香蕉寒害预警系统设计与应用

黄腾仪　吴炳科　饶珠阳

摘 要：香蕉是广西自治区重点发展的优势水果产业之一，受当地自然环境影响，冬春寒流易对香蕉植株造成寒害，从而受灾减产。因此，利用现代信息技术，提升香蕉生产自然风险的抵抗能力尤为重要。该文介绍了广西香蕉全产业链公共服务平台的设计原则，提出建设香蕉寒害预警功能，抽取关键致灾因子建设寒害预警模型，并借助大数据技术生成综合寒害指数，经专家会商后确定预警等级，给出应对措施。同时，采用可视化展示技术。该平台可通过互联网为香蕉生产经营主体提供预警信息服务，起到防患于未然、稳产降损的作用。目前，该平台功能已进入试运行阶段，计算结果与专家判断基本一致，可为政府、蕉农和专家提供决策辅助作用。

关键词：香蕉;预警;寒害指数;农业信息服务

中图分类号 S668.1;S426;S126 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）07-0113-04

香蕉是芭蕉科芭蕉属植物，主要生长在热带和亚热带地区。2019年我国香蕉总产量1165.60万t，是仅次于印度的全球第二大生产国，占全球香蕉总产量的10%[1]。从国内产区分布来看，广西壮族自治区香蕉产量311万t，占全国产量的26.7%，是我国第二大香蕉产区。香蕉喜湿热气候，我国除了海南和广东西南部地区外，其他产区常年遭受冬春寒流侵袭，轻则香蕉叶果受伤减产，重则整株死亡[23]。在广西的香蕉生产中，寒害是造成香蕉产量减少的重要因素。中国天气网的数据显示，1949年以来，广西发生严重寒害冻害的年度主要有：1954—1955、1960—1961、1962—1963、1966—1967、1967—1968、1968—1969、1973—1974、1975—1976、1976—1977、1982—1983、1983—1984、1995—1996、1999—2000、2002—2003、2007—2008年度。其中，2008年1月12日至2月20日，广西遭受历史罕见的低温雨雪冰冻天气过程袭击。

农业气象灾害预警是农业生产中的重要服务之一，根据联合国开发计划署（United Nations Development Programme）的预测，到2030年，因为气候的变化，贫困人口有可能再增加1亿人，运用现代科技降低气候变化带来的农作物灾害至关重要。随着气象数据采集与传输技术的增强以及大数据分析技术的迅猛发展，农业气象预警应用取得了长足的进步。联合国粮食与农业组织（United Nations Food and Agriculture Organization，FAO）建设了全球粮食及农业信息和预警系统（The Global Information and Early Warning System on Food and Agriculture，GIEWS），将干旱等气象预警服务加入其中，为相关国家提供信息服务，减轻自然灾害对粮食生产的影响。国际气候与社会研究所（International Research Institute for Climate and Society）建设了系列气候和预报产品，其中包括美国与墨西哥干旱预测产品、季節和次季节气候信息和对农业重要性的分析产品;联合国开发计划署建设了区域综合多种灾害早期预警系统（RIMES），并协助柬埔寨建设了农业气象预警专业专家系统（SESAME），促进了气象部门与农业部门的合作，共同指导农业生产者，提升气象风险对抗能力。

我国幅员辽阔，气候多样，气象灾害时有发生，“看天吃饭”这种传统农业生产模式在现代科技的辅助下，正在向“早发现、早应对”转变[4]。各级政府部门借助电视、广播、互联网等传播媒介，向农业生产经营主体提供各类农业气象服务。2019年，全国各级预警发布机构利用国家突发事件预警信息发布系统发布14类与农业紧密相关的预警信息共计13万条[5]。各科研院所的专家积极研究气象预警模型，取得了丰硕的研究成果，为实现预警服务奠定了坚实基础。

香蕉是广西重点发展的优势水果产业之一，提质增效、产业升级是发展必由之路，大力推进农业生产经营信息化、提升农业生产指挥及应急调度能力和市场信息应用与服务能力非常必要[6]。本文介绍了广西香蕉全产业链公共服务平台的设计原则和香蕉寒害预警模型及功能，以期为香蕉生产经营主体提供预警信息服务，提升自然风险的抵抗能力，起到防患于未然、稳产降损的作用。

