需求引领精细化智能化创新发展<br/>——我国智慧气象在农业方面的应用

需求引领精细化智能化创新发展
——我国智慧气象在农业方面的应用

2020-05-13郑昌玲侯英雨

蔬菜 2020年5期

郑昌玲，侯英雨

（国家气象中心，北京 100081）

我国作为一个农业大国，农业生产受到天气条件的极大影响，在全球气候变暖的背景下，我国各类极端天气气候事件发生频率明显加大，农业生产遭受气象灾害的风险日益增加；因此，围绕气象开展为农服务，在长期的农业防灾减灾、农业生产活动等服务中发挥着重要作用，为国家和各级政府制定农业战略、农业结构调整、布局优化、农业生产管理、农业防灾减灾、应对气候变化和合理利用农业气候资源等提供科学依据。

农业气象服务是专业气象服务领域中历史较长的业务之一。20世纪50年代中期到60年代初是农业气象业务发展的初级阶段，监测站网、观测技术方法、农业气象情报服务等基础业务全面起步；20世纪80年代至今，形成了完善的业务体系，先后发布《全国农业气象旬月报》和开展国内主要作物产量预报业务，建立了比较系统的国家级和省级、部分地市级农业气象服务业务体系[1-2]。经过60多年的发展，农业气象业务已成为全国气象部门业务规模最大、业务技术最成熟、业务体系最规范的专业气象服务体系。

随着我国现代化气象事业的蓬勃发展，在智能气象观测、准确气象预报、开放气象服务的智慧气象发展的基础上，气象为农服务向着精细化、专业化、多元化发展；在2020年春季疫情期间，气象为农服务充分利用自动化、云端等新的监测手段和新媒体平台，为稳定农业生产和农业防灾减灾提供保障。

气象灾害对农业生产的影响及气象服务在农业中的重要性

气象灾害的危害

气象灾害是造成我国农作物产量波动的重要因素之一。我国地域辽阔，地势西高东低，地形复杂，气候多样，受冬、夏季风影响，地区水热资源时空分布既有长期趋势变动，又有不同周期的波动变化，常常出现干旱、洪涝、低温冷冻害、热害、大风冰雹等气象灾害。由于农业生产大多为露天生产，受气象条件影响很大，我国农业受灾损失60%以上由气象灾害所致；我国农业气象灾害具有多灾并发、突发性强、持续时间长和危害重的特点，其中水灾和旱灾是对农业生产破坏最为剧烈的气象灾害。随着气候变化，农业气象灾害呈现一定的新的发展态势和特征，农作物受灾、成灾和绝收面积逐渐增加；区域性和阶段性干旱频发，影响严重，危害性大，其中以华北地区干旱程度和范围增加趋势最为显著，且南方和东部多雨区旱情也在加重；气候变暖，极端高温事件呈明显增加趋势，高温热害胁迫加强，限制水稻产量提高，而低温冷害、霜冻日呈明显减少趋势，但危害程度反而有所加重，农业损失加剧[3-6]。

