設(shè)施溫室氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警分析

徐立強 康健麗 李寶升 李婧

(赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024200)

日光溫室技術(shù)指的是利用光能資源，在寒冷的季節(jié)錯季生產(chǎn)水果、蔬菜。主要的技術(shù)原理是在少量加溫或者不加溫的環(huán)境下，通過調(diào)節(jié)光照、溫濕度和水分，為溫室大棚中的蔬菜水果創(chuàng)造有利的氣候條件，以滿足反季節(jié)生產(chǎn)的需求。日光溫室技術(shù)也是我國獨有的技術(shù)，為增加廣大農(nóng)民的收入，改善農(nóng)民的生活質(zhì)量提供了巨大幫助。在全球氣候變暖的大環(huán)境下，極端、反常的氣候現(xiàn)象也越來越多，對于日光溫室的發(fā)展十分不利?，F(xiàn)階段，我國的日光溫室更傾向于硬件方面的投入，如先進的設(shè)備，但軟件投入相對不足，科技水平較低，抵御氣象災(zāi)害的能力較弱。溫室大棚中的蔬菜水果很容易受到低溫寡照、風雪、凍害等氣象災(zāi)害的影響，損失巨大。筆者嘗試構(gòu)建溫室氣象災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，希望能夠彌補溫室大棚技術(shù)含量較低、軟件投入不足的弊端。

1 系統(tǒng)的設(shè)計思路

溫室氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)共包含4部分，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析/產(chǎn)品制作、數(shù)據(jù)發(fā)布，滿足各種用戶的需求，為用戶提供需要的服務(wù)。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 溫室氣象災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

1.1 數(shù)據(jù)采集

小氣候監(jiān)測子系統(tǒng)，主要為系統(tǒng)提供溫室的小氣候情況，由溫室內(nèi)部與外部的自動氣象站組成，可實時監(jiān)測并提供溫濕度、地溫、輻射情況等氣象要素。

1.2 數(shù)據(jù)管理

基本數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的功能是存儲、發(fā)布數(shù)據(jù)；Web服務(wù)器則負責提供設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象信息網(wǎng)，并發(fā)布以WebGIS為基礎(chǔ)的日常溫室氣象信息。

1.3 數(shù)據(jù)分析/產(chǎn)品制作

此部分是該系統(tǒng)的控制終端，擁有數(shù)據(jù)預(yù)處理、災(zāi)害預(yù)警、預(yù)報溫室氣象條件、制作手機短信等一系列功能。

1.4 數(shù)據(jù)發(fā)布

根據(jù)服務(wù)平臺的要求，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)制作成可以通過手機短信和網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布的信息，以滿足用戶需求。

2 實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 溫室小氣候遠程監(jiān)控系統(tǒng)

以無線移動技術(shù)(GPRS/CDMA)、互聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)設(shè)計遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了環(huán)境因子測試技術(shù)、無線通信技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?？煞?大模塊，即服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收與存儲模塊、監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊、Web數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)發(fā)布模塊。在地理信息系統(tǒng)上可連接遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)模塊與當?shù)貧庀笳镜臄?shù)據(jù)庫，同時結(jié)合農(nóng)作物的災(zāi)害指標分析結(jié)果，呈現(xiàn)基于GIS的災(zāi)害預(yù)警信息電子地圖。

在終端數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊上能夠動態(tài)采集溫室現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，利用GPRS/CDMA無線移動通信網(wǎng)絡(luò)連接因特網(wǎng)，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。監(jiān)控中心的SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上所運行的便是服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收與存儲模塊，不僅能夠偵聽指定的端口，還能準確識別并接受終端采集發(fā)送模塊發(fā)出的TCP Socket連接請求，并進行校驗與解析數(shù)據(jù)串，然后在數(shù)據(jù)庫表中存儲解析后的數(shù)據(jù)。基于Web的數(shù)據(jù)管理模塊的功能是為用戶提供數(shù)據(jù)應(yīng)用接口以及相關(guān)服務(wù)，包括登錄界面、數(shù)據(jù)檢索、歷史數(shù)據(jù)查找、分析、下載等。

2.2 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的獲取

系統(tǒng)的地理數(shù)據(jù)主要由我國基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)中心提供，指的是1∶25萬測繪地理用的地理信息數(shù)據(jù)集。利用地理信息系統(tǒng)(GIS)，能夠轉(zhuǎn)換、疊加、拼接、剪裁省內(nèi)1∶25萬的地理背景數(shù)據(jù)，最終形成省級地理背景數(shù)據(jù)層集。行政邊界文件將省外定義為0，省界內(nèi)填充的是市縣編碼。系統(tǒng)可以調(diào)入Arcview SHP格式的省行政區(qū)域矢量圖，采用高斯-克呂格投影。