1 香蕉寒害预警系统设计

香蕉全产业链公共服务平台按产业链环节对香蕉产业进行全面解析，按照“产前、产中、产后”三大环节、“种子种苗、产业结构、气象服务、预测预警、价格分析、优品推介、相关认证、进出口趋势、竞争力分析”等18个专题，为生产经营主体提供服务。其中，香蕉寒害预警服务是重要产中环节，因此香蕉寒害预警系统是香蕉全产业链公共服务平台的重要组成部分。

1.1 服务对象 近年来，广西香蕉种植产业聚集度有所增加，排名前3位的产区分别为南宁、钦州和崇左，2019年香蕉产量分别占广西全区的42.31%、25.62%、10.77%。除了这3个主产区以外，还有玉林、百色等产区，虽然产量占比较小，但依旧有一定数量的香蕉种植主体，因此本研究中的香蕉寒害预警服务面向所有广西香蕉产区。

1.2 设计原则 为实现香蕉寒害预警功能，系统在设计时遵循以下4个原则：（1）把可靠性和安全性放在了首要位置。整个功能的设计要能够防范常见的黑客攻击，同时，通过用户和密码的设置，通过对用户权力的分配，通过对不同管理员的设置，对内部实现安全的管理。通过采用防火墙和数据加密等技术有效控制网络的访问，灵活实施网络安全控制策略。（2）为了方便对各模块的维护，管理员对各模块的管理和维护都可以通过web页面实现完整的流程化管理。在管理界面上，采用通用的图形化和文字化结合的管理，管理员不需要复杂的培训，就能够对整个系统实现灵活的管理。（3）整个系统在运行过程中，要具备足够的稳定性，确保系统在设计的负荷下能够满足稳定服务的要求。（4）寒害预警功能是在应用中逐渐完善和优化的，因此其设计不但要能够满足当前的需求，对于未来功能的发展也必须预留一定的应用扩展空间。另外，还应具有较多的开放性集成接口，可供其他平台进行功能延伸开发和数据调用。

1.3 功能结构 香蕉寒害预警系统的功能是气象数据采集、预警模型建立、数据分析和处理、专家会商以及信息发布。根据定义好的预警指标，完成对预警数据的警情分析、警情确认和信息发布工作。香蕉寒害预警功能组成详见图1。数据处理模块主要负责采集气象数据，经过清洗后，按气象站点位置及时间维度进行数据加工处理。为提高精准度，采用了最细粒度的气象站点数据，并且分产区进行计算，以保证计算结果的科学性和对生产的可指导性。同时，考虑到数据样本量越大，分析结果越客观，选取近30年以来广西22个气象站点每日温度数据作为数据分析的基础。寒害预警模型模块负责选取寒害关键指标，建设广西香蕉寒害预警模型，根据气象数据计算得出预警结果。专家会商模块是香蕉生产专家根据寒害预警模型模块的计算结果进行会商，并形成会商结论。为了便于专家查阅资料，建设知识库，专家可快速检索到相关资料以及历史信息。预警发布模块集成在广西全产业链公共服务平台中，以可视化展示方式，为香蕉生产主体提供预警信息服务。

2 广西香蕉寒害预警模型构建

2.1 指标结构 香蕉遭受辐射型、平流型寒冻害影响后表观症状差异明显，且导致产量损失的关键气象因子与天气类型有关。香蕉寒害的致灾因子可以概括为寒害的极端最低气温、最大降温幅度、持续累计日数和有害积寒[7]。参考文献，结合已有数据基础，本预警模型由5个指标组成，分别为综合寒害指数、年度最低气温、最大降温幅度、寒害持续日数、累积寒害，指标结构详见图2。