近5年（2015—2019年），我国气象灾害频发，对农作物、蔬菜等生产造成严重影响。对农业生产造成影响的主要气象灾害有干旱、暴雨洪涝、阴雨寡照、高温热害、台风、低温霜冻害、雪灾、风雹、干热风等。近5年虽然未出现持续性连片干旱，但内蒙古东部、东北地区西部和南部的部分地区春旱和夏旱重复发生，2015年6月下旬至7月中旬吉林、辽宁平均降水量比常年同期减少65.6%，夏伏旱导致粮食作物和蔬菜等产量下降；2019年7月下旬至11月中旬长江中下游大部地区降水量为1961年以来历史同期最少，露地蔬菜和经济林果受干旱影响较重。近5年汛期暴雨过程多，突发性和极端性强，是近年来对农业生产造成损失最为严重的气象灾害，2016年洪涝灾害仅次于1998年。夏季高温热害影响突出，2016年盛夏高温热害对江淮江汉影响重，2018年北方5省7月下旬至8月上旬最高气温、高温日数为1981年以来同期极值年，粮食作物、蔬菜及瓜果等产量受到明显影响。近年低温冻害特别是春季晚霜冻危害明显，其中2016年冬季冻害影响最重，2015年、2017年、2018年春季均出现较强寒潮天气，蔬菜、经济林果受灾程度重于大宗农作物，伴随的大风、强降雪灾害造成温室、设施大棚受损垮塌，蔬菜等遭受冻害。台风带来的大风和暴雨等使农作物、露地蔬菜和设施农业等遭受严重损失，例如2018年第18号台风“温比亚”导致沪、苏、皖、鲁、豫等地部分地区遭受严重洪涝灾害，造成农田被淹、设施大棚倒塌受损、棚内作物倒伏，有“蔬菜之乡”美誉的山东省寿光市设施蔬菜生产受灾严重，导致市场菜价上涨；2019年第9号台风“利奇马”带来的强风暴雨造成东部沿海共9省（直辖市）农业受灾面积约114万hm2，设施农业生产受灾较重。另外，全国风雹灾害频发、点多面广，局部受灾重，其中2016年、2018年为偏重年份，设施农业生产、经济作物和水果受到较大影响。

气象为农服务的重要性

气象为农服务对保障国家农业生产具有重大意义。农业是对环境气象条件最为敏感和依赖性最强的产业之一，我国农业生产尚未摆脱“靠天吃饭”局面，天气气候条件是导致作物产量波动的重要影响因素，气象条件的匹配适宜与否、气象灾害的轻重，在很大程度上决定了农产品收成丰欠、品质优劣和成本高低。农业生产过程与天气气候条件密切相关，开展作物长势监测、发育期预报、农用天气预报、作物产量动态预报等气象保障服务，可以为农业生产全过程提供科学管理技术支撑，及时让农民获得各种农业气象信息与科普知识，使其能够在农作物生产过程中顺应天气气候条件进行趋利避害的科学管理。在对作物的气候资源持续利用进行分析评估的基础上进行精细化农业气象区划，筛选出不同气候生产潜力优势区，保障农业生产基地的建设、农作物结构调整、品质布局等农业生产充分利用气候资源。通过开展作物新品种引进的气候可行性论证，为作物合理布局和新品种的引种、推广等提供科学支持[1]。

气象为农服务现状

党的十八大以来，气象部门通过农村气象灾害防御体系和农业气象服务体系建设，在支撑农业生产、保障农民增收和助力农村发展等方面都起到了显著作用，取得了突出成效。

◎ 农村气象灾害防御体系基本建立，防灾减灾能力明显增强

全国农村建成5.7万个区域自动气象站，乡镇覆盖率达95.9%。建立了精细到乡镇的气象预报和灾害性天气短时临近预警业务，1 880个县与国土部门联合发布地质灾害气象预警；建成了7.8万个气象信息站，覆盖93.6%的乡镇；15.3万块电子显示屏，覆盖82.6%的乡镇；43.4万套高音喇叭，覆盖70.2%的行政村；建立覆盖我国近海海域的8个海洋气象广播电台。农村气象防灾减灾组织体系基本建立，2 167个县成立气象防灾减灾或气象为农服务机构，全国气象信息员达70.8万名，县、乡、村三级气象防灾减灾组织管理体系基本形成。2 018个县出台了气象灾害防御规划，2 712个县、2.8万个乡镇制定了气象灾害应急专项预案，横向到边、纵向到底的基层气象灾害应急预案体系基本形成。

◎ 农业气象服务业务体系日趋健全，服务水平稳步提高

国内外作物长势监测及产量预报产品分别拓展到18种和14种，覆盖国外15个主要国家。气象服务逐步融入“三区三园”建设，累计建成农业气象示范田1 858块，示范面积达8.4万hm2。与农业农村部联合开展的“直通式”服务和气象信息进村入户覆盖全国近100万新型农业经营主体，智慧农业气象服务惠及37.6万注册用户。形成国、省、市、县四级业务和延伸到乡的五级服务格局；与农业农村部联合创建包括设施农业在内的10个特色农业气象中心，逐步建立特色农业气象服务网络，助力特色农业产业发展。

