新疆气象大数据+棉花科创助农平台建设与应用

崔玉玲，马雷凯，李阿桥，阿吉古丽·沙依提，王森，吉春容

（1.乌鲁木齐市气象局，乌鲁木齐 830002；2.新疆气象学会，乌鲁木齐 830002；3.新疆气象信息中心，乌鲁木齐 830002；4.新疆农业气象台，乌鲁木齐 830002）

棉花的产量和品质直接影响新疆的区域经济和农民的切身利益[1]。 随着人力成本的不断上升和田间管理规模的不断扩大，通过看天、看地、看花、看虫等方法来判断作物水分和养分亏缺状况等进而进行田间管理决策的种植管理模式， 费时长、耗力大、成本高，已不再适用。 此外，加上品种更替带来的不确定性，农民常常通过不断试错种植获得生产经验，导致棉花等作物得不到最优管理，造成资源浪费、经济效益低等问题，影响棉花产量和品质的稳定性[2-3]。新疆作为植棉大省（区），开展“气象大数据＋棉花科创助农平台”建设，对于适应新形势下现代农业发展需求、 培育壮大农业数字经济，推动乡村振兴和棉花产业高质量发展，助力中国棉花产业的健康稳定发展具有重要意义。 因此，为了推动新疆棉花产业提质增效、高质量发展，通过实时监测气候、土壤墒情等多源异构数据，再将其进行二次整理和汇集，构建了气象大数据＋棉花科创助农平台，创建了全国首家棉花“气象科技小院”，组建新疆棉花气象科技服务团队，开设了气象服务应用培训和科技咨询大讲堂，打通棉花科技信息服务的“最后一公里”。

1 气象大数据＋棉花科创助农平台功能

1.1 气象大数据云平台“天擎”

气象大数据云平台“天擎”（天擎新疆）是由国家气象局开发的，可以提供“数算一体”的平台化服务，全面支撑棉花科创助农平台所有数据资源的汇聚、管理和服务，包括气象观测数据、融合产品、业务服务产品、设备信息、监控日志等[4]。

该平台以全国综合气象信息共享平台（CIMISS）为基础，引入云计算、机器学习、大数据等新兴技术，应用并本地化了中国气象局陆面数据同化系统（CLDAS-V2.0）的实况融合产品，使用新疆本地雷达产品和全疆地面自动站数据，基于卷积网络技术和多源融合校准的中国气象局局地分析与预报系统（LAPS），进一步优化空间分辨率为5 km、时间分辨率为1 h 的实况融合格点产品，大大优化了数据汇聚、加工、服务和应用支撑全流程；支持大数据汇集交换、多源挖掘分析和开放共享服务，显著改善气象信息资源的有效供给和精准服务，将后端产品加工和数据产品管理融入进来，对前端应用进行服务化改造，构成“云＋端”的系统模式，为棉花科创助农平台提供数据和技术支撑[5-9]。

1.2 棉花科创助农平台

依托气象大数据云平台“天擎”，围绕棉花不同生育时期及种植管理模式，结合棉花生长气象服务指标，建设完成棉花科创助农平台（棉花气象服务网，http://222.82.235.73:8016/cotton-web/gridForecast），包括监测预报、灾害预警、生长评价、关键期预报、棉田气象动态、实用技术六大功能模块，实现了棉花种植的产前、产中、产后系列化动态气象保障服务。

监测预报模块， 可实现棉田小气候实况监测，农业气象灾害预警， 基于地块的未来天气预报，棉花长势实时查看， 棉田气象灾害和病虫害发生概况、土壤水分情况的动态分析功能；灾害预警模块的功能包括农业气象灾害预报预测、 灾害影响评估；生长评价和关键期预报模块，可针对棉花播种期、苗期、现蕾期、花铃期、吐絮期、成熟期进行生长气象条件专项预报分析，并实时将服务信息同步至种植户手机。

1.3 在玛纳斯县的棉花气象服务探索

玛纳斯县位于北疆植棉区的中心地带，2020—2021 年以玛纳斯县北五岔镇、 中棉集团玛纳斯棉业有限公司周边、玛纳斯新天地棉花专业合作社为服务区域（服务面积1 573 hm2），充分了解不同用户的服务需求，将棉花生长气象指标、棉花科创助农平台等系列成果进行示范转化和服务推广应用，提供棉花种植的产前、产中、产后系列化动态气象服务（图1），创新服务手段，探索服务模式，取得了较好的服务效果，受到了合作社成员的一致认可。

图1 棉花气象服务体系

1.3.1产前服务。 利用全疆气象站点近60 年的气候数据，根据棉花生长发育农业气象指标，明确不同熟性（中熟、中早熟、早熟、特早熟）棉花品种的适宜种植范围，提示不同棉区主要农业气象灾害发生风险，如终霜冻风险等。 这可使生产决策者充分了解当地气候资源与灾害风险， 合理进行种植布局，在风险区提前采取防御措施（如设置防风网、种植防护林、购买灾害保险等）以提高抗风险能力，从而充分利用气候资源获得棉花优质高产。如对北五岔镇的棉花种植气候条件分析可知，其属于棉花种植适宜区，主要气象灾害为大风、低温、高温。

1.3.2产中服务。 针对棉花生产关键期开展系列化服务，如：提示播种期、头水期、打顶期、停水期、吐絮期、脱叶剂喷施期等；根据天气预报不定期发布灾害预警及影响评估材料，按旬、月、季、年定期评估气象条件对农业生产的影响；利用农田实景（图像识别）和天气预报（智能网格预报）动态监测天气条件对棉花生产的影响，同时开展棉花产量预报，为政府宏观调控、市场价格走势研判提供依据。 下面以2021 年春播气象服务和秋收气象服务为例进行说明。

