農業(yè)氣象災害監(jiān)測預警—糧食安全的保障

文/郭安紅 李森 中國氣象局國家氣象中心 李朝生 中國氣象局應急減災司

農業(yè)氣象災害是農業(yè)生產過程中直接或間接導致農業(yè)生物顯著減產、品質下降或設施嚴重損壞的各種不利天氣過程和天氣現(xiàn)象的總稱。我國是農業(yè)氣象災害影響最為嚴重的國家之一，災害種類多、強度大、頻率高，主要農業(yè)氣象災害對產量波動的直接影響可達18%。

光、溫、水、氣各氣象因子或兩項及以上因子的時空量不合理分配，均可能引起各種類型的農業(yè)氣象災害。水分異常引起的農業(yè)氣象災害有干旱、洪澇和濕害、冰雪災害、冰雹等，溫度異常引起的農業(yè)氣象災害包括低溫冷害、寒害、凍害、霜凍、寒露風、高溫熱害等，復合要素異常引起的農業(yè)氣象災害有干熱風、連陰雨等，氣流異常引起的災害有臺風、龍卷風和雷暴大風等。有些災害造成的影響是顯性的，在災害發(fā)生后通過外在的形態(tài)特征可直觀判斷，如洪澇、大風、冰雹等；有些是隱性的，例如冷害、熱害、寒露風等，出現(xiàn)受害癥狀的時間滯后，需要一定時間才能觀察到。

隨著全球氣候變化造成的氣溫、降水分布不均勻性以及極端天氣氣候事件的增多，農業(yè)氣象災害的發(fā)生頻率增加、強度增強、危害加重，對國家糧食安全和農業(yè)持續(xù)發(fā)展已構成嚴重威脅。及時、準確地為各級政府、農業(yè)生產部門提供農業(yè)氣象災害監(jiān)測預警信息，及時有效地防控農業(yè)氣象災害，最大限度減輕災害對農業(yè)生產造成的危害，對提升農業(yè)綜合防災減災能力、促進農業(yè)經濟的可持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)新農村建設目標、保障糧食安全具有重要的意義。

農業(yè)氣象災害指標

要對農業(yè)氣象災害進行監(jiān)測和預報預警，首先需要知道什么時候、什么程度的不利氣象條件會造成農業(yè)生物產量損失、品質下降，以及損失或下降的程度與不利氣象條件的關系是什么。在這方面，我國學者開展了大量的試驗觀測研究工作，獲取了各類農業(yè)氣象災害指標。現(xiàn)有的農業(yè)氣象災害監(jiān)測評估預警工作基本上都是基于農業(yè)氣象災害指標開展的。

農業(yè)氣象災害指標包括的主要內容是可能受影響的作物、異常的氣象條件和程度，影響的主要時段以及可能造成的影響。例如，農業(yè)干旱是長時間降水偏少、空氣干燥、土壤缺水，造成農作物體內水分發(fā)生虧缺，影響正常生長發(fā)育甚至減產。對于異常的氣象條件和程度，有多個指標相輔相成共同來判斷農作物是否會受旱，包括降水偏少的程度、土壤墑情偏差的程度、農作物水分虧缺的程度等等；此外，降水偏少、墑情偏差對不同作物的影響是不一樣的，因而農業(yè)干旱指標又可以細化到作物種類，包括玉米干旱指標、冬小麥干旱指標等；最后，作物在不同生長發(fā)育階段對缺水的耐受力或者敏感性不同，有些關鍵生長發(fā)育期對水分虧缺十分敏感，缺水會造成明顯的生長發(fā)育受限，像玉米的“卡脖旱”就是一旦在玉米的抽雄期前后發(fā)生干旱，會導致雄穗或雌穗抽不出來，類似玉米被卡了脖子。再比如，小麥干熱風是小麥開花灌漿期出現(xiàn)的一種高溫低濕并伴有一定風力的災害性、高影響性天氣，影響小麥灌漿成熟，降低千粒重，導致小麥減產，因而有溫度、空氣相對濕度和風速三個氣象指標閾值來描述這種高溫低濕并伴有一定風力的災害性天氣，并且這種天氣出現(xiàn)在小麥開花灌漿期會導致小麥減產。