如果系統(tǒng)判斷將會發(fā)生低溫寡照災(zāi)害，就會顯示災(zāi)害發(fā)生的地區(qū)與強度，以及省內(nèi)所有站點均有災(zāi)害出現(xiàn)的經(jīng)緯度。如果系統(tǒng)判定會有不同程度的災(zāi)害發(fā)生，根據(jù)各個站點的預(yù)警等級，利用地理信息技術(shù)后，此站點所對應(yīng)的行政區(qū)域就會顯示相應(yīng)的顏色值；如果沒有氣象災(zāi)害，則顏色不發(fā)生改變，通過這種方式可起到災(zāi)害預(yù)警效果。

2.3 氣象數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的獲取

遠程氣象監(jiān)控系統(tǒng)能夠動態(tài)讀取溫室的氣象數(shù)據(jù)。在局域網(wǎng)上可讀取的數(shù)據(jù)有省內(nèi)所有氣象臺站的氣象數(shù)據(jù)、省氣象臺制作的省內(nèi)逐日天氣預(yù)報數(shù)值的預(yù)報產(chǎn)品，以及由省農(nóng)業(yè)廳提供當前溫室蔬菜水果的種植面積、種類等相關(guān)資料。

2.4 預(yù)警指標的確認

試驗結(jié)果表明，溫室內(nèi)蔬菜冠層的氣溫和外界日照的時數(shù)密切相關(guān)，外界的輻射量對溫室內(nèi)的熱量條件產(chǎn)生重要影響。每種蔬菜對光照溫度與水分的需求不同，因此要根據(jù)蔬菜種類、發(fā)育期確定低溫寡照災(zāi)害的等級。處于開花結(jié)果期的蔬菜對日光是十分敏感的，以河北省廣泛種植的黃瓜與番茄為例，確定溫室不同等級的低溫寡照災(zāi)害指標，如表1所示。

表1 黃瓜與番茄開花結(jié)果期不同等級的低溫寡照災(zāi)害指標

3 溫室氣象服務(wù)系統(tǒng)介紹

此系統(tǒng)是一個以ASP技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)站，將Microsoft Frontpage作為平臺，使用JavaScript與VBScript腳本來編輯，由SQL Server 2000后臺數(shù)據(jù)庫提供支持。用戶通過頁面可以訪問數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)、修改數(shù)據(jù)、插入數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫采用Sql Server進行開發(fā)、設(shè)計，采用VB Script連接和修改，涵蓋了以下模塊。科學技術(shù)：這一模塊主要功能是普及大棚內(nèi)的小氣候特點、使用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、常見病蟲害與氣象、氣象災(zāi)害標準、生育期的氣象條件、天氣預(yù)報指數(shù)等。溫度預(yù)報：通過小氣候模擬系統(tǒng)對未來24h內(nèi)溫室大棚的溫濕度變化進行預(yù)測。數(shù)據(jù)監(jiān)控與圖像監(jiān)測：顯示實時數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)，通過圖像的方式呈現(xiàn)農(nóng)作物的生長發(fā)育狀況。農(nóng)用天氣預(yù)報：與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的噴藥、通風、覆蓋等信息。氣象服務(wù)：手機短信、決策服務(wù)和公眾服務(wù)。氣象災(zāi)害天氣預(yù)警：風害、高溫熱害、低溫凍害、雪災(zāi)等。

3.1 農(nóng)用氣象預(yù)報

通過溫室小氣候遠程監(jiān)測系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)來研究大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長發(fā)育、病蟲害和小氣候之間的關(guān)系，分析不同類型大棚的棚內(nèi)小氣候和大氣候之間的關(guān)系，構(gòu)建溫室小氣候模擬系統(tǒng)，同時聯(lián)合天氣預(yù)報產(chǎn)品來預(yù)測未來24h溫室內(nèi)的氣象變化，分析對大棚農(nóng)作物有利、有害的氣象因素，并制訂相應(yīng)的防范措施。根據(jù)病蟲害的發(fā)生特點，模擬未來7d內(nèi)的天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，并得出未來7d內(nèi)溫室氣候與病蟲害危害程度的模擬預(yù)報，最終準確掌握病蟲害的發(fā)生與發(fā)展規(guī)律，為病蟲害的防治奠定良好基礎(chǔ)。

3.2 農(nóng)用天氣預(yù)報

立足于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，在農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報、氣候預(yù)測、天氣預(yù)測的基礎(chǔ)上，采用農(nóng)業(yè)氣象定量評價技術(shù)以及農(nóng)業(yè)氣象指標體系來預(yù)測可能會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生影響的天氣，制訂有效的防范措施，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供針對性的氣象服務(wù)，如揭簾蓋簾、噴灑農(nóng)藥、開啟或關(guān)閉通風口等。

