新疆氣象大數(shù)據(jù)+棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺建設(shè)與應(yīng)用

崔玉玲，馬雷凱，李阿橋，阿吉古麗·沙依提，王森，吉春容

（1.烏魯木齊市氣象局，烏魯木齊 830002；2.新疆氣象學(xué)會，烏魯木齊 830002；3.新疆氣象信息中心，烏魯木齊 830002；4.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺，烏魯木齊 830002）

棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)直接影響新疆的區(qū)域經(jīng)濟(jì)和農(nóng)民的切身利益[1]。 隨著人力成本的不斷上升和田間管理規(guī)模的不斷擴(kuò)大，通過看天、看地、看花、看蟲等方法來判斷作物水分和養(yǎng)分虧缺狀況等進(jìn)而進(jìn)行田間管理決策的種植管理模式， 費(fèi)時長、耗力大、成本高，已不再適用。 此外，加上品種更替帶來的不確定性，農(nóng)民常常通過不斷試錯種植獲得生產(chǎn)經(jīng)驗，導(dǎo)致棉花等作物得不到最優(yōu)管理，造成資源浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)效益低等問題，影響棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的穩(wěn)定性[2-3]。新疆作為植棉大?。▍^(qū)），開展“氣象大數(shù)據(jù)＋棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺”建設(shè)，對于適應(yīng)新形勢下現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求、 培育壯大農(nóng)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)，推動鄉(xiāng)村振興和棉花產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，助力中國棉花產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。 因此，為了推動新疆棉花產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、高質(zhì)量發(fā)展，通過實(shí)時監(jiān)測氣候、土壤墑情等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，再將其進(jìn)行二次整理和匯集，構(gòu)建了氣象大數(shù)據(jù)＋棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺，創(chuàng)建了全國首家棉花“氣象科技小院”，組建新疆棉花氣象科技服務(wù)團(tuán)隊，開設(shè)了氣象服務(wù)應(yīng)用培訓(xùn)和科技咨詢大講堂，打通棉花科技信息服務(wù)的“最后一公里”。

1 氣象大數(shù)據(jù)＋棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺功能

1.1 氣象大數(shù)據(jù)云平臺“天擎”

氣象大數(shù)據(jù)云平臺“天擎”（天擎新疆）是由國家氣象局開發(fā)的，可以提供“數(shù)算一體”的平臺化服務(wù)，全面支撐棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺所有數(shù)據(jù)資源的匯聚、管理和服務(wù)，包括氣象觀測數(shù)據(jù)、融合產(chǎn)品、業(yè)務(wù)服務(wù)產(chǎn)品、設(shè)備信息、監(jiān)控日志等[4]。

該平臺以全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）為基礎(chǔ)，引入云計算、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，應(yīng)用并本地化了中國氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（CLDAS-V2.0）的實(shí)況融合產(chǎn)品，使用新疆本地雷達(dá)產(chǎn)品和全疆地面自動站數(shù)據(jù)，基于卷積網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多源融合校準(zhǔn)的中國氣象局局地分析與預(yù)報系統(tǒng)（LAPS），進(jìn)一步優(yōu)化空間分辨率為5 km、時間分辨率為1 h 的實(shí)況融合格點(diǎn)產(chǎn)品，大大優(yōu)化了數(shù)據(jù)匯聚、加工、服務(wù)和應(yīng)用支撐全流程；支持大數(shù)據(jù)匯集交換、多源挖掘分析和開放共享服務(wù)，顯著改善氣象信息資源的有效供給和精準(zhǔn)服務(wù)，將后端產(chǎn)品加工和數(shù)據(jù)產(chǎn)品管理融入進(jìn)來，對前端應(yīng)用進(jìn)行服務(wù)化改造，構(gòu)成“云＋端”的系統(tǒng)模式，為棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐[5-9]。

