統(tǒng)運(yùn)行管理的決策者參考，制定管理方案和灌溉計(jì)劃（圖2）。

控制系統(tǒng)的主要功能包括墑情預(yù)報(bào)、雨量預(yù)報(bào)、灌溉用水量和灌溉時(shí)間統(tǒng)計(jì)管理、施肥管理、病蟲害防治、災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警和防御。

計(jì)算機(jī)和田間控制器之間可通過有線寬帶、光纜、電話線、無線電（UHF）、GPRS和GSM進(jìn)行通訊傳輸，能手動(dòng)開、關(guān)電磁閥或?qū)μ镩g控制器進(jìn)行操作，啟動(dòng)某套程序等。程序可進(jìn)行干運(yùn)行，校核編制程序的合理性；還可對(duì)園區(qū)內(nèi)其他的一些設(shè)備進(jìn)行控制，如路燈、自動(dòng)門、噴泉、水泵等。所有通訊都為“雙路”成對(duì)進(jìn)行，下達(dá)一個(gè)信號(hào)，如果任務(wù)被執(zhí)行，立刻會(huì)有一信號(hào)被反饋，包括使用遙控器開啟某一電磁閥時(shí)，若電磁閥被打開，遙控器會(huì)接受到一電磁閥被開的信號(hào)，關(guān)閉時(shí)也一樣。中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)還具有MAP TO功能，即在田間控制器下連接子控制器系統(tǒng)，這能夠保證即使在系統(tǒng)開發(fā)完成后還可以根據(jù)需要添加具備其他功能的田間控制器，使系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性，利于二次開發(fā)和后續(xù)升級(jí)。

3.2農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)站

根據(jù)需要選用不同類型和功能的氣象自動(dòng)站，可以方便地進(jìn)行農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝及灌溉等氣象要素的監(jiān)測，用戶利用軟件即可輕松讀取各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行程序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)站以監(jiān)測田間小氣候?yàn)橹?，可測量風(fēng)向、風(fēng)速、空氣溫度、相對(duì)濕度、大氣壓力、降雨量、太陽輻射、光和有效輻射、土壤溫度和土壤水分等氣象要素（圖3）。可以根據(jù)不同作物增設(shè)探頭，動(dòng)態(tài)監(jiān)測作物長勢、發(fā)育期、自然災(zāi)害和病蟲害。

把監(jiān)測數(shù)據(jù)和影像資料接入中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)指標(biāo)，進(jìn)行分析，提供快速、準(zhǔn)確、針對(duì)性強(qiáng)的管理措施。

3.3氣象預(yù)報(bào)預(yù)警災(zāi)害防御系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)系統(tǒng)

氣象預(yù)報(bào)預(yù)警災(zāi)害防御系統(tǒng)是基于天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警信息與農(nóng)業(yè)氣象專家系統(tǒng)的集合，作為一個(gè)獨(dú)立的模塊植入中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，可以實(shí)時(shí)獲得氣象局發(fā)布的天氣預(yù)報(bào)和預(yù)警信息，結(jié)合農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)站獲得的觀測數(shù)據(jù)，通過農(nóng)業(yè)氣象專家系統(tǒng)的處理，自動(dòng)做出農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害及供水施肥建議，供系統(tǒng)運(yùn)行管理的決策者參考，制定管理方案和灌溉計(jì)劃（圖4）。

3.4農(nóng)田供水施肥系統(tǒng)

農(nóng)田供水施肥系統(tǒng)即自動(dòng)化灌排系統(tǒng)，由田間控制器和土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)組成，通過中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（中控系統(tǒng)）控制水泵啟閉、管網(wǎng)壓力調(diào)節(jié)、過濾器自動(dòng)反沖洗、電磁閥控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。為保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，還具有各種報(bào)警功能，如管道過壓、欠壓等故障報(bào)警。

田間控制器帶微電腦處理器，本身即為一臺(tái)微型電腦，可以將氣象站就近接入任何一臺(tái)田間控制器。這臺(tái)控制器處理后，可自動(dòng)傳給其他田間控制器。

4小結(jié)

在氣候變化背景下，極端天氣氣候事件增加，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害發(fā)生規(guī)律出現(xiàn)了新的規(guī)律，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)

警與調(diào)控技術(shù)在適用地域、對(duì)象和針對(duì)性等方面難以滿足實(shí)

際生產(chǎn)的需求，而農(nóng)業(yè)智能化管理氣象預(yù)報(bào)預(yù)警災(zāi)害防御系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)智能化的同時(shí)，可以根據(jù)氣象預(yù)報(bào)預(yù)警信息，自動(dòng)、及時(shí)地做出農(nóng)事生產(chǎn)建議，能夠自動(dòng)根據(jù)土壤墑情、農(nóng)作物生長狀況進(jìn)行灌溉、排水等。在不同地區(qū)，可以根據(jù)需要選用不同類型和功能的氣象自動(dòng)站，因地制宜，方便地進(jìn)行農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝及灌溉等氣象要素的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)耕地園田化、灌排系統(tǒng)化、管理科學(xué)化、運(yùn)行良性化、信息網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)社會(huì)化，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)三大效益的統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐蓉.我國主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害及災(zāi)害研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（29）：9354，9362.

[2] SMAKHTIN V U，HUGHES D A.Automated estimation and analyses of meteorological drought characteristics from monthly rainfall data[J].Environmental modelling & software，2007，22（6）：880-890.

[3] ALLEN C D，MACALADY A K，CHENCHOUNI H，et al.A global overview of drought and heatinduced tree mortality reveals emerging climate change risks for forests[J].Forest ecology and management，2010，259（4）：660-684.

[4] 楊培林，郭晶，馬振明.國內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢[J].農(nóng)機(jī)化研究，2003（1）：30-31.

[5] 汪懋華.實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代集約持續(xù)農(nóng)業(yè)的工程科學(xué)技術(shù)：以色列、荷蘭科技考察觀感[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1998，14（3）：1-9.

[6] 滕光輝.實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控自動(dòng)化的一種新方案[M]//申茂向.發(fā)展中的中國工廠化農(nóng)業(yè).北京：北京出版社，2000：286-291.

[7] 莊立偉，何延波，侯英雨，等.農(nóng)業(yè)重大氣象災(zāi)害綜合服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)研究[M].北京：氣象出版社，2008.

[8] 王春乙，王石立，霍治國，等.近10年來中國主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與評(píng)估技術(shù)研究進(jìn)展[J].氣象學(xué)報(bào)，2005，63（5）：659-671.