郭宇恒 張佳睿 王泓月
(1.東豐縣氣象局,吉林 東豐 136300;2.白山市長白朝鮮族自治縣氣象局,吉林 長白 134400;3.長嶺縣氣象局,吉林 長嶺 131500)
2022年中央一號文件提出,守住耕地紅線、保障糧食安全是“十四五”發(fā)展時期各項農(nóng)業(yè)工作的基礎(chǔ)。這說明農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系建設(shè)的落腳點是提高農(nóng)業(yè)質(zhì)量效益和競爭力。結(jié)合當(dāng)前創(chuàng)新型社會構(gòu)建需求,設(shè)計與應(yīng)用農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系時要引入現(xiàn)代化和智能化技術(shù),創(chuàng)新自然災(zāi)害防御工程,全力保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。如何加快農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系建設(shè)腳步成為吉林省相關(guān)部門現(xiàn)階段需要著力解決的問題。
吉林省于20世紀(jì)60年代著手構(gòu)建農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系,并初步形成科研隊伍,研究結(jié)果服務(wù)于有機(jī)水稻、大豆、玉米等糧食作物栽培,為制訂防雹、防霜、抗寒、抗旱策略提供支持。進(jìn)入20世紀(jì)80年代,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,吉林省農(nóng)業(yè)氣象研究隊伍在收集和分析經(jīng)驗資料的基礎(chǔ)上給出的農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)報更為精準(zhǔn)[1]。20世紀(jì)90年代至今,吉林省農(nóng)業(yè)氣候服務(wù)體系已初具規(guī)模,能夠提供多項服務(wù)。
吉林省各縣市根據(jù)《氣象數(shù)據(jù)服務(wù)接口規(guī)范》(QX/T 618—2021),建立了“一本賬”“一張圖”“一張網(wǎng)”“一把尺”“一平臺”和“一隊伍”,能夠重點體現(xiàn)發(fā)展價值的是“一本賬”“一張圖”和“一把尺”[2]。各縣市整理各類氣象防災(zāi)減災(zāi)數(shù)據(jù)后,如旅游景區(qū)數(shù)量、地質(zhì)災(zāi)害隱患點、山洪溝等,將其傳輸至基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,形成“一本賬”?;跉庀缶纸o出的防災(zāi)減災(zāi)地圖模板,各縣市將山洪溝位置、洪水隱患點、河流、易燃易爆場所、交通信息、區(qū)域遙感影像圖等整合成“一張圖”,作為防御計劃實施的指導(dǎo)性信息。打造“一張網(wǎng)”是將各類預(yù)警信息及時精準(zhǔn)傳送的必要手段。目前,吉林省氣象預(yù)警信息發(fā)布渠道已拓展至釘釘、微博、微信、抖音等多種媒介,并逐步形成能夠?qū)崟r傳遞防災(zāi)減災(zāi)氣象信息的“一張網(wǎng)”[3]。
信息服務(wù)體系作為一個安全穩(wěn)定的平臺,主要涵蓋氣象災(zāi)害監(jiān)測評估、動態(tài)產(chǎn)量預(yù)報、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)功能拓展、農(nóng)作物生長模擬、情報數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報等功能。該系統(tǒng)能夠在獲取氣象信息的前提下,綜合分析農(nóng)業(yè)專家意見和氣象災(zāi)害風(fēng)險,進(jìn)而得到農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害評估、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建議和農(nóng)業(yè)天氣預(yù)報,實現(xiàn)氣象為農(nóng)服務(wù)。
預(yù)報預(yù)測體系包含氣象觀測和預(yù)報兩個版塊。其中,氣象觀測版塊能夠提供作物實景、農(nóng)田小氣候、地下水位、土地墑情等信息,自動化水平大幅提高。預(yù)報版塊則能夠提供農(nóng)事活動期氣象服務(wù)。例如,在將暴雨洪澇災(zāi)害等成災(zāi)區(qū)域精準(zhǔn)劃分后,生成災(zāi)情數(shù)據(jù)庫,并利用GIS技術(shù)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安排提供適宜性建議。除此以外,預(yù)報版塊還包含MICAPS處理平臺,可借助局域網(wǎng)共享數(shù)據(jù)預(yù)報產(chǎn)品,通過預(yù)處理新一代雷達(dá)資料、衛(wèi)星云圖資料、自動站觀測資料和數(shù)據(jù)預(yù)報產(chǎn)品資料,為氣象信息加工預(yù)報系統(tǒng)提供支持[4]。