年度最低气温是指广西各香蕉产区从当年11月1日至翌年3月31日这一段时间内达到的最低温度，此处的年度不是通常所指的自然年度，而是指寒害监测年度。该指标在整个监测年度中动态更新。最大降温幅度是同一天内最高气温与最低气温的差值，该数据从每年11月1日开始计算，动态更新。寒害持续日数从寒害开始进行计算。该模型中将香蕉寒害的临界温度设定为5℃，当最低气温≤5.0℃时，该指标开始启动计算，每增加24h，该指标值加1，当最低气温≥5.0℃时，计算停止。累计寒害是指整个寒害过程中香蕉所受到的积累伤害，该指标也是从寒害开始（最低气温≤5.0℃）时进行计算，寒害结束（最低气温≥5.0℃）时计算停止。为了给香蕉生产主体提供简明扼要的预警，在上述4个致灾因子基础上生成综合寒害指数，建设初期采用同权重计算综合寒害指数，后续根据实际情况进行权重调整。

2.2 标准化处理 在该预警模型中，各指标的性质不同，具有不同的量纲和数量级。如果直接用原始指标值进行分析，就会突出数值较高的指标在综合分析中的作用，相对削弱数值水平较低指标的作用。因此，需对寒害4个致灾因子逐一进行数据标准化处理，即：计算当前致害因子相当于最大受害发生值的相对数，按百分数表示，取值区间0～100%。各致灾因子标准化值均与作物受害程度呈正比，标准化处理方法如下：

最大降温幅度（GTD）标准化：

式中，H1i为最大降温幅度标准化值，GTDi为本年度即期最大降温幅度的实际值，GTDmax为历史最大降温幅度的记录值（按近30年计算）。

年度最低气温（MAT）標准化：

式中，H2i为年度最低气温标准化值，[MATi]为本年度即期极端最低气温的实际值（℃）。[MATMax]为历史最高极端最低气温（℃），[MATmin]为历史最低极端最低气温（℃）。

寒害持续日数（[SD]5）标准化：

式中，H3i为≤5.0℃持续日数标准化值，[SD]5i为本年度即期≤5.0℃持续日数的实际值（d），[SD]5max为历史最大≤5.0℃持续日数的记录值（d）（按近30年计算）。

累计寒害（AHT5）标准化：

式中，H4i为≤5.0℃累计寒害标准化值，AHT5i为本年度即期≤5.0℃累计寒害的实际值寒（℃·d），AHT5max为历史最大≤5.0℃累计寒害的记录值（℃·d）（按近30年计算）。

累计寒害的计算公式：

式中，Tmin为即期温度最低值（℃），Tm为即期实时温度值（℃）。

3 信息发布

3.1 信息发布流程 采集广西香蕉产区各气象站点实时数据，经过数据清洗过滤以后，输入到寒害预警模型中进行计算，可得到5个计算结果，即：最大降温幅度、年度最低气温、寒害累计日数、累积寒害以及综合寒害指数。在预警信息发布之前，召集农业专家进行在线会商。专家根据数据分析结果，结合多年实际生产经验，确定预警等级，并根据预警等级给出预防寒害指导与建议。寒害预警计算结果与专家会商结果经审核后，在广西香蕉全产业链公共服务平台上进行发布。

3.2 信息发布形式 预警信息采用可视化展示技术，支持电脑、手机、PAD等多种终端的接入。生产经营主体可根据自己园区所在位置，选择相应产区，关注当地寒害预警信息。综合寒害指数是一个关键指标，分为弱警、中警、较强警和强警4个预警等级，为了更加醒目易懂，分别用蓝色、黄色、红色和橙色表示。为了能给生产经营主体提供更多的指导服务，在预警信息发布时，除了寒害预警等级，还会提供专家建议，如：覆盖地膜、施用防冻抗冻物品，以及寒害后如何施肥缓苗、如何处理死苗等，香蕉生产主体可根据专家指导采取相应措施，以减少寒害带来的损失。

4 结语

我国农业气象灾害预警服务正在蓬勃发展之中，这是一种跨学科知识的融合应用，需要气象部门与农业部门通力合作，结合地方特色产业、气候特点、品种生长特点而制定完善的灾害预警服务。根据预警信息，有效地采取针对性的预防措施，降低自然灾害给农业生产带来的影响[8]。在香蕉全产业链信息服务中加入寒害预警，是传统信息服务的延伸，是在广西单品种全产业链综合服务中的一种尝试。它充分发挥了气象数据的作用，提高了气象预警预测能力。广西发展水果产业需要综合考量标准建设、品牌创建、网络营销及疫病防控等多方因素[9]。关于香蕉寒害应对方法研究也取得多方面进步，例如在抗寒基因工程方面，随着分子生物学的发展，出现了转化频率更高、重复性更好的香蕉遗传转化技术[10];在田间管理方面，研发了天膜+地膜双膜保护的防寒方式，可以保障秋植蕉苗安全过冬[11]。

