农业气象灾害监测预测技术研究进展

佟钢 刘忠梅

摘要 农业气象灾害是影响农业生产安全的重要因素之一。干旱、低温冷害、寒害、洪涝等是最常见的农业气象灾害。现代农业提倡通过加强农业气象观测来监测气象变化，分析和预测农业气象灾害，为相关部门指导农业生产和应对农业气象灾害提供可靠依据，提高农业生产效益，保证农业生产安全。主要阐述了农业气象灾害监测预测技术发展现状，分析了农业气象灾害指标，探讨了农业气象灾害监测预测技术研究，为农业气象灾害监测预警模式的创新和监测预测技术的推广应用提供一些参考。

关键词 农业气象灾害；遥感监测；地面监测；数理统计预报；监测预警模式

中图分类号：S421 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）02–0055-03

我国东西横跨经度广，南北纬度跨度大，地形高低起伏，高原、山地、沙漠等土地中有一大部分土地不适合耕作，可适用农业耕作的土地有限，且每年农业生产受气象灾害影响较大，导致农作物减产，甚至绝收。在有限的耕作土地上，为了确保国家粮食安全，我国必须在发展农作物高产栽培技术的基础上，做好农业气象灾害的预测与防范工作。农业气象灾害监测预测技术是推动农业健康可持续发展的关键。国内遥感技术、地面监测技术、大数据技术等高新科技的发展为农业气象监测预测研究提供了技术支持。近些年，国家加快了现代农业建设与发展规划。基于农业健康可持续发展的需求，农业气象灾害监测预测技术成为近几年农业气象服务领域研究的热点课题，对创新农业气象服务模式、提高农业气象服务水平和指导农业科学、安全、可靠生产有重要意义。

1 农业气象灾害监测预测技术发展现状

1.1 国外现状

国外在农业气象预警方面以GTS系统为依托，应用AIAA、ProQuest、IEEE等数据库技术和卫星平台打造软件系统+专业情报服务为基础的农业气象预警服务系统。在农业气象服务科技研究方面，国外以作物模型的研究最具代表性。进入21世纪以来，国外许多农业气象学家、气候学家都致力于研究作物模型与气候模式融合预测农业气象灾害的模式。目前，已经在世界范围内得到广泛应用的作物模型有CERES、GROPGRO、DSSAT、AquaCrop、AgrometShell等。

作物模型成果研究的目的是为了开发服务于作物产量预测评估的系统或模式。以WOFOST为例，该模式被开发后应用于作物生长检测系统，它的应用为作物生长检测系统功能的拓展提供了新的可能，使农业气象服务真正地面向生产者，为生产者提供日常的农业气象服务。WOFOST模式目前已在欧盟国家得到普遍应用。欧洲联合研究中心通过每月监测的作物生长及其相关信息进行大数据整合分析，预测分析农业气象，并向欧洲地区发布作物生长监测预测公报，公报内容包括气候改换、农业气象条件分析、卫星遥感检测结果、作物产量预测等，指导欧盟国家农业生产[1]。

1.2国内现状

国内农业气象灾害监测预测技术虽然起步较晚，但发展速度较快。进入21世纪，我国农业气象服务先后在可见光—红外线、热红外、微波遥感技术、卫星遥感监测，以及干旱指标、低温冷害指标、寒潮指标、洪涝指标等方面取得了较为显著的研究成果。国内研究着主要侧重于某一地区的农业气象灾害监测与预测技术的研究，研究成果在特定区域内具有较好的适应性，但在全国范围内的适用性受到一定的限制。近些年，随着物联网技术、各类智能传感器等在农业气象服务领域的融合性应用，国内农业气象灾害监测预测技术数字化、智能化特征日益显著。在农业气象灾害预测预警模式方面，近2年来，以数理统计方法、GIS技术、农业气象智能监测为基础的数理统计预测预警模式、GIS精准预测预警模式和农业气象灾害综合性预测模式应用较为广泛[2]。在农业气象灾害预测预警实践方面，综合性模式的应用能够更加全面、可靠地反映气象灾害相关信息，利于相关部门及农户更加精准、及时地了解农业气象灾害的发生范围和危害程度，对提早预防农业气象灾害，开展相关防范服务提供了决策指导。