我國已陸續(xù)制訂發(fā)布了大量農業(yè)氣象災害國家標準、行業(yè)標準和地方標準，為各地農業(yè)氣象災害的監(jiān)測預警及評估工作的規(guī)范化提供了一定的科學依據。主要包括國家標準《農業(yè)干旱等級》、氣象行業(yè)標準《北方春玉米干旱等級》、《北方夏玉米干旱等級》、《水稻、玉米冷害等級》、《冬小麥、油菜澇漬等級》、《作物霜凍害等級》、《小麥干熱風災害等級》以及農業(yè)行業(yè)標準《水稻高溫熱害鑒定與分級》等等。

有了農業(yè)氣象災害指標，我們知道了在農業(yè)氣象災害監(jiān)測和預報預警的時候需要關注哪些關鍵時段的哪些氣象和作物指標，從而在大量氣象和農業(yè)實時觀測數據中，提取相關信息并進行綜合分析，開展監(jiān)測和預報預警工作就有了抓手。但是需要注意的是，隨著農作物種植制度、管理措施和品種的變化，以及農作物對環(huán)境的適應性，農業(yè)氣象災害指標也是有變化的。例如，針對小麥干熱風的指標，隨著我國農業(yè)灌溉水平的提升，在小麥開花灌溉階段，有灌溉條件、土壤墑情較好的情況下即使氣溫、相對濕度和風速達到了干熱風的致災閾值標準，也不會有干熱風災害發(fā)生。再比如，零上低溫會對作物造成低溫冷害，但對于穩(wěn)生穩(wěn)長、組織結實、含水量低、呼吸速率適中的植株對冷害具有一定的適應能力；相反，對于暴生暴長、組織疏松、身嬌肉嫩、含水量高、吸旺盛的植株則宜受低溫冷害。因此，農業(yè)氣象災害指標也是在不斷地探索中，不斷細化和修訂。

農業(yè)氣象災害監(jiān)測

農業(yè)氣象災害監(jiān)測是針對災害性天氣過程、致災因子強度以及受災對象、受災區(qū)域的形態(tài)特征、災害損失等信息進行的實時動態(tài)統(tǒng)計分析，從而及時掌握農業(yè)氣象災害的發(fā)生發(fā)展動向，為開展減災、救災提供科學依據。目前我國的農業(yè)氣象災害監(jiān)測主要有地面監(jiān)測和遙感監(jiān)測手段。

地面監(jiān)測是依據已有的農業(yè)氣象災害指標，基于實時地面觀測數據的提取判別和空間化分析，進行農業(yè)氣象災害監(jiān)測。與農業(yè)氣象災害監(jiān)測相關的地面監(jiān)測網絡包括氣象觀測網、農業(yè)氣象觀測網以及土壤水分自動觀測網，這些網絡節(jié)點（觀測站）以人工觀測或自動化監(jiān)測儀器為監(jiān)測手段，每天實時同步獲取全國范圍的各種氣象要素、災害性天氣、農作物發(fā)育期和生長狀況、土壤濕度、農業(yè)氣象災害及病蟲害發(fā)生情況等觀測數據，通過對這些觀測數據進行提取和綜合分析，結合農業(yè)氣象災害指標劃分災害等級，判斷農業(yè)氣象災害的致災強度，影響區(qū)域。目前除少數直接觀測到的天氣災害（冰雹、大風等）外，大多數農業(yè)氣象災害監(jiān)測是通過上述技術流程實現(xiàn)。地面監(jiān)測相對而言自動化程度較低，但技術相對成熟，操作簡單，精度也較高。近年來，隨著互聯(lián)網、遠程視頻技術以及自動化觀測技術的不斷發(fā)展，地面監(jiān)測信息覆蓋面更廣、實時性更強、信息量更精細化，地面觀測信息已成為農業(yè)氣象災害監(jiān)測“大數據”的重要組成部分。