◎ 基层气象为农服务多样化发展

气象为农服务已成为基层气象部门基本业务之一，服务对象从为各级党政领导决策服务转向兼顾为企业、种植户和农民群众服务。2017年通过对全国25个省83个县的基层气象局长的问卷调查结果显示（表1），农业服务手段逐渐从传统的电话、传真和邮件向网站、手机短信、新媒体应用等方式转变；气象服务内容从过去日常气象观测和天气预测预报预警服务延伸至农业农村气象防灾减灾、人工影响天气服务、农业气象情报、作物生长及农业气象产量预报、农业气候资源分析及区划、森林防火服务和专项农业气象观测等公益性气象服务[7]。

表1 基层气象部门农业气象服务开展情况调查 %

智慧气象服务农业生产

现代农业气象服务技术和业务发展

现代农业气象业务是指适应现代农业生产需求，依托规范的农业气象观测、农业气象试验和先进农业气象业务技术及其业务平台，为现代农业的合理布局、防灾减灾、应对气候变化及国家粮食安全保障提供有效的气象科技支撑和保障服务[8]。随着现代农业对气象服务需求的增加，农业气象业务领域从最初的农业气象监测评价和国内作物产量预报逐步扩展到农业气象监测评价、农业气象预报、农业气象灾害和农林病虫害监测预报、设施/特色农业气象保障服务、国内外作物产量动态预报、重要农事活动气象监测预报、农业气候区划、生态气象监测评估等业务领域，总体上，农业气象业务基本实现了从点到面、从单一指标到综合指标、从定性到定量、从宏观到精细的快速发展[9]。

◎ 多指标、多模型、多数据集成的农业气象业务技术体系

农业气象业务技术是指在实时业务环境中能够稳定运行并可应用于业务服务的指标、模型、方法及其平台的总称。农业气象监测评价技术及客观产品是开展农业气象业务服务的基础支撑，包括光、温、水等农业气象基本要素不同空间尺度和时间尺度的分析，不同深度土壤相对湿度的逐日5 km×5 km格点空间分布图、实况图和对比图，各农作物日、周、月、年不同尺度和站点、格点、区域不同空间尺度的气候适宜度定量评价客观产品，基于地面观测、卫星遥感监测、作物生长模拟模型的不同尺度的农作物长势评价。农作物产量预报包括国内大宗作物、特色经济作物以及国外重点产粮区作物产量预报，预报时间尺度为年景展望、趋势预报、定量预报到逐月趋势/定量动态，技术手段分为数理统计预报、作物生长模型模拟、遥感模型估算以及集成预报方法。农业气象灾害监测评估包括指标判断、数理统计、遥感监测和田间实地调查等方法，随着格点化天气要素预报业务技术的发展，实现了我国主要农业气象灾害格点化业务产品逐日自动生成。国家级农林病虫害气象服务中，以病虫害发生流行气象等级预报为主，分析与预测未来一定时间段的气象条件对病虫害发生流行适宜程度。农用天气预报服务包括主要农事活动天气预报、灾害性农业高影响天气预报、农作物关键生长期天气预报，关键技术主要包括农业气象指标及天气对农业影响评价方法。国家级和省级农业气象业务平台为C/S架构现代农业气象业务综合平台，包括8个专业技术子系统和2个通用子系统，共60余个模块、2 000余个功能点，实现了从数据入库、模型运算处理、产品制作和发布的业务一体化应用[9]。

◎ 特色农业气象服务业务得到发展

特色气象中心主要服务特色农业生产，发展了相应的农业气象监测预警评估技术。山东、河北、北京、天津、陕西、山西、江苏等省（市）研究了包括大风、冰雹、暴雨、寡照、低温、高温等设施农业气象灾害指标、灾害风险评估模型，针对设施农业生产开发了基于互联网数据挖掘和专家知识决策技术的气象灾害监测预警及智能决策推送服务系统，对主要设施农业气象灾害进行早期预警提醒[10-11]。