2 农业气象灾害指标

2.1 干旱指标

干旱指标常用于旱情的描述，指干旱程度的特征量。在农业气象研究中，可通过对干旱指标的度量、对比、综合性分析等来评价干旱程度、范围。目前，国内外关于干旱指标的评价有50余种。最常用的干旱指标有标准化降水指数、降水距平百分率、降水Z指数、相对湿润度指数、K指数、CI指数、Palmetr指数等。

标准化降水指数是国际上应用最广泛的评价干旱的指标。我国西北地区主要用标准化降水指标评价干旱，能够较为准确地反映同一地区不同时间尺度下的干旱程度。应用标准化降水指标评价干旱时，需重点考虑气温、蒸发量等因素对区域性干旱的影响。在干旱地区，由于蒸发量较大、气温较高，采用标准化降水指标研究干旱难以准确地分析降雨与气候平均状况时的干旱关系，也难以用前期的干旱持续时间分析对后期干旱程度及范围的影响。范嘉泉等[3]在甘肃平凉地区以Palmetr指数研究当地干旱情况，研究表明Palmetr指数在西北旱情较轻地区反映较为敏感，在蒸发量较大、干旱强度较大的地区反映最敏感，对干旱程度的描述更為准确，但对降水反映不敏感。王芝兰等[4]以广义极值分布理论为基础，创建了干旱指数Ｋ指标，并将该指标应用于西北地区干旱程度、范围的评价中，结果表明Ｋ指标对该地区春季干旱监测反馈结果较为准确，在其他季节K指标对干旱的监测存在着频率偏大或偏小、等级偏重或偏轻等结果差异。降水距平百分率则只能反馈某一段降水在同时期内的状态偏离程度。从现代精准农业发展需求而言，标准化降水指数、K指数、降水距平百分率等干旱指标在评价干旱时存在一定的局限性。

2.2 低温冷害指标

低温冷害指作物生长发育过程中热量不足而表现出的一种农业气象灾害，常用温度距平或积温距平来反映。低温冷害在东北地区发生率较高。根据对东北地区相关研究显示[5]，东北5—9月以平均温度和距平值作为低温冷害等级评价指标。东北地区5—9月低温冷害指标为零下1.3 ℃，严重低温冷害指标为零下3.3 ℃，其中吉林省大豆产量与5—9月气温呈线性关系。这也进一步说明低温冷害对粮食作物产量的影响。孙玉亭等[6]在东北区粮食产量与5—9月温度关系的基础上建立了一套低温冷害等级指标，以平均温度、负距平来评价冷害年指标，确定一年中地区发生的冷害等级和冷害危害程度。王书裕[7]将积温差小的指标低温冷害定义为≥10 ℃的活动积温且比一般年份少50 ℃·d；较一般年份少100 ℃·d的定义为严重低温冷害年。潘铁夫[8]以作物生育期总积温比历年平均值少100和少200 ℃·d分别作为评价低温冷害和严重低温冷害的指标。全国各地不同时段气候存在差异性，低温冷害评价方法和过程虽然存在差异性，但积温指标是作为各地低温冷害监测预测及危害程度评价的重要指标。

2.3 寒害指标

寒害在我国华南地区和北方地区发生率较高，但发生类型不同。华南地区主要受害作物为蔬菜、亚热带或热带经济林果、渔业等。北方地区主要受害作物为玉米、水稻、棉花，以西北、东北玉米寒害发生最为典型。在空间上，全国冷害具有地区一致性特征，以东北地区最为明显。此外，东北、西南地区和西北、东南地区在寒害发生空间上均呈现出反向型特征。黄朝荣[9]采用立式研究法对广西现浇寒害温度指标进行分析，研究结果表明温度与香蕉产量有着紧密的关系。张蕾等[10]以海南地区的州县发生的寒害灾情、瓜菜面积和产量、气象要素等为研究对象，分析了瓜菜生物学特性与寒害致灾等级的关系，建立了相关的寒害等级评价指标。

2.4 洪涝指标

洪涝灾害的监测预警是近些年才发展起来一条技术体系，其技术核心是遥感监测技术。国内主要通过遥感监测预警终端来评价和分析洪涝灾害，并对其进行预警。遥感监测终端通过物联网与各类水资源计量或远程信息采集设备相关联，来获取水位、雨量、温湿度、图像等信息。信息采集端将自动采集的信息上传至管理平台，平台系统支持大数据分析，通过对各项相关指标的综合分析来判断监测区域内在特定时段是否存在水位异常等情况。当系统自动监测到实际洪涝指标超过系统设定的安全指标后将根据系统显示的洪涝灾害等级自动触发报警功能，警示洪涝安全，为洪涝防灾减灾决策提供科学依据。