近年來，衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展為農業(yè)氣象災害的監(jiān)測提供了有效工具。衛(wèi)星遙感監(jiān)測主要是通過對遙感地表信息數據的解譯反演，監(jiān)測地表植被變化、農作物長勢、土壤墑情以及較大范圍干旱、洪澇、病蟲害等信息。通過對遙感獲取的最新遙感影像信息與地理信息的疊加，可以監(jiān)測災情最新實況；通過對不同時段的多時相遙感影像數據進行疊加，則可監(jiān)測災害發(fā)展變化的最新趨勢，實現(xiàn)災害區(qū)域化、動態(tài)化監(jiān)測。遙感監(jiān)測的優(yōu)勢在于可以直觀獲取較大范圍的同步的監(jiān)測信息，但目前在監(jiān)測數據獲取周期、云遮擋情況下如何獲取監(jiān)測信息等方面存在瓶頸，另外在某些災害監(jiān)測精度方面還有待進一步提升。

未來農業(yè)氣象災害監(jiān)測將會朝向獲取“大數據”方向不斷發(fā)展，即利用遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)等技術，通過將遙感反演信息、地面定點觀測信息、地面移動觀測信息、自動化高頻監(jiān)測信息等多維度、立體監(jiān)測信息綜合分析，圖像識別技術、高分辨率雷達辨識等新技術也將會應用起來，從而大幅度提升農業(yè)氣象災害監(jiān)測定量化、精細化程度以及可視化程度。

農業(yè)氣象災害預報預警

農業(yè)氣象災害預報是對未來農業(yè)氣象災害可能發(fā)生區(qū)域、發(fā)生時段、災害強度開展的專業(yè)化預報。農業(yè)氣象災害預報可分為長期預報和中短期預報，長期預報一般是利用數理統(tǒng)計模型方法，或者通過模型外推的方法、或者通過提取前兆信息的方法開展相關預報；中短期預報則是基于農業(yè)氣象災害指標，結合天氣要素預報、農業(yè)氣象監(jiān)測預報開展定量化的災害等級和落區(qū)預報。中短期農業(yè)氣象災害預報是開展農業(yè)氣象災害預警的主要技術支撐。

例如，根據低溫冷害標準，低溫冷害的預報需要三個要素相結合：（1）低溫天氣的預報，包括低溫天氣出現(xiàn)區(qū)域和持續(xù)的時間、低于生長適宜溫度的幅度等；（2）作物的生長發(fā)育期預報或者溫度敏感期的確定，不同的生長發(fā)育階段適宜的溫度閾值不同，因此低溫天氣過程對處于不同生長發(fā)育期的作物影響不同，受害與否、受害程度均與發(fā)育期相關；（3）低溫冷害的輕、中、重指標閾值。三個要素相結合，當作物處于低溫敏感階段、低溫天氣影響作物正常生長并且達到該作物受低溫冷害的指標，即可判斷作物可能遭受低溫冷害。將這種基于點上的判斷通過地理信息技術拓展到作物種植區(qū)域上，就可以對低溫冷害可能發(fā)生的范圍、影響的作物以及受害的等級進行預報。目前，基于數值天氣預報技術，可以獲取未來10天左右較為準確的氣象要素預報信息，并且隨著現(xiàn)代農業(yè)氣象觀測預報技術的發(fā)展，作物種植區(qū)域監(jiān)測、作物發(fā)育期監(jiān)測預報已經相對精準，因此，結合農業(yè)氣象指標， 農業(yè)氣象災害預報已經能夠實現(xiàn)未來10天逐日滾動的發(fā)生區(qū)域、發(fā)生程度預報。