（1）春播气象服务。 ①播种前，根据2021 年春季气候条件以及未来天气的气候预测结果，结合棉花播种气象指标，预测本年度不同植棉区的适宜播种期，如玛纳斯县服务区域的棉花适宜播种期为4月9-20 日。 ②播种过程中，根据未来7 d 动态天气预报实时提供基于地块春耕春播的农用天气预报，随时建议调整播种进度，抓住有利天气时段、避开灾害性天气。 ③开展农业气象灾害监测预警服务。如针对2021 年4 月下旬低温霜冻天气，4 月18日发布棉花霜冻预警，4 月21 日再次发布棉花霜冻和低温冷害预警，提示不同植棉区灾害影响范围及程度，并给出如下建议：未播种的农户应在“冷尾暖头”抓紧播种；对刚播种不久的棉田，应在“冷尾暖头”滴水且减少滴灌水量，并提早防风压膜；对已出苗或快出苗的棉田，应提前做好冷害、霜冻灾害的防御准备，及时中耕松土、破除土壤板结[10]。④提供农业气象灾害影响评估服务，在灾害发生发展过程中持续进行气象条件分析，连续发布基于地块的气象条件预报，为灾后采取补种等不同措施提供支撑。 ⑤在棉花生长关键期，根据需求开展不定期实时气象服务，如分析棉花苗期温度、积温的差异及影响，为采取不同生长调节措施提供气象信息支持。

（2）秋收气象服务。①秋收前，根据当年夏秋季气候条件以及未来天气的气候预测结果，结合棉花生长气象指标， 预测本年度不同植棉区的吐絮时间。 ②进入吐絮期后，根据喷施脱叶剂的气象指标和天气预报，制作不同植棉区适宜喷施脱叶剂的气象等级服务产品，指导农户合理选择喷施脱叶剂的时机，实现棉花优质高产。

1.3.3产后服务。总结分析当年气象条件对棉花生长发育和产量形成的影响，从气候角度评述当地棉花产量、品质优势，通过新疆兴农网的网站（www.xjxnw.com）、微信公众号、抖音账号等发布，提升优质植棉区的知名度。

2 棉花气象服务模式创新

针对不同用户群体的需求，研发了面向大众的公众服务模式和面向具体用户的定制化服务模式。前者是通过新疆兴农网的网站、微信公众号、抖音账号等第一时间对外发布全疆棉花气象服务产品，被“丝路小棉袄”“天山植保”“农之道”等棉花服务微信公众号大量转载。后者是基于玛纳斯合作社服务案例， 探索出的个性化棉花气象服务模式，利用5 km×5 km 格点预报技术研发了基于位置的棉花气象服务网和棉花气象服务小程序（图2），可根据用户所在具体位置，开展棉花生产全过程私人订制气象服务。

图2 棉花气象小程序

3 建设全国首家棉花“气象科技小院”

“气象科技小院” 是新疆气象学会整合农业人才和技术资源力量打造而成的，集中展示了玛纳斯县农业气候资源状况、棉花种植适宜性区划和灾害性区划、棉花气象服务指标、棉花气象科技服务团队等。 棉花气象科技服务团队汇聚了高校、事业单位、企业、合作社等人才。“气象科技小院”以国家棉花气象服务中心为支撑，围绕棉花产业发展中急需解决的气象科技问题，引导科研单位、企业与新型经营主体建立紧密的合作关系，开展棉花生产全过程精细化、定制化智慧农业气象服务、防灾减灾科普宣传和棉花高产栽培管理技术培训，充分发挥气象防灾减灾第一道防线的作用，推动棉花产业提质增效、高质量发展，打通科技成果转化和技术服务、技术推广的“最后一公里”。

4 开展技术培训与科技咨询

为了解决科研与生产实践脱节、人才培养与社会需求错位、农业技术人员远离农民和农村等制约科技创新、成果转化和“三农”发展等的问题，结合新疆气象部门业务特点及实际情况，依托棉花“气象科技小院”，开展气象灾害科普、农民培训、精细化棉花气象服务等一体的系列培训，实现专家与农民的零距离接触，科研与生产、育人与用人相结合，进一步优化了“政产学研用”一体化模式。 在“气象科技小院”， 专家为村民讲解防灾减灾气象科普知识和人工影响天气原理， 通过虚拟现实（virtual reality,VR） 设备让参与者身临其境地体验气象灾害现场情景；依托“气象大数据＋棉花科创助农平台”，开设了气象服务应用培训和科技咨询大讲堂，就棉农关心的棉花种植栽培管理和病虫害防治、气象条件影响以及天气指数保险等问题做出了详细解答，得到当地种棉大户的一致好评。

5 棉花科创助农平台应用存在的问题及展望

“气象大数据＋棉花科创助农平台”，初步完成了基于田间地块的格点化、精准化棉花生产气象服务，为防灾减灾、趋利避害提供了技术支持。依托在棉花专业合作社建立“气象科技小院”，棉农可面对面咨询专家、获得点对点的技术支持，解决了棉花气象为农服务“最后一公里”问题，实现了气象保障服务与生产种植零距离。 但是，棉花科创助农平台服务过程中仍存在一些问题：一是平台主要是针对气象灾害监测预警，对合作社、种植大户病虫害防治和水肥投入的指导，目前还依靠科技服务人员点对点、手动信息化加工，降低了其时效性；二是不同受众群体对气象条件与农业生产关系的认知和分析能力存在差异。 因此，应尽快提升对病虫害防治和水肥投入的智能化、智慧化服务能力，加强对棉农的气象防灾减灾科普力度，提升其防灾减灾意识和对气象服务的重视程度[11]。