3 农业气象灾害监测预测技术

3.1 研究对象与任务

农业气象灾害监测预测技术研究的对象是农业气象及农业气候资源，研究内容较多，内容不同，研究任务目标也不同。目前，研究最多的内容如下：（1）农业气象观测和探测；（2）农业气象基础理论研究；（3）农业气象信息服务；（4）农业气象减灾与防灾；（5）农业气候资源开发；（6）农业小气候利用与调节；（7）应对气候变化的对策。农业气象监测预测的主要任务是预测和评估农业气象灾害发生情况，预防和应对农业气象灾害，减少或降低农业气象灾害对农业生产的负面影响，保障农业生产活动顺利进行，保证国家粮食安全，促进农业健康可持续发展[11]。

3.2 研究过程和方法

3.2.1 研究过程 农业气象灾害监测预测技术的研究是农业气象学的一部分，研究过程包括获取资料、资料处理、资料分析、得出结果。基于农业气象监测预测的任务目的，该课题的研究过程依次为国内外农业气象灾害监测预测技术发展现状分析、气象灾害指标的分析、研究前景展望。

首先，通過课题研究对象、内容、关键词等查找相关文献，分析国内外近些年在农业气象灾害监测预警相关的资料文献，获取最新资料。其次，对涉及农业气象灾害监测预测技术相关的资料进行分析整理。最后，对整理出的关于农业气象灾害监测所应用到的遥感技术、GIS技术、GPS技术、GTS系统、地面检测仪器、数理统计预报技术、互联网技术、物联网技术等进行分析，确定农业气象灾害监测预警系统建构所应用到的关键技术及其要点。随着现代高新技术的发展及在农业气象领域的应用，农业气象灾害监测预测技术逐渐地趋向于多元化、自动化、智能化、数字化发展。目前，关于农业气象监测服务国内已经建立了从地面到强控的多指标立体监测体系。在天空监测领域，3S技术、GTS系统发挥了重要的作用；在地面监测领域，土壤温湿度检测仪、空气温湿度检测仪、土壤墒情站、激光传感器、远程病害监测仪、远程拍照式虫情测报等、植物环境信息检测设备、专家系统等发挥了重要的作用；在系统数据统计分析方面，数理统计预报技术、物联网技术等发挥了很重要的作用[12]。特别是物联网技术的应用，使各类农业生产领域相关的监控设备实现了联网管理，使设计农业生产领域、农业气象灾害领域相关的、专用的、独立的气象监测站、气象监测系统成为了现实。在多功能农作物气象站的联合应用下，为农业气象灾害监测预测提供了多源可靠的信息数据，有效地保证了农业气象灾害监测预警的可靠性。

3.2.2 研究方法 主要采用了文献调查法、概念分析法、定性分析法、历史研究法、模拟法、信息研究法、经验总结法、描述性研究法等方法对农业气象灾害监测预测技术及其研究进展进行探讨和总结。

4 国内研究进展

4.1 主要模式

目前，国内农业气象灾害监测预警主要模式包括数理统计预测预警模式、GIS精准预测预警模式、农业气象灾害综合性预测模式等。数理统计模式一般采用多元回归分析法、时间序列分析法建立预测预警模型，运用非线性回归方程进行农业气象灾害的预测分析。一些农业气象灾害预警系统还引入了加速遗传算法模型，用于分析和预测大气回流。此外，还有一部分学者引入物候信号作为农业气象灾害监测的指标之一，通过分析作物在不同节候中发生的周期变化评估气象灾害，使农业气象灾害的监测精准的定位到不同节候，丰富了农业气象灾害监测的内容，进一步提升了气象灾害监测预测的精准性[12]。

4.2 关键技术

近些年，GIS技术与物联网技术的应用为各地地质、地形的分析提供了技术支持，扩充了监测指标及其内容，推动农业气象监测预测向图像化、视频化、可视化转变。由于GIS提供的图像信息可以依靠物联网实时传输给预警系统，预警系统在获得最新信息后可及时对系统中气候预报相关的相关数据及重要指标进行修正，提高了农业气象灾害指标预测的精准性[13]。