采用SWOT分析法對吉林省農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系建設(shè)情況加以分析,具體結(jié)果如下。優(yōu)勢(S)包括信息服務(wù)產(chǎn)品送達(dá)及時、人工影像技術(shù)不斷發(fā)展、災(zāi)害防御能力提升、預(yù)報系統(tǒng)優(yōu)化、農(nóng)業(yè)觀測水平提高。劣勢(W)包括應(yīng)對突發(fā)災(zāi)害能力較弱、創(chuàng)新機(jī)制完善程度不高、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)覆蓋面窄、氣象觀測技術(shù)創(chuàng)新不足、技術(shù)型氣象人員缺乏。威脅(T)包括國際大環(huán)境改變、資金不足、宣傳力度不足。機(jī)遇(O)包括政策向民生傾斜、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)體系建設(shè)不斷推進(jìn)、經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、氣象領(lǐng)域不斷發(fā)展。根據(jù)上述分析,筆者構(gòu)建了如表1所示的吉林省農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系建設(shè)SWOT矩陣。
表1 吉林省農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系建設(shè)SWOT矩陣
由分析可知,吉林省農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系建設(shè)的機(jī)遇與優(yōu)勢較為明顯,能夠有效推進(jìn)健康發(fā)展機(jī)制的生成。因此,筆者主要以圖1所示的S+O戰(zhàn)略作為優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略,以完善和優(yōu)化農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系為工作重心,提供高水平服務(wù)產(chǎn)品[5]。
圖1 吉林省氣象服務(wù)體系戰(zhàn)略區(qū)位選擇
遼源市處于東經(jīng)124°51′~125°49′、北緯42°17′~43°13′,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,夏季濕熱多雨,冬季寒冷干燥且相較于夏季更為漫長;年平均氣溫5.4 ℃,年最低氣溫-35 ℃,年最高氣溫37 ℃;平均無霜期140 d,冰凍期193 d,深度可達(dá)1.5 m;年平均降水量666.5 mm,降水集中于7—8月,最大日降水量104.3 mm。遼源市全年多西南風(fēng),其中冬季靜風(fēng)期占比較大(約為34%),最大風(fēng)速12 m/s,平均頻率為26%。
3.2.1 氣象觀測網(wǎng)絡(luò)。遼源市氣象部門建立了農(nóng)田小氣候自動觀測站、積雪重量觀測站、桃花水人工觀測站和自動氣象觀測站,提供地溫、氣壓、溫度和降水量等實時信息,并將所觀測的作物生育管理期的二氧化碳濃度、日照強(qiáng)度、土壤溫濕度、環(huán)境溫度等信息上傳至數(shù)據(jù)庫,生成管理數(shù)據(jù)統(tǒng)計折線圖[6]。
3.2.2 氣象預(yù)報網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)?shù)貧庀蟛块T設(shè)計短時預(yù)報模塊,參照雨量站、自動觀測站所提供的資料,生成臨近短時氣象預(yù)報。工作人員利用人機(jī)交互工作站,結(jié)合整個高空和地面觀測資料,制作地面、高空天氣圖,為農(nóng)戶提供包含溫度和降水等關(guān)乎農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的播報產(chǎn)品。氣象部門綜合利用雷達(dá)圖像和衛(wèi)星云圖,精準(zhǔn)預(yù)測天氣情況,監(jiān)測在短時間內(nèi)是否會出現(xiàn)大風(fēng)、暴雨、暴雪等極端惡劣天氣[7]。
3.2.3 氣象決策服務(wù)。政府及農(nóng)業(yè)部門制定農(nóng)業(yè)發(fā)展決策時需要基于相關(guān)氣象信息,如《氣象信息專報》《氣象信息周報》《降水量通報》《春耕氣象服務(wù)專報》等,結(jié)合農(nóng)戶種植農(nóng)作物種類等情況,向農(nóng)戶和政府有關(guān)部門按時發(fā)布各類氣象信息,以此支持發(fā)展決策意見的制定。