3.2.1 噴藥農(nóng)用天氣預(yù)報

溫室大棚內(nèi)的空氣濕度普遍較高，為病蟲害的發(fā)生創(chuàng)造了有利條件。提前噴灑農(nóng)藥可起到預(yù)防病蟲害的效果，噴藥的最佳時機是天氣晴朗、陽光充足的下午，可提高農(nóng)藥的吸收率。噴藥的基本要求是下午蓋簾之前農(nóng)藥能干，如果未干，隨著夜間大棚內(nèi)的濕度不斷提高，農(nóng)藥會逐漸流失，不僅浪費成本，而且還影響噴藥效果。噴藥農(nóng)用天氣預(yù)報有3個等級。適宜：光照充足、天氣晴朗，可最大程度發(fā)揮藥效。較適宜：光照較弱，多云，但農(nóng)藥可以在蓋簾前干燥，基本可以發(fā)揮藥效。不適宜：陰、雨、雪天氣，同時沒有打開通風口，大棚內(nèi)的濕度較高，不可噴藥。

3.2.2 灌溉農(nóng)用天氣預(yù)報

在溫室大棚內(nèi)，灌溉是一種非常常見的農(nóng)事活動，灌溉次數(shù)最多的時間是蔬菜的定植階段。冬天為了保持地溫，不適合頻繁灌溉，通常每30d灌溉2次。應(yīng)根據(jù)氣象條件來選擇灌溉時機，灌溉在增加墑情的同時，也會降低地溫，提高大棚內(nèi)的空氣濕度，因此陰雨天不適合灌溉。最佳的灌溉時機是連續(xù)多日的晴朗天氣，灌溉后大棚內(nèi)的地溫可以迅速回升。灌溉農(nóng)用天氣預(yù)報同樣分為3個等級。適宜：連續(xù)多天晴朗。較適宜：多云，灌溉后地溫緩慢回升。不適宜：寒潮、陰天、雨雪天。

3.2.3 覆蓋農(nóng)用天氣預(yù)報

冬天，溫室大棚每天都要揭蓋草簾，還要根據(jù)溫濕度和天氣變化來增減草簾，以滿足農(nóng)作物生長所需。從2020年10月定植，到2021年6月結(jié)束生產(chǎn)，農(nóng)作物經(jīng)歷了顯著的溫度變化，高溫—低溫—高溫。夜間最低溫度甚至可達到-25℃～-20℃，而且還會遭受寒潮、暴雨、暴雪、大風等惡劣氣候。通過覆蓋來調(diào)節(jié)夜間的大棚溫度，保證棚內(nèi)溫度可以滿足農(nóng)作物的需求。外界環(huán)境的變數(shù)較多，所以應(yīng)靈活選擇覆蓋方式。覆蓋農(nóng)用天氣預(yù)報指數(shù)如表2所示。

表2 覆蓋農(nóng)用天氣預(yù)報指數(shù)

3.2.4 通風農(nóng)用天氣預(yù)報

通風指的是在大棚內(nèi)溫度能夠滿足農(nóng)作物生長需求的情況下，為了避免高溫熱害所采取的一種手段，同時還能降低大棚濕度。通風農(nóng)用天氣預(yù)報指數(shù)如表3所示。

表3 通風農(nóng)用天氣預(yù)報指數(shù)

3.2.5 災(zāi)害天氣預(yù)警

參考預(yù)報信息和氣象災(zāi)害指標對災(zāi)害的預(yù)警等級、危害程度進行判斷，然后通過災(zāi)害影像庫與防御措施庫公布預(yù)警信號、防范措施。如表4所示。

表4 氣象災(zāi)害的指標、影響程度、防范措施

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著日光溫室分布不斷擴大、在農(nóng)業(yè)中所占份額不斷提高，對氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警服務(wù)的需求更加迫切。信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，極大地豐富了氣象服務(wù)的方式，傳統(tǒng)的電話傳真服務(wù)逐漸轉(zhuǎn)向電子郵件、APP、微博、微信公眾號等信息化形式。氣象災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，增強了溫室大棚抵御氣象災(zāi)害的能力，對于促進我國農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要作用。如何進一步增加基于無線遠程監(jiān)控站點，逐步形成針對日光溫室環(huán)境的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并將基于定點的觀測數(shù)據(jù)、氣象部門的背景數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)更好地融合，進一步細化氣象災(zāi)害的指標系統(tǒng)，使之能在更多種類作物上推廣應(yīng)用，則是今后的重要研究任務(wù)。