此外，还可以采用物联网、3S技术、智能监测设备等，建立综合性农业才会预测发布服务系统，通过加强对各类气象数据，建立农业气象灾害历史数据库，整合新旧资源进行气象灾害的监测预测，来指导农业生产防灾减灾。

5 结语

地方性气象、气候条件是当地农业生产模式、作物类型选择、耕作制度确定的基础，也是影响作物病虫害类型及发生情况的重要因素。常见的农业气象灾害监测和预测主要应用3S技术、GTS系统、地面检测仪器、数理统计预报技术、互联网技术、物联网技术等。遥感卫星负责对农业气象活动进行监测，地面检测仪器负责对地面农田生态信息及农作物信息进行实时采集，再由数理统计预报系统对所有收集的监测信息进行汇总、分析和处理，整合气象数据与农作物农田实际情况，预测预报农业气象灾害。当系统自动检测到农业气象活动可能对现有的农业生产造成危害时，系统就会根据设定的危害等级做出农业气象灾害预警提示，以便精准地指导相关部门预防农业气象灾害。

参考文献

[1] 孙铭谦，曲原，杨文艳，等.农业气象灾害监测预测技术研究进展[J].农村经济与科技，2021，32（20）：25-27.

[2] 王斌飞，牛琳琳，袁婧.农业气象灾害监测预测技术研究进展[J].南方农业，2021，15（20）：193-194.

[3] 范嘉泉，郑剑非.帕尔默气象干旱研究方法介绍[J].气象科技，1984（1）：63-71.

[4] 王芝兰，王劲松，李耀辉，等.标准化降水指数与广义极值分布干旱指数在西北地区应用的对比分析[J].高原气象，2013，32（3）：839-847.

[5] 李祎君，王春乙.东北地区玉米低温冷害综合指标研究[J].自然灾害学报，2007（6）：15-20.

[6] 孙玉亭，王书裕，杨永岐.东北地区作物冷害的研究[J].气象学报，1983（3）：313-321.

[7] 王书裕.我国作物冷害研究的进展[J].气象科技，1984（4）：75-79.

[8] 潘铁夫.吉林省低温冷害发生规律及主要防御措施[J].吉林农业科学，1979 （04）：23-29.

[9] 黄朝荣.南宁市香蕉冷害指标及防御措施探讨[J].广西农业科学，1991（3）：106-109.

[10] 张蕾，霍治国，黄大鹏，等.海南冬季主要瓜菜寒害风险区划[J].中国生态农业学报，2014，22（10）：1240-1251.

[11] 冯林琳.农业气象灾害监测预测技术的应用[J].农业与技术，2019，39（2）：139 -140.

[12] 杨春娇，王鹏.农业气象灾害监测预测技术的研究进展[J].吉林农业，2018 （16）：98.

[13] 董晓沛.农业气象灾害监测预测技术研究进展[J].江西农业，2018（12）：59.

责任编辑：黄艳飞

Advances in Monitoring and Forecasting Techniques of Agrometeorological Disasters

Tong Gang et al（Tonghua Meteorological Bureau， Tonghua， Jilin 134001）

Abstract Agrometeorological disasters are one of the important factors affecting the safety of agricultural production. Drought， cold damage， cold damage， flood and waterlogging are the most common agrometeorological disasters. Modern agriculture advocates the monitoring of meteorological changes and the analysis and prediction of agrometeorological disasters through the enhancement of agrometeorological observations， thus providing a reliable basis for relevant departments to guide agricultural production and respond to agrometeorological disasters， improve the efficiency of agricultural production and ensure the safety of agricultural production. This research mainly elaborated the agricultural meteorological disaster monitoring and forecasting technology development present situation， analyzed the agricultural meteorological disaster index， discussed the agricultural meteorological disaster monitoring and forecasting technology research， it provides some references for the innovation of monitoring and early warning model of agrometeorological disasters and the popularization and application of monitoring and forecasting technology.

Key words Agrometeorological disasters; remote sensing monitoring; Ground monitoring; Mathematical statistical forecasting; Monitoring and early warning model

作者簡介 佟钢（1976—），男，吉林通化人，工程师，本科，研究方向：综合气象观测。

收稿日期 2022-10-19