3.2.4 氣象災(zāi)害預(yù)警。遼源市氣象部門在召開農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)會議的過程中,總結(jié)氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)庫所提供的信息,評估此工作階段霜凍、干旱和洪澇氣象災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險,確定風(fēng)險等級,編寫氣象災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案。這要求工作人員盡早應(yīng)用人工干預(yù)的辦法,改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利條件,降低災(zāi)害影響程度。
遼源市氣象部門相關(guān)人員在深度學(xué)習(xí)現(xiàn)代化和智能化技術(shù)的背景下,利用多種先進(jìn)技術(shù),嘗試創(chuàng)新農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系,力求提供創(chuàng)新服務(wù)。
3.3.1 氣象業(yè)務(wù)模型超市。遼源市氣象部門總結(jié)研究成果和實際生產(chǎn)信息,設(shè)計氣象監(jiān)測預(yù)警模型,聯(lián)合機(jī)械學(xué)習(xí)應(yīng)用引擎、空間分析模型、多元擬合方程和指數(shù)等級模型,采用可拖曳節(jié)點建模方式,求出氣象數(shù)據(jù)資源均值、和值、最大與最小值,并引入GDAL類庫和集合算法,構(gòu)建農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用模型。氣象部門在政府支持下為服務(wù)體系研發(fā)人員提供政策和資金支持,鼓勵其實地開展研究工作,嘗試將模型應(yīng)用于實踐作業(yè)中[8]。遼源市氣象部門根據(jù)應(yīng)用中所獲取的參數(shù),檢驗原模型超市的完備性和精準(zhǔn)度,圍繞當(dāng)?shù)靥厣r(nóng)產(chǎn)品,如玉米、草蘑、松傘、有機(jī)大米等,輸出災(zāi)害影響評估、氣候資源區(qū)劃、病蟲害發(fā)生發(fā)展分析、農(nóng)業(yè)氣象指數(shù)保險、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害指標(biāo)和作物產(chǎn)量預(yù)報數(shù)據(jù)信息,指導(dǎo)農(nóng)戶開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。
3.3.2 人工智能惠農(nóng)互動。人工智能(Artificial Intelligence,AI)可視化惠農(nóng)模塊的構(gòu)建需要先對農(nóng)業(yè)氣象研究文獻(xiàn)進(jìn)行分析,生成基礎(chǔ)知識、學(xué)科結(jié)構(gòu)和研究前沿可視化知識體系,以此體系作為設(shè)計知識圖譜的基礎(chǔ),再加入關(guān)系、屬性和實體定義。該模塊通過采集結(jié)構(gòu)化、解析半結(jié)構(gòu)化和抽取非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)收集工作,將知識圖譜與數(shù)據(jù)庫整合,進(jìn)入提取、清洗和存儲知識環(huán)節(jié),最終經(jīng)過知識分析,基于Cypher查詢語句作為問答搜索SQL,實現(xiàn)智能問答和知識查詢。農(nóng)戶通過在線提問,由機(jī)器人回答與氣象災(zāi)害、病蟲害防治、農(nóng)事活動建議和生長適宜度相關(guān)的問題,并將無法回答的問題傳輸給專家團(tuán)隊,實現(xiàn)知識問答,體現(xiàn)出AI惠農(nóng)互動的智慧服務(wù)價值[9]。
3.3.3 病蟲害圖像識別。技術(shù)人員提前在圖集網(wǎng)站、垂直網(wǎng)站和病蟲害百科中收集遼源市經(jīng)濟(jì)作物常見的病蟲害典型圖片,將其制作成圖集,并利用Scrapy網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù),對比吉林省和國家農(nóng)業(yè)氣象知識庫中的信息,形成標(biāo)識。技術(shù)人員運用Spark ML卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,實現(xiàn)訓(xùn)練學(xué)習(xí)病蟲害典型圖片和案例的目的,并設(shè)計圖像識別引擎,融入人工智能技術(shù),開放識別微服務(wù)端口。農(nóng)戶在登錄微信后,搜索公眾號進(jìn)入監(jiān)測版塊,可直接上傳病蟲害圖片。該系統(tǒng)識別病蟲害圖像后,輸出與其相關(guān)的物種信息、防治措施等信息,農(nóng)戶可利用以上百科信息安排農(nóng)作物生產(chǎn)。同時,該反饋界面包含與此病蟲害相關(guān)的其他病蟲害信息,農(nóng)戶可根據(jù)個人需要點擊查看詳情,即可獲得有關(guān)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)信息。