1.2 棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺

依托氣象大數(shù)據(jù)云平臺“天擎”，圍繞棉花不同生育時期及種植管理模式，結(jié)合棉花生長氣象服務(wù)指標(biāo)，建設(shè)完成棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺（棉花氣象服務(wù)網(wǎng)，http://222.82.235.73:8016/cotton-web/gridForecast），包括監(jiān)測預(yù)報、災(zāi)害預(yù)警、生長評價、關(guān)鍵期預(yù)報、棉田氣象動態(tài)、實(shí)用技術(shù)六大功能模塊，實(shí)現(xiàn)了棉花種植的產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后系列化動態(tài)氣象保障服務(wù)。

監(jiān)測預(yù)報模塊， 可實(shí)現(xiàn)棉田小氣候?qū)崨r監(jiān)測，農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警， 基于地塊的未來天氣預(yù)報，棉花長勢實(shí)時查看， 棉田氣象災(zāi)害和病蟲害發(fā)生概況、土壤水分情況的動態(tài)分析功能；災(zāi)害預(yù)警模塊的功能包括農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)測、 災(zāi)害影響評估；生長評價和關(guān)鍵期預(yù)報模塊，可針對棉花播種期、苗期、現(xiàn)蕾期、花鈴期、吐絮期、成熟期進(jìn)行生長氣象條件專項預(yù)報分析，并實(shí)時將服務(wù)信息同步至種植戶手機(jī)。

1.3 在瑪納斯縣的棉花氣象服務(wù)探索

瑪納斯縣位于北疆植棉區(qū)的中心地帶，2020—2021 年以瑪納斯縣北五岔鎮(zhèn)、 中棉集團(tuán)瑪納斯棉業(yè)有限公司周邊、瑪納斯新天地棉花專業(yè)合作社為服務(wù)區(qū)域（服務(wù)面積1 573 hm2），充分了解不同用戶的服務(wù)需求，將棉花生長氣象指標(biāo)、棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺等系列成果進(jìn)行示范轉(zhuǎn)化和服務(wù)推廣應(yīng)用，提供棉花種植的產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后系列化動態(tài)氣象服務(wù)（圖1），創(chuàng)新服務(wù)手段，探索服務(wù)模式，取得了較好的服務(wù)效果，受到了合作社成員的一致認(rèn)可。

圖1 棉花氣象服務(wù)體系

1.3.1產(chǎn)前服務(wù)。 利用全疆氣象站點(diǎn)近60 年的氣候數(shù)據(jù)，根據(jù)棉花生長發(fā)育農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)，明確不同熟性（中熟、中早熟、早熟、特早熟）棉花品種的適宜種植范圍，提示不同棉區(qū)主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險，如終霜凍風(fēng)險等。 這可使生產(chǎn)決策者充分了解當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源與災(zāi)害風(fēng)險， 合理進(jìn)行種植布局，在風(fēng)險區(qū)提前采取防御措施（如設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)、種植防護(hù)林、購買災(zāi)害保險等）以提高抗風(fēng)險能力，從而充分利用氣候資源獲得棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。如對北五岔鎮(zhèn)的棉花種植氣候條件分析可知，其屬于棉花種植適宜區(qū)，主要?dú)庀鬄?zāi)害為大風(fēng)、低溫、高溫。

1.3.2產(chǎn)中服務(wù)。 針對棉花生產(chǎn)關(guān)鍵期開展系列化服務(wù)，如：提示播種期、頭水期、打頂期、停水期、吐絮期、脫葉劑噴施期等；根據(jù)天氣預(yù)報不定期發(fā)布災(zāi)害預(yù)警及影響評估材料，按旬、月、季、年定期評估氣象條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響；利用農(nóng)田實(shí)景（圖像識別）和天氣預(yù)報（智能網(wǎng)格預(yù)報）動態(tài)監(jiān)測天氣條件對棉花生產(chǎn)的影響，同時開展棉花產(chǎn)量預(yù)報，為政府宏觀調(diào)控、市場價格走勢研判提供依據(jù)。 下面以2021 年春播氣象服務(wù)和秋收氣象服務(wù)為例進(jìn)行說明。