◎ 现代农业气象业务服务产品种类明显增多

随着现代农业气象业务的不断发展，国家级农业气象业务产品由单一的农业气象旬报系列化为旬、月、季、年报，逐步发展到包括基础业务产品、专题决策产品、行业服务产品3大类共10余种定常的业务服务产品（表2）。各特色服务中心或各省（自治区、直辖市）开发针对本地特色农业生产的农业气象服务产品，例如以山东省气象局牵头的设施农业气象服务中心，针对大风、寒冻害、雪灾和暴雨洪涝等气象灾害对设施蔬菜、水果造成的影响进行预警、监测和评估，制作发布《设施农业气象服务》专报，为政府管理部门和经营主体提供服务。

智慧气象的概念和技术手段

进入21世纪，气象现代化蓬勃发展，气象与科技、经济、社会深度融合，气象服务成为社会各行各业发展的重要保障之一。为了进一步提升气象现代化水平和配合国家“智慧城市”建设，2015年，中国气象局明确提出了“智慧气象”的战略发展思路；2020年中央一号文件强调“依托现有资源建设农业农村大数据中心，加快物联网、大数据、区块链、人工智能、第五代移动通信网络、智慧气象等现代信息技术在农业领域的应用”。

表2 国家级农业气象服务产品体系

智慧气象的内涵包括“智能的信息获取、精准的预报预测、开放的气象服务、精细的科学管理、深度的产业融合、持续的科技创新”6方面，其特征为泛在、共享、协同、融合、安全[12]。信息网络应用技术、现代气象观测技术、现代气象预报预测技术、公共气象服务技术共同构成智慧气象发展的4项核心技术[13]。

◎ 信息网络应用技术/现代气象观测技术

集卫星通信、地面宽带广域网和各级局域网为一体的气象信息网络系统，为气象业务提供了常规气象信息、卫星观测数据、流媒体广播资料等。基于北斗通信和4G/5G移动通信，实现了全国气象站设备组网和实时数据传输；建成了地基、空基、天基相结合的综合观测系统，实现地面基本气象要素分钟级的自动化观测；建成了EOS/NOAA/FY系列卫星数据接收处理系统，引进无人驾驶遥感监测微型飞机，建成天基观测系统。

◎ 现代气象预报预测技术

预报预测是气象业务的核心技术，现代天气预报以多种资料融合技术、高分辨率数值预报和集合数值预报产品为基础，在主客观预报产品融合基础上的无缝隙智能网格数字化天气预报，目前发布包含短时临近、短期、中期和延伸期天气预报、灾害性天气预警、台风与海洋气象预报、强对流天气预报、环境气象预报、水文天气预报、农业天气预报、全球天气预报等多种业务。

◎ 公共气象服务技术

建立由决策气象服务、公众气象服务和专业气象服务构成的公共气象服务体系，建成气象信息发布平台，拥有广播、电视、电话、短信、报纸、电子显示屏、预警大喇叭、网站、手机APP、微信、微博、400热线等多种服务方式，实现老百姓随时随地看天气、听天气、查天气；国家气象中心于2011年3月和2014年3月分别开通中央气象台官方微博、微信，开辟了公众气象服务的新平台，截至2019年底，“双微”平台共有粉丝200万，是目前影响力最大的气象官微之一。

智慧气象在农业生产中的应用

智慧气象的发展使气象为农服务工作更好地适应农业生产精准化、智能化的发展趋势，基于大数据和“互联网+”的智慧农业气象服务得到大力发展，除了传统的服务方式，针对农机大户、农民合作社、农机专业化服务组织等新型农业经营主体，发展交互式、订单式、精细化、个性化的农业气象服务成为重点发展方向。

◎ 基于“互联网+”的智慧农业气象服务快速发展

江西气象部门研发的“江西微农”，可自动匹配不同地域的农户与管理者，利用大数据分类管理技术，服务更能精准治愈农户“痛点”；安徽气象部门建立了“锄禾网络社区”，以农业气象物联网技术为支撑，研发了“惠农气象”APP；福建气象部门利用物联网、无线通信和软件等技术，向农户提供大棚内外监测信息查询、气象预报预警及智能大棚远程控制等服务。

