臨安山核桃氣象災害精細化預警系統(tǒng)開發(fā)和應用

羅健琛 王懿偉 蔣慧峰 郭寶光 薛春 胡玉林

摘要：全球氣候變化導致極端天氣頻發(fā)，給臨安地區(qū)的山核桃生產(chǎn)帶來巨大風險，準確的農(nóng)業(yè)氣象災害預報信息有助于臨安區(qū)采取針對性的防御措施。本文闡述了臨安區(qū)山核桃氣象災害預警系統(tǒng)的設(shè)計原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，該系統(tǒng)自2022年上線試運行以來，已自動觸發(fā)6次預警，為臨安地區(qū)山核桃生產(chǎn)防災減災工作發(fā)揮了重要作用。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；氣象災害；精細化預警系統(tǒng)；山核桃；臨安；信息發(fā)布

近年來，美國、加拿大等國采用植被狀態(tài)指數(shù)（VCI）和溫度狀態(tài)指數(shù)（TCI）方法進行監(jiān)測和預報[1]，

國內(nèi)氣象部門建立了農(nóng)業(yè)氣象災害的指標體系和監(jiān)測評估業(yè)務(wù)流程[2]。然而，極端天氣頻發(fā)，傳統(tǒng)的預警服務(wù)模式難以滿足農(nóng)業(yè)防災減災需求[3]，迫切需要預警技術(shù)更新。

山核桃既是我國重要的經(jīng)濟樹種，又是優(yōu)質(zhì)的用材樹種[4]。山核桃干仁含油率高達69.8%～74.01%，是含油率最高的樹種之一[5]，富含的蛋白質(zhì)，可以作為一種預防疾病的藥物[6]。目前，臨安區(qū)的山核桃產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展，核桃面積約為3.8萬hm2，產(chǎn)量約為1.5萬t[7]，全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值達37億元，臨安區(qū)的山核桃產(chǎn)量、加工和銷售常年居全國首位。近年來，臨安區(qū)的山核桃產(chǎn)業(yè)得到政府和林業(yè)部門的重視，通過提質(zhì)增效和創(chuàng)新，推動了山核桃產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。然而，由于地貌復雜、氣候多變等原因，山核桃產(chǎn)量和質(zhì)量波動，亟需綜合評價環(huán)境條件和氣象預警手段以提高山核桃產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定性。

山核桃的生長和發(fā)育受溫度、降水和光照的影響[8]。

溫度直接影響山核桃的生長和開花結(jié)果，在花期和幼果期尤為重要。適宜的溫度有利于花芽分化、開花和果實發(fā)育，而過高或過低的溫度可能導致花芽受損、花粉活力下降，進而影響山核桃的花期生育過程。降水則在果實發(fā)育階段發(fā)揮重要作用，足夠的降水可以促進果實膨大和品質(zhì)提升。另外，山核桃是喜光的喜光樹種，生長期的光照強度對樹體生長、花芽分化和開花結(jié)果都有重要影響。山核桃的生產(chǎn)及產(chǎn)量易受到氣象災害的嚴重影響，當發(fā)生極端氣候事件時，如冰雹、凍害、干旱或強風暴等，會嚴重影響山核桃樹的生長和果實發(fā)育，導致減產(chǎn)甚至歉收[7]。如2022年7月

1日—8月10日，臨安高溫天氣36 d，導致山核桃果實飽滿度從80%下降到60%。因此，構(gòu)建針對山核桃的氣象災害預警系統(tǒng)迫在眉睫，對種植山核桃的農(nóng)民收入和經(jīng)濟穩(wěn)定都具有重大意義。

為此，本試驗基于溫度、降水和光照等關(guān)鍵氣象因子構(gòu)建了山核桃精細化氣象災害預警模型，并相應地建立了山核桃氣象災害預警系統(tǒng)。通過資料分析、專家咨詢和數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，明確了預警條件和流程，系統(tǒng)運營1年后，通過反饋進行效果評估，具體流程如該系統(tǒng)已于2022年在農(nóng)戶、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門、農(nóng)業(yè)專家間逐漸展開應用，實現(xiàn)對作物和區(qū)域的農(nóng)業(yè)氣象災害預警，并提前通知生產(chǎn)主體。本研究構(gòu)建的系統(tǒng)可向農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門提供災害預警信息，輔助專家決策，對提升農(nóng)業(yè)防災減災水平、促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展、推動生態(tài)友好型發(fā)展等方面具有重要意義。