（1）春播氣象服務(wù)。 ①播種前，根據(jù)2021 年春季氣候條件以及未來天氣的氣候預(yù)測結(jié)果，結(jié)合棉花播種氣象指標(biāo)，預(yù)測本年度不同植棉區(qū)的適宜播種期，如瑪納斯縣服務(wù)區(qū)域的棉花適宜播種期為4月9-20 日。 ②播種過程中，根據(jù)未來7 d 動態(tài)天氣預(yù)報實(shí)時提供基于地塊春耕春播的農(nóng)用天氣預(yù)報，隨時建議調(diào)整播種進(jìn)度，抓住有利天氣時段、避開災(zāi)害性天氣。 ③開展農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警服務(wù)。如針對2021 年4 月下旬低溫霜凍天氣，4 月18日發(fā)布棉花霜凍預(yù)警，4 月21 日再次發(fā)布棉花霜凍和低溫冷害預(yù)警，提示不同植棉區(qū)災(zāi)害影響范圍及程度，并給出如下建議：未播種的農(nóng)戶應(yīng)在“冷尾暖頭”抓緊播種；對剛播種不久的棉田，應(yīng)在“冷尾暖頭”滴水且減少滴灌水量，并提早防風(fēng)壓膜；對已出苗或快出苗的棉田，應(yīng)提前做好冷害、霜凍災(zāi)害的防御準(zhǔn)備，及時中耕松土、破除土壤板結(jié)[10]。④提供農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害影響評估服務(wù)，在災(zāi)害發(fā)生發(fā)展過程中持續(xù)進(jìn)行氣象條件分析，連續(xù)發(fā)布基于地塊的氣象條件預(yù)報，為災(zāi)后采取補(bǔ)種等不同措施提供支撐。 ⑤在棉花生長關(guān)鍵期，根據(jù)需求開展不定期實(shí)時氣象服務(wù)，如分析棉花苗期溫度、積溫的差異及影響，為采取不同生長調(diào)節(jié)措施提供氣象信息支持。

（2）秋收氣象服務(wù)。①秋收前，根據(jù)當(dāng)年夏秋季氣候條件以及未來天氣的氣候預(yù)測結(jié)果，結(jié)合棉花生長氣象指標(biāo)， 預(yù)測本年度不同植棉區(qū)的吐絮時間。 ②進(jìn)入吐絮期后，根據(jù)噴施脫葉劑的氣象指標(biāo)和天氣預(yù)報，制作不同植棉區(qū)適宜噴施脫葉劑的氣象等級服務(wù)產(chǎn)品，指導(dǎo)農(nóng)戶合理選擇噴施脫葉劑的時機(jī)，實(shí)現(xiàn)棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

1.3.3產(chǎn)后服務(wù)?？偨Y(jié)分析當(dāng)年氣象條件對棉花生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響，從氣候角度評述當(dāng)?shù)孛藁óa(chǎn)量、品質(zhì)優(yōu)勢，通過新疆興農(nóng)網(wǎng)的網(wǎng)站（www.xjxnw.com）、微信公眾號、抖音賬號等發(fā)布，提升優(yōu)質(zhì)植棉區(qū)的知名度。

2 棉花氣象服務(wù)模式創(chuàng)新

針對不同用戶群體的需求，研發(fā)了面向大眾的公眾服務(wù)模式和面向具體用戶的定制化服務(wù)模式。前者是通過新疆興農(nóng)網(wǎng)的網(wǎng)站、微信公眾號、抖音賬號等第一時間對外發(fā)布全疆棉花氣象服務(wù)產(chǎn)品，被“絲路小棉襖”“天山植?！薄稗r(nóng)之道”等棉花服務(wù)微信公眾號大量轉(zhuǎn)載。后者是基于瑪納斯合作社服務(wù)案例， 探索出的個性化棉花氣象服務(wù)模式，利用5 km×5 km 格點(diǎn)預(yù)報技術(shù)研發(fā)了基于位置的棉花氣象服務(wù)網(wǎng)和棉花氣象服務(wù)小程序（圖2），可根據(jù)用戶所在具體位置，開展棉花生產(chǎn)全過程私人訂制氣象服務(wù)。

圖2 棉花氣象小程序

3 建設(shè)全國首家棉花“氣象科技小院”