智慧化、智能化農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系中的各模塊緊密聯(lián)合,根據(jù)信息的具體指向與其他模塊實現(xiàn)互通。在病蟲害圖像識別模塊,數(shù)據(jù)平臺采集植株圖片、受害情況、病蟲害發(fā)生地點等信息與數(shù)據(jù),在二三維地圖中呈現(xiàn)出以病蟲害植株為中心的環(huán)境圖樣;模型超市接收以上圖樣,將其與氣象等級監(jiān)測預(yù)警模塊互聯(lián),輸出動態(tài)預(yù)警信息和病蟲害發(fā)展趨勢預(yù)測圖,以此作為氣象實況資料和農(nóng)作物病害防治基礎(chǔ)材料,供農(nóng)戶和氣象專家使用。
3.3.4 氣候區(qū)域劃分。為給農(nóng)戶提供農(nóng)作物種植范圍和品種決策信息,氣象部門要著力做好農(nóng)業(yè)氣象服務(wù),實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系應(yīng)包含氣候區(qū)域劃分模塊,基于坡向、坡度、海拔、經(jīng)緯度等地理因子和指標(biāo)要素設(shè)計空間分析模型,并借助GIS技術(shù)劃分氣候資源區(qū)域,直觀顯示出鄉(xiāng)、縣、市的氣象災(zāi)害多發(fā)和偶發(fā)區(qū)域,明確種植適宜區(qū)域,為農(nóng)戶和農(nóng)業(yè)部門制訂種植方案提供支持。氣象部門應(yīng)構(gòu)建基于二三維一體化技術(shù)的氣候資源區(qū)域劃分平臺,加載和展示傾斜攝影模型、氣候資源矢量圖、地圖、地形等與氣象資源相關(guān)的二三維影像,支撐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策和業(yè)務(wù)管理工作。例如,草蘑類作物適宜種植在遼源市的海拔570 m以上的丘陵地和山坡地上,農(nóng)戶可應(yīng)用氣候區(qū)域劃分功能分析當(dāng)?shù)厍鹆旰蜕狡沦Y源,確定是否符合海拔570 m以上的限定條件,完善種植選址工作[10]。氣象部門與農(nóng)業(yè)部門共同就小氣候資源區(qū)的劃分和開發(fā)利用展開研究,得出不同區(qū)域適宜種植的農(nóng)作物,提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。
3.3.5 有機(jī)水稻氣象指數(shù)保險。技術(shù)人員利用微信客戶端和Web服務(wù)平臺打造有機(jī)水稻氣象指數(shù)保險自動監(jiān)控模塊,有助于金融保險公司與農(nóng)業(yè)部門就理賠和保險相關(guān)事宜達(dá)成一致意見。除此之外,當(dāng)?shù)匾杂袡C(jī)水稻氣象指數(shù)保險自動化監(jiān)控平臺為載體建構(gòu)社會化氣象災(zāi)害防御體系,達(dá)到聯(lián)合有機(jī)水稻種植戶、保險公司和氣象部門三大主體的效果。有機(jī)水稻氣象服務(wù)保險平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知,此平臺包含業(yè)務(wù)平臺和微信小程序兩大系統(tǒng)。其中,業(yè)務(wù)平臺包含氣象證明制作、指數(shù)監(jiān)測分布、指數(shù)保險監(jiān)測、有機(jī)水稻指數(shù)模型定制、保單站點管理和農(nóng)業(yè)站點分布6個版塊;微信小程序包含用戶信息錄入、氣象保險宣傳、災(zāi)情上報及反饋、氣象災(zāi)害預(yù)警發(fā)布、天氣預(yù)測預(yù)報和天氣實況查詢6個版塊。以上各版塊功能集成,提供查詢承保站點、動態(tài)設(shè)置指數(shù)模型、監(jiān)測運算定時指數(shù)模型、制作理賠氣象證明圖服務(wù),基本滿足遼源市試點工作的需求,實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程全覆蓋。
圖2 有機(jī)水稻氣象指數(shù)保險
3.3.6 個性化精準(zhǔn)服務(wù)。技術(shù)人員應(yīng)用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)技術(shù),提供具備靶向特點的氣象服務(wù)產(chǎn)品,將遼源市玉米、草菇、有機(jī)水稻等產(chǎn)業(yè)園區(qū)、農(nóng)民示范合作社作為重點服務(wù)對象,推出差別化農(nóng)業(yè)氣象服務(wù),提升氣象監(jiān)測預(yù)警能力水平。服務(wù)對象登錄微信,在公眾號中輸入個人信息,直接跳轉(zhuǎn)至“我的農(nóng)場”界面。此界面上包含農(nóng)戶的地理位置和種植信息,能夠在平臺為用戶畫像、劃分服務(wù)群組后,提供與農(nóng)事活動和季節(jié)相關(guān)的氣象服務(wù)信息。該平臺可運用定向發(fā)送消息的辦法,將病蟲害防治、氣象災(zāi)害預(yù)警和農(nóng)業(yè)氣象條件發(fā)送至農(nóng)戶微信上。例如,在雨季,以某區(qū)域為劃分區(qū)間,詳細(xì)評估在此區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)強(qiáng)降雨的位置,結(jié)合農(nóng)企和農(nóng)戶基本信息,自動推送預(yù)警消息,形成“點對點”精準(zhǔn)化、個性化服務(wù)體系。