有了專業(yè)化的、逐日滾動的未來10天農業(yè)氣象災害可能發(fā)生區(qū)域、發(fā)生時段以及災害強度的預報，當判定未來較大范圍內將要發(fā)生的達到一定嚴重程度的農業(yè)氣象災害時，就可以開展農業(yè)氣象災害預警。一般情況下，由于農業(yè)氣象災害主要是對農業(yè)生產對象造成損失、不會造成重大人員傷亡，所以農業(yè)氣象災害預警等級一般分為輕度、中度、或重度三個級別，分別發(fā)布藍色、黃色和橙色預警信號。國家級發(fā)布預警和省級發(fā)布預警在區(qū)域劃分和防御指南上有一定差別。國家級發(fā)布預警的標準不以省的行政區(qū)域為單位，而是以農業(yè)氣象災害影響區(qū)域作為整體，在此范圍內達到一定等級的區(qū)域農業(yè)氣象災害標準時，發(fā)布相應的預警信號；而省級發(fā)布預警的標準則以本省范圍內達到一定等級的區(qū)域農業(yè)氣象災害時發(fā)布相應的預警信號。

準確地發(fā)布農業(yè)氣象災害預警信息，能使農業(yè)生產部門和廣大農民在災害來臨之前提前采取防御措施，有效避免農業(yè)氣象災害的發(fā)生或減輕災害損失。預警信號發(fā)布后，仍會及時跟蹤農業(yè)氣象災害監(jiān)測和預報結論，適時變更或解除預警信號。目前在農業(yè)氣象災害預警發(fā)布標準、預警信息發(fā)布平臺和系統(tǒng)、預警發(fā)布手段方面還有大量工作要做。如何通過縱橫貫通的預警信息發(fā)布系統(tǒng)，包括網站、廣播電視、農村大喇叭、電子顯示屏等將農業(yè)氣象災害預警信息及時準確地發(fā)布到各級用戶手上，還需要做大量的工作。

未來發(fā)展

現(xiàn)代天氣預報技術、農業(yè)氣象觀測技術和信息化技術的迅猛發(fā)展，給農業(yè)氣象災害監(jiān)測預報預警技術的發(fā)展帶來了前所未有的機遇，但是氣候變化背景下農業(yè)氣象災害發(fā)生頻率增加、強度增強、危害加重也給災害預報預警帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。在防災減災決策者層面上，需要了解一定區(qū)域范圍內農業(yè)氣象災害的現(xiàn)狀、未來發(fā)展趨勢，以便采取防災減災政策上或資源配置上的調整。另一方面，對于個體或者農戶來說，更需要了解自家地里的農作物會不會有災害發(fā)生、如何減免損失，因而在時間上和空間上都要求有更加精細化的農業(yè)氣象災害監(jiān)測和預報預警信息服務。

因而，面向新形勢下我國糧食安全生產提質增效的需求，以及面向不同用戶群開展針對性的農業(yè)氣象災害防災減災服務，需要在農業(yè)氣象災害自動化監(jiān)測、災害預報預警精準化以及服務手段多樣化等方面開展大量的工作。在監(jiān)測技術方法上，要盡快發(fā)展自動化觀測和信息采集識別技術，充分挖掘大數據應用分析技術，獲取規(guī)范、精細和準確的災害監(jiān)測信息；在預報技術上，要充分利用現(xiàn)代天氣預報技術、信息技術、數值模擬技術以及人工智能學習技術，建立精準化的預報預警系統(tǒng)，提升預報準確率和預警發(fā)布時效。此外，在機制層面上還需要集成氣象、農業(yè)、林業(yè)、水利和民政等部門的合力，形成農業(yè)氣象災害防災減災聯(lián)動機制，提升農業(yè)氣象災害預警決策服務和公共服務的公信力。最后，在用戶層面上，及時有效地利用好農業(yè)氣象災害監(jiān)測預警信息，規(guī)避、防范和減免災害，必將實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食穩(wěn)產增效。