香蕉寒害预警服务不是一蹴而就的，仍有很大的提升空间，预测精准度仍需持续提高，预测时间长度也应该加大，尚需结合不同香蕉品种和产区完善寒害预警模型。后续拟在香蕉全产业链公共服务平台中增加历史气象数据查询服务，有意愿从事香蕉生产的主体在选择建园地点时可查询各产区的冬季历史气象数据，如：冬季平均气温、年度最低温度、年度无霜期、寒害发生次数等气象指标，作为确定种植地点的参考因素，也可根据数据提前做好防寒预案，使香蕉寒害预警服务发挥更大的作用。作为全产业链服务中的一环，香蕉寒害预警还需要与品种改良、品种选择、园区位置选择、产中的生长期管理等相结合，如：提高香蕉植株健康度、调整种植时间、科学施肥等以及灾后定损、农业保险等，才能全面提升香蕉产业抗风险能力，真正促进农民降损增收。

参考文献

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[3]黄晓钰，季作樑，李沛文.香蕉冷害症状及生理指标和有效防寒措施研究[J].华南农学院学报，1982（4）：1-12.

[4]陈爱莲，李家裕，张圣军，等.卫星遥感估产技术在大豆区域收入保险中的应用[J].智慧农业（中英文），2020，2（03）：139-152.

[5]杨继国，翁向宇.2019年我国农业气象灾害预警发布情况分析[J].现代农业科技，2021（10）：153-155.

[6]吴炳科，廖勇，饶珠阳，等.广西农业信息化现状与发展路径探讨[J].南方农业学报，2013，44（12）：2119-2122.

[7]杜尧东，李春梅，毛慧琴.广东省香蕉与荔枝寒害致灾因子和综合气候指标研究[J].生态学杂志，2006（2）：225-230.

[8]刘桂平，康学红.浅析建立农业气象预警机制的意义及对策[J].农业灾害研究，2020，10（6）：68-69.

[9]饶珠阳，牙莉.2017年广西水果产业结构分析[J].广西农学报，2018，33（02）：34-38.

[10]周红玲，陈石，郑云云，等.香蕉寒害冻害及抗寒研究进展[J].现代农业科技，2017（04）：57-58，65.

[11]张学娟，李宝深，马翠凤，等.香蕉覆膜防寒效果研究[J].农业研究与应用，2016（05）：12-15.

（责编：徐世红）

Design and Application of Banana Cold Injury Early Warning System

HUANG Tengyi   WU Bingke   RAO Zhuyang

（Agricultural Information Center of Guangxi Zhuang Autonomous Region， Nanning 530022， China）

Abstract： Banana is one of the priority fruit industries in Guangxi Zhuang autonomous region. Affected by the local natural environment， the cold currents in winter and spring can easily cause cold damage to banana plants and cause disasters to reduce production. Therefore， it is particularly important to use modern information technology to improve the resistance to natural risks of banana production. This study introduced the design principles of the public service platform for the entire banana industry chain in Guangxi， and proposed the construction of a banana cold damage early warning function; extracted key hazards to build a cold damage early warning model， and used big data technology to generate a comprehensive cold damage index. After consultation with experts， the warning level was determined， and countermeasures were given， and visual display technology was adopted. This platform can provide early warning information services for banana production and operation entities through the Internet， and play a role in preventing problems before they occur， stabilizing production and reducing losses. At present， the function of the platform has entered the trial operation stage， and the calculation results are basically consistent with expert judgments， which can provide decision-making assistance for the government， banana farmers and experts.

Key words： Banana; Early warning; Chilling injury index; Agriculture information service

作者簡介：黄腾仪（1983—），女，广西德保人，硕士，农业经济师，研究方向：农业农村信息化、农业经济、涉农网络舆情。  收稿日期：2021-12-18