3.3.7 休閑旅游服務(wù)。遼源市為實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展,盤活農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)村資源,打造了多家農(nóng)業(yè)觀光園和特色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)采摘基地,農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系的介入為景區(qū)路線規(guī)劃、發(fā)布農(nóng)產(chǎn)品采摘指數(shù)等提供支持。例如,東豐縣養(yǎng)鹿官山園、中國農(nóng)民畫館、皇家鹿苑博物館、森林山莊、東遼縣東遼河源頭、朝陽村、田雨·德國風(fēng)情小鎮(zhèn)、龍山區(qū)顧大山莊、永治村(龍泉湖山莊)和西安區(qū)紫夢香谷觀光園微信公眾號運營平臺在深度分析游客喜好和農(nóng)業(yè)特性的基礎(chǔ)上,給出網(wǎng)格預(yù)報,預(yù)報內(nèi)容包括垂釣指數(shù)、采摘指數(shù)、氣象預(yù)報等,游客可根據(jù)氣象數(shù)據(jù)合理制訂旅游線路和景區(qū)參觀計劃,便捷旅游出行。
采用隨機(jī)抽樣方法,向遼源東遼河、輝發(fā)河沿岸農(nóng)戶發(fā)放調(diào)查問卷。此次調(diào)查發(fā)放了400份問卷,收回320份問卷,其中有效問卷318份,具有代表性。利用影子價格模型評估遼源市農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系效益,所構(gòu)建的模型為
式(1)中:U、P、C、T、Mi、Gi、Ni分別代表氣象服務(wù)效益值、電話覆蓋率、影子價格、時間、第i類公眾數(shù)、第i類收聽天氣預(yù)報的總次數(shù)及實際回收調(diào)查表中第i類公眾數(shù)。結(jié)合調(diào)查結(jié)果,將模型簡化為
式(2)中:R為種植戶訂正系數(shù),即調(diào)查區(qū)域自愿收看氣象服務(wù)的比例,該次調(diào)查得到的收集覆蓋率為0.92,取R=0.92;C表示影子價格,因遼源市氣象臺付費撥打一次電話的價格是0.1元,取C=0.1;S表示每年被調(diào)查區(qū)域種植戶收看天氣預(yù)報(不限方式)的總天數(shù)。將數(shù)據(jù)帶入公式,求得U=R×C×S=0.92×0.1×2 737 500=251 850。在社會效益調(diào)查方面,得到滿足率、天氣預(yù)報基本準(zhǔn)確率、災(zāi)害預(yù)警滿意率分別為58.3%、45.9%和51.7%。整體來看,遼源市農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)已得到農(nóng)戶認(rèn)可,可促使農(nóng)戶提前做好種植活動調(diào)整,一定程度上可降低經(jīng)濟(jì)損失。
采用影子價格法計算得出,遼源市農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)的經(jīng)濟(jì)效益貼合實際情況。同時,效益評估結(jié)果表明農(nóng)村地區(qū)氣象服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作仍需要繼續(xù)深化,應(yīng)提供更具備針對性和智能化的服務(wù)項目,以此保證農(nóng)事活動、災(zāi)前預(yù)警和災(zāi)后服務(wù)工作順利開展,提高作物產(chǎn)量,實現(xiàn)增收。
吉林省以農(nóng)業(yè)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。因此,吉林省要注重農(nóng)業(yè)氣象指導(dǎo)工作,開發(fā)設(shè)計智慧化和智能化農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)平臺。建設(shè)農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系是構(gòu)建智能化農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)平臺的前提。吉林省要積極引入和應(yīng)用信息技術(shù)、智能技術(shù),打造可提供動態(tài)氣象預(yù)測、預(yù)報、自然災(zāi)害預(yù)警及種植指導(dǎo)信息的智能化平臺,為吉林省經(jīng)濟(jì)發(fā)展打好堅實基礎(chǔ)。