1 設(shè)計原理及內(nèi)容

1.1 基于專家經(jīng)驗的山核桃關(guān)鍵氣象影響因子分析

在該預警系統(tǒng)中，主要針對影響山核桃生長的重要氣象因素進行預警，因此在構(gòu)建預警模型時，需要考慮災害類型、發(fā)生時段等方面，如圖2所示。

大量研究表明，溫度[8]、降水和日照[9]是影響山核桃生長的重要因素，分別在山核桃的不同時期對山核桃的展葉、開花和結(jié)果產(chǎn)生重要影響。山核桃生長期關(guān)鍵時段為4月11日—5月10日，屬于展葉期、花期至開花坐果期，易受低溫凍害影響，短時間降溫會造成局部落花落果，長時間可能導致凍害，遭遇大范圍倒春寒甚至會絕收。山核桃的授粉期為4月11日—5月20日，連續(xù)低溫陰雨可能導致授粉不良，降低坐果率，影響土壤的干燥程度，不利于生長和結(jié)果。7月11日—8月25日是山核桃的果實灌漿期和成熟期，持續(xù)高溫干旱導致樹葉受損、果實品質(zhì)下降，嚴重時可導致樹體死亡，同時也會影響土壤的性質(zhì)，持續(xù)影響樹體。7月—10月可能有臺風襲來，對采收期有直接影響，可能引發(fā)洪水等災害，造成產(chǎn)量損失。養(yǎng)分積累期為9月11日—11月30日，持續(xù)干旱可能導致葉片早衰、提前落葉，限制養(yǎng)分供應。這些因素綜合影響山核桃生產(chǎn)，主要分為秋旱、臺風、伏旱、低溫霜凍和連陰雨，本研究針對這5項主要氣象災害構(gòu)建預警模型及系統(tǒng)。

1.2 山核桃主要氣象災害預警模型

針對早春霜凍、授粉期連陰雨、伏旱、秋旱、臺風這5項主要氣象災害建立了預警模型，包括發(fā)生時段、災害等級、災害觸發(fā)條件、災害解除條件等。（1）早春霜凍災害預警模型系統(tǒng)1日最低氣溫≤4℃為觸發(fā)條件，以當日及后2 d連續(xù)3 d的日最低氣溫都＞4℃時為解除條件。以日最低氣溫作為判斷指標，滿足解除條件則發(fā)布預警解除通知。（2）授粉期連陰雨災害預警模型。以預測的日降雨量作為判斷指標，當氣象監(jiān)測到連續(xù)5 d，日降雨量≥0.1 mm時會觸發(fā)連陰雨預警；只有連續(xù)2 d的日降雨量＜0.1 mm才會解除預警。（3）伏旱災害預警模型系統(tǒng)以連續(xù)15 d日降雨量＜0.5 mm為觸發(fā)條件，前2日和當日連續(xù)3 d的日降雨量都≥0.5 mm為解除條件。每天8∶00刷新和判斷1次，當過去連續(xù)10 d的實況日降雨量＜0.5 mm，且氣象格點數(shù)據(jù)預測到未來連續(xù)5 d的日降雨量＜0.5 mm，則觸發(fā)預警。如果氣象條件滿足解除條件，則發(fā)布預警解除通知[10]。（4）臺風災害預警模型系統(tǒng)以氣象部門發(fā)布臺風藍色及藍色以上預警為觸發(fā)條件，氣象部門發(fā)布解除臺風預警信息為解除條件，與氣象部門同步。（5）秋旱災害預警模型系統(tǒng)以連續(xù)20 d日降雨量＜0.5 mm為觸發(fā)條件，以前2 d和當日連續(xù)3 d的日降雨量都≥0.5 mm為解除條件。每天8∶00刷新和判斷1次，當過去連續(xù)15 d的實況日降雨量＜0.5 mm，且氣象格點數(shù)據(jù)預測到未來連續(xù)5 d的日降雨量＜0.5 mm，則觸發(fā)預警。氣象條件滿足解除條件則發(fā)布預警解除通知。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2.1 系統(tǒng)介紹

