懷化市農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)控預測平臺的設計與實現(xiàn)

易 永，肖坤葵

(懷化市氣象局，湖南懷化 418000)

懷化市地處云貴高原邊緣，湖南西部，屬亞熱帶季風氣候，境內(nèi)雪峰山脈、武陵山脈縱橫，地形復雜，氣象條件復雜，干旱、洪澇、連陰雨、低溫冷害等農(nóng)業(yè)氣象災害頻發(fā)，且干旱、連陰雨、5月低溫、倒春寒、寒露風等累積型災害的危害性逐步加重，其發(fā)生往往不易及時察覺，是農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)控預警及防控的難點。懷化為經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，農(nóng)村經(jīng)濟基礎差，農(nóng)業(yè)基礎設施薄弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術落后，抗災能力較差，農(nóng)業(yè)氣象災害常常給懷化農(nóng)業(yè)造成巨大損失。政府決策和農(nóng)戶生產(chǎn)都需要針對性、時效性強的精細化農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)控預測服務，以便及時了解農(nóng)業(yè)氣象災害的發(fā)生發(fā)展情況，適時采取避災減災措施。隨著氣象業(yè)務的發(fā)展，各地建立了大量氣象災害監(jiān)測平臺，但大多只有實時監(jiān)控功能，并不具備預測能力，且災害預報種類也比較單一[1-8]。因此，從當前業(yè)務工作實際出發(fā)，借鑒他人成果，基于懷化當?shù)貒覛庀笳炯班l(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站的歷史、實時氣象資料和中期天氣預報，設計出一套程序，搭建了當?shù)刂饕r(nóng)業(yè)氣象災害的自動監(jiān)控預測平臺，以提高該地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣象災害服務能力。

1 系統(tǒng)設計

1.1基本思路懷化市農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測平臺以當?shù)貧庀筚Y料為核心，首先建立氣象臺站地理信息、歷史地面氣象資料、農(nóng)業(yè)氣象災害指標、天氣預報資料等數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫的基礎上建立農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)控預測的推理程序，逐日推算出氣象災害指標值，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)氣象災害的實時監(jiān)控和未來一周預測。平臺主要目標包括：①建立農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)控預警的專業(yè)數(shù)據(jù)庫，主要有地面氣象資料表、逐時逐日自動土壤水分數(shù)據(jù)表、預報資料表、各種農(nóng)業(yè)氣象災害指標表、氣象臺站地理信息表等。②開發(fā)氣象監(jiān)測預報資料自動收集和數(shù)據(jù)管理程序，實現(xiàn)自動土壤水分站資料、逐日地面氣象資料、天氣預報資料等的自動入庫。③建立土壤水分資料、氣象資料的多模式查詢程序，為農(nóng)業(yè)氣象災害指標優(yōu)化，農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)預測模型建立，農(nóng)業(yè)氣象災害研究分析提供數(shù)據(jù)分析支持。④開發(fā)干旱、洪澇、連陰雨、5月低溫、倒春寒、高溫熱害、寒露風等當?shù)刂饕r(nóng)業(yè)氣象災害的監(jiān)控預測程序，以圖形或表格輸出產(chǎn)品。

1.2數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)以Access為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)平臺，利用關系數(shù)據(jù)庫理論，建立農(nóng)業(yè)氣象災害數(shù)據(jù)庫，主要包含地面氣象資料表，逐時、逐日自動土壤水分數(shù)據(jù)表，氣象臺站、自動土壤水分站地理信息表，預報資料表，各類災害等級參數(shù)表等。

地面氣象資料表包括區(qū)站號、日期、氣溫、相對濕度、風、氣壓、降水、地溫等信息，用于收集當?shù)貒艺尽^(qū)域站氣象資料；自動土壤水分數(shù)據(jù)表包括水分站區(qū)站號、日期(時間)、深度、體積含水量、相對濕度、重量含水率、有效水分貯存量等資料，用于收集當?shù)刈詣油寥浪终?、人工土壤水分資料；預報資料表包括臺站區(qū)站號、日期、最低氣溫、最高氣溫、風速、風向、模擬雨量等，用于收集1周城鄉(xiāng)氣象預報產(chǎn)品；氣象臺站地理信息表包括國家和區(qū)域氣象臺站的名稱、區(qū)站號、緯度、經(jīng)度、行政區(qū)域等地理信息；農(nóng)業(yè)氣象災害等級參數(shù)表主要包括各災害等級的上下限值。

1.3農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測指標根據(jù)前人研究成果和相關業(yè)務規(guī)定[9-10]，利用多種指標實現(xiàn)農(nóng)業(yè)氣象災害的集合監(jiān)控預測，具體指標原理如下。

1.3.1干旱指標。懷化主要為夏秋旱。干旱實際上為缺水累積效應，干旱監(jiān)控主要采取連旱指標、土壤水分指標、降水距平、水分虧缺指數(shù)、標準化降水指數(shù)、相對濕潤指數(shù)、綜合氣象干旱指數(shù)等，在實際應用中發(fā)現(xiàn)，不同指標對不同季節(jié)、不同等級、不同地域的干旱指示準確性、有效性是不同的，因此采取上述7種指標集合監(jiān)控預測，以提高