宁夏农业自动气象站组成与应用

2022-01-01刘晓磊张婷婷薛筝筝石菊红孙嘉楠

气象水文海洋仪器 2021年1期

刘晓磊，张婷婷，宫军，薛筝筝，石菊红，孙嘉楠

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，银川 750002；2.宁夏大气探测技术保障中心，银川 750002)

0 引言

中国是一个农业大国、人口大国，农业生产安全直接关系到社会的稳定和国家的可持续发展。农业也是受气候变化影响最敏感的领域之一，灾害性天气直接影响着农业生产。中国是世界上气象灾害种类多、活动频繁、危害严重的国家之一。在所有自然灾害中，气象灾害占70%以上，其中60%为农业气象灾害。近10 a，气象灾害造成的经济损失呈现出上升的趋势。

现代化农业的大力发展对新科技、新技术的依赖越来越强烈，传统的农业气象服务已经不能满足现代农业的信息需求，必须开展具有针对性的特色农业服务才能满足现代农业多元化发展的需求。文章将介绍有关农业气象服务自动气象站在宁夏的发展经验。

1 农业自动气象监测的意义

宁夏是中国5大平原灌区之一，也是国家13个商品粮生产基地之一。农业是宁夏传统优势产业，农产品主要有：水稻、小麦、玉米、马铃薯、枸杞、葡萄和红枣等。在农业气候方面，宁夏地处西北内陆，北部和中部以干旱剥蚀、风蚀地貌为主，南部以流水侵蚀的黄土地貌为主，境内地形南高北低，而气温则呈南低北高、南寒北暖的“倒挂”现象。受地貌复杂性和气候特殊性等多重因素的影响，宁夏地区的气候变化对全球气候变化的响应更为敏感，因此，宁夏农业生产受气候变化的影响也更加显著[1，2]。

随着近年气候环境的不断变化，对农业影响严重的大风、寒潮、冰冻等灾害性天气发生频率不断上升，每年都会给农业带来不小的损失。传统的农业气象服务重点在于气象预报、墒情分析和作物发育等方面，而对灾害性天气预报预警和实时气象数据观测方面则关注较少。因此推广建设富有特色、因地制宜的农业设施自动气象监测系统，将有效提高观测资料获取水平，并以此为基础开展气象预报预警服务、开发设施农业自动化控制系统等工作。

2 农业自动气象监测系统的组成

农业自动气象监测系统以数据自动采集为基础，在供电、通信等辅助设施的配合下，完成观测资料的采集，并对观测资料进行数据处理，形成完整的数据报告和服务产品。农业自动气象站数据采集系统以传感器和采集器为核心。目前针对不同农业产业的需求，已经有大量的自动化采集器和传感器可以选用。

2.1 常规气象环境监测

目前温度、湿度、风速、风向、雨量、气压等气象要素自动化观测作为基础观测项目已得到广泛应用，并在自动气象监测系统中全部得到监测。这些要素的自动化观测具有观测范围广、分辨力高、准确度高和造价低等特点。在使用中，各类传感器安装简单，安装位置可以任意选择。同时自动气象站采集器也已支持多路信号传输，因此在同一区域可安装多个相同的气象要素传感器，不但能够充分了解各观测点实况资料与变化规律，也可以互相比较观测数据，为不同作物的生长发育提供科学依据。

2.2 特种气象环境监测

1)土壤水分观测

土壤水分是重要的农业气象要素之一，能够反映土壤的湿润状况，是农业气象、生态环境以及水文监测的基础性工作，也是农田干旱、情报预报的重要依据。

目前宁夏开展土壤水分监测主要使用的是华云公司研制的DZN3型自动土壤水分观测仪，它采用土壤水分频域反射(FDR)测量技术，能够准确及时地测量土壤含水量，完成土壤水分贮存量信息的采集、处理、存储及传输。其最大优点是应用多通道数据采集技术，能够同时开展不同深度的土壤水分监测工作[3，4]。

在部分监测站点还使用了SWR-3型土壤水分传感器，其优点是结构小巧轻便、价格低廉，既可用于土壤水分点源信息的移动测量，也可埋入土壤中对土壤水分进行定点的长期监测。

2)叶面温度传感器

叶面温度传感器为遥感式测量，采用红外探测技术进行测量，安装时可任意选择监测区域，检测准确度高、稳定性好，但安装较为复杂，需仔细调整红外线角度并完成自我修正系数的测试，以此来保证观测资料的准确性。

3)二氧化碳仪

CO2等温室气体的增加对生态系统和农业生产的影响，特别对于设施农业的影响都是非常复杂的。CO2增加虽然有利于绿色植物的光合作用，但作为温室气体，CO2的增加对设施农业温度变化的影响也更加明显。因此对CO2浓度的准确检测，不但可以实时了解其浓度变化，而且可以与自动控制系统相连接，及时调整设施农业通风、揭盖草帘等工作。

目前宁夏部分站点选用的是维萨拉GMM220系列的CO2监测仪，其最大优点是可在恶劣的环境下工作，并在广泛的温度和相对湿度范围内提供精确的CO2监测，但缺点是价格昂贵，不适宜大面积布设。

4)实景观测系统

农业小气候实景观测系统通过专业视频采集设备获得实景资料，再通过后台对比等算法输出服务产品。目前实景观测分为作物特征和实景视频两类。其中，作物特征包括作物发育期、盖度、密度、冠层高度、生长状况评定、叶面积指数和干物质质量。实景视频包括作物、农田、观测设备及农事活动的现场视频。在应用中最大难点在于观测期的观测资料储备。目前可以通过2个作物观测期，实现玉米、小麦、水稻、牧草生长发育要素自动识别采集功能；通过3～4个作物观测期，实现马铃薯、红枣、枸杞、葡萄、硒砂瓜等生长发育要素自动识别采集功能。生长发育要素主要包括作物生育期、覆盖度、密度、高度、生长状况、叶面积指数和干物质质量等。

3 农业自动气象监测系统在宁夏的发展

自2011年起，宁夏随着中国气象局“三农项目”的不断推进和各市县对特色农业生产的不断投入，农业自动气象监测站在全区范围内逐步发展起来。特别是2018年自治区政府投资建设的“两个体系”项目，更是一次性在全区特色农业主产区建设了111套农业自动气象监测站，极大地丰富了监测站点数量、监测要素种类和监测资料内容。

目前宁夏已建成由农业气象服务与农村气象灾害监测网、农村气象灾害预警预报系统及信息发布系统和农业农村气象灾害风险管理系统共同构成的宁夏农业气象服务体系和农村气象灾害防御体系，能够为新型农业经营主体和农民提供农业生产全过程、多时效、定量化的农业气象监测分析、预报预测和影响评估服务，有效提升了宁夏农业气象服务和农村气象灾害防御水平。