2013年杭州市氣象局建立了重大氣象災害預警信息全網(wǎng)發(fā)布系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)10 min 內(nèi)啟動綠色通道，20 min內(nèi)完成數(shù)字電視全頻道發(fā)布和手機短信分區(qū)域發(fā)布、6 h 內(nèi)完成手機短信全區(qū)域發(fā)布[11]。基于這一實踐，針對臨安區(qū)主導作物山核桃，建立了農(nóng)業(yè)氣象災害預警機制，將氣象預報與災害指標結(jié)合，實現(xiàn)了及時氣象災害預警。該模型融合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象預報和信息技術(shù)，核心功能是預警觸發(fā)和解除算法，包括災害等級、觸發(fā)條件、規(guī)則、信息發(fā)送、防御措施建議，以及解除條件和通知，避免資源浪費。

2.2 山核桃主要氣象災害預警系統(tǒng)管理平臺

將山核桃氣象災害預警模型利用系統(tǒng)管理平臺進行管理配置，將規(guī)模種植主體所在村與氣象站點數(shù)據(jù)進行就近匹配，實現(xiàn)差異化精準預警。建立待測地區(qū)中山核桃種植基地的基地信息數(shù)據(jù)庫，并按照就近原則對基地進行氣象站點的匹配，分別建立對應關(guān)系；基于氣象站點收集種植基地的第一氣象數(shù)據(jù)，代入氣象災害數(shù)據(jù)庫中按照預設(shè)觸發(fā)規(guī)則進行比對，判斷是否滿足預警觸發(fā)條件，滿足則根據(jù)第一氣象數(shù)據(jù)確定對應的基地并通過基地信息數(shù)據(jù)庫獲取相應的聯(lián)系人方式對基地聯(lián)系人發(fā)送氣象災害預警信息。將氣象站點與山核桃基地按照地理位置就近匹配，對一個地區(qū)中所有的山核桃基地可同時進行差異化精準預警。

2.3 專家審核和短信觸發(fā)移動端

專家可通過浙政釘移動端小程序，審核每天系統(tǒng)觸發(fā)的災害預警并進行短信觸發(fā)操作，使相關(guān)農(nóng)業(yè)主體及時收到短信提醒，并根據(jù)專家建議提前采取措施防御災害。該系統(tǒng)對此的實現(xiàn)方式分為通過浙里辦推送給影響區(qū)域內(nèi)主體、通過氣象局通知平臺推送給區(qū)域內(nèi)村干部，以及通過浙政釘推送給農(nóng)技推廣中心的產(chǎn)業(yè)專家。專家根據(jù)這些氣象災害預警信息和專業(yè)知識進行綜合判斷，如果災害影響較輕，則在預警處置中做出不推送短信的操作，專家根據(jù)實際情況做農(nóng)業(yè)指導；如果災害影響明顯，則選擇發(fā)送短信通知給規(guī)模主體，內(nèi)容包含詳細的災害預計發(fā)生時間、等級、危害和防御措施。通過這些信息和數(shù)據(jù)支持，專家能夠更及時準確地掌握農(nóng)業(yè)氣象災害發(fā)生情況，從而更精準地開展災前災后的調(diào)查和技術(shù)指導。

3 結(jié)論

基于大數(shù)據(jù)和專家預測技術(shù)，通過對大量數(shù)據(jù)進行分析檢索，構(gòu)建了一整套完善的基于臨安氣象數(shù)據(jù)災害預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)和氣象數(shù)據(jù)的綜合分析，能夠準確預測山核桃生長關(guān)鍵期內(nèi)的氣象災害，及時預警氣象災害信息，幫助臨安山核桃種植戶更好地采取有效措施來減少災害損失，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)適應氣候變化的能力，保障臨安區(qū)山核桃產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

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