“氣象科技小院” 是新疆氣象學(xué)會整合農(nóng)業(yè)人才和技術(shù)資源力量打造而成的，集中展示了瑪納斯縣農(nóng)業(yè)氣候資源狀況、棉花種植適宜性區(qū)劃和災(zāi)害性區(qū)劃、棉花氣象服務(wù)指標(biāo)、棉花氣象科技服務(wù)團(tuán)隊等。 棉花氣象科技服務(wù)團(tuán)隊匯聚了高校、事業(yè)單位、企業(yè)、合作社等人才?！皻庀罂萍夹≡骸币試颐藁庀蠓?wù)中心為支撐，圍繞棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展中急需解決的氣象科技問題，引導(dǎo)科研單位、企業(yè)與新型經(jīng)營主體建立緊密的合作關(guān)系，開展棉花生產(chǎn)全過程精細(xì)化、定制化智慧農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)、防災(zāi)減災(zāi)科普宣傳和棉花高產(chǎn)栽培管理技術(shù)培訓(xùn)，充分發(fā)揮氣象防災(zāi)減災(zāi)第一道防線的作用，推動棉花產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、高質(zhì)量發(fā)展，打通科技成果轉(zhuǎn)化和技術(shù)服務(wù)、技術(shù)推廣的“最后一公里”。

4 開展技術(shù)培訓(xùn)與科技咨詢

為了解決科研與生產(chǎn)實(shí)踐脫節(jié)、人才培養(yǎng)與社會需求錯位、農(nóng)業(yè)技術(shù)人員遠(yuǎn)離農(nóng)民和農(nóng)村等制約科技創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化和“三農(nóng)”發(fā)展等的問題，結(jié)合新疆氣象部門業(yè)務(wù)特點(diǎn)及實(shí)際情況，依托棉花“氣象科技小院”，開展氣象災(zāi)害科普、農(nóng)民培訓(xùn)、精細(xì)化棉花氣象服務(wù)等一體的系列培訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)專家與農(nóng)民的零距離接觸，科研與生產(chǎn)、育人與用人相結(jié)合，進(jìn)一步優(yōu)化了“政產(chǎn)學(xué)研用”一體化模式。 在“氣象科技小院”， 專家為村民講解防災(zāi)減災(zāi)氣象科普知識和人工影響天氣原理， 通過虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality,VR） 設(shè)備讓參與者身臨其境地體驗氣象災(zāi)害現(xiàn)場情景；依托“氣象大數(shù)據(jù)＋棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺”，開設(shè)了氣象服務(wù)應(yīng)用培訓(xùn)和科技咨詢大講堂，就棉農(nóng)關(guān)心的棉花種植栽培管理和病蟲害防治、氣象條件影響以及天氣指數(shù)保險等問題做出了詳細(xì)解答，得到當(dāng)?shù)胤N棉大戶的一致好評。

5 棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺應(yīng)用存在的問題及展望

“氣象大數(shù)據(jù)＋棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺”，初步完成了基于田間地塊的格點(diǎn)化、精準(zhǔn)化棉花生產(chǎn)氣象服務(wù)，為防災(zāi)減災(zāi)、趨利避害提供了技術(shù)支持。依托在棉花專業(yè)合作社建立“氣象科技小院”，棉農(nóng)可面對面咨詢專家、獲得點(diǎn)對點(diǎn)的技術(shù)支持，解決了棉花氣象為農(nóng)服務(wù)“最后一公里”問題，實(shí)現(xiàn)了氣象保障服務(wù)與生產(chǎn)種植零距離。 但是，棉花科創(chuàng)助農(nóng)平臺服務(wù)過程中仍存在一些問題：一是平臺主要是針對氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警，對合作社、種植大戶病蟲害防治和水肥投入的指導(dǎo)，目前還依靠科技服務(wù)人員點(diǎn)對點(diǎn)、手動信息化加工，降低了其時效性；二是不同受眾群體對氣象條件與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系的認(rèn)知和分析能力存在差異。 因此，應(yīng)盡快提升對病蟲害防治和水肥投入的智能化、智慧化服務(wù)能力，加強(qiáng)對棉農(nóng)的氣象防災(zāi)減災(zāi)科普力度，提升其防災(zāi)減災(zāi)意識和對氣象服務(wù)的重視程度[11]。