◎ 疫情期间精准多元化的“云端”智慧气象为农服务大显身手

2020年这个特殊的春天，各地气象部门直面疫情防控与防范化解气象灾害风险的双重考验，创新升级智慧气象为农服务，保障春季农业生产。从南方陇间到北方田野，气象部门或扩大预警覆盖面突破“最后一公里”把预警传递至农户手中，或针对特色农产品研发新品天气指数保险为农户兜底，或打响人工增雨第一炮增墒抗旱。

2月25日国家气象中心（中央气象台）发布2020年首期《春耕春播气象服务专报》，全国春耕春播气象服务提前启动；4月3日，农业农村部与中国气象局联合发布冬小麦赤霉病防治气象条件预报，通过新闻联播天气预报节目传递至千家万户，并确定在后续每周制作1期《冬小麦赤霉病防治气象条件预报》。针对2月以来的大风降温、雨雪等灾害性天气，密切跟踪，靠前服务，及时针对大宗作物、设施蔬菜等进行灾害预警、防御措施建议。河南气象部门利用作物观测自动化识别技术和遥感监测，精准监测评估小麦生长情况，为麦田管理分类指导提供支撑；天津气象部门尝试使用无人机实时监测小麦苗情；在春耕大幕开启之前，内蒙古呼伦贝尔气象局实现基于格点预报的农用天气预报业务自动化应用，可实现精确到农场的定时定点服务；河北气象部门和当地媒体开展“气象助农”行动，土壤墒情、温度、日照、大风等农业气象灾害监测预警信息通过全媒体平台及时送达农民手中；山西省气象部门在果树示范园区新装温室报警仪和烟雾发生器，果园管理人员打开手机就能看到监测数据，一旦发生倒春寒，可实现远程管理；山东气象部门开发“粮食安全指挥气象平台”，作物生长条件监测评估、农业气象灾害监测预警等气象服务产品随需可取；江苏省气象局通过农业科技服务“农技耘”云平台，向全省32万名用户持续发出农业生产预警信息，提醒菜农做好防冻保暖、通风除湿、增光防病等工作。

智慧气象为农服务未来发展方向

随着我国现代农业的发展，农业防灾减灾、国家粮食安全保障、农业应对气候变化、新型农业经营主体、农业保险等诸多方面对农业气象业务与气象为农服务提出了新的需求和挑战。现代气象为农服务的发展，将以服务全面实施乡村振兴战略、保障农业农村优先发展、适应农业供给侧结构改革的需求为己任，通过建设智慧农业气象大数据平台、业务平台、服务平台，推进农业气象业务服务集约化、标准化、规模化、智能化发展。

建设互联互通、统管共用的全国智慧农业气象大数据平台

基于气象大数据云平台，建成集气象实况与预报、农业气象监测与预报、农业基础数据、农业农村经济数据、基础地理信息等于一体的全国农业气象大数据平台，通过大数据分析和挖掘、数据可视化等手段，为智慧农业气象业务与服务提供数据支撑；同时也为社会组织等提供数据共享服务。

建设精细化、智能型的国家—省级农业气象业务支撑平台

开发精细化、智能型的国家级大宗农作物业务平台、省级大宗农作物/特色农作物业务平台；针对特色农业服务需求，建设全国特色农业气象智能业务平台，为国家级和省、市、县三级服务提供支撑。

建设一体化、可定制的全国智慧农业气象服务平台

基于全国农业气象大数据平台、气象大数据云平台和“一张网、一张图”的理念，开发集监测、预报、预警、评估信息于一体的国家—省—市—县一体化、可定制的全国智慧农业气象服务平台，为农业生产经营主体提供更加精细、便捷、直通式、接地气的服务。构建全国智慧农业气象服务WEB网站，基于移动互联、WEBGIS，开发全国智慧农业气象手机服务终端，实现不同用户“点对点”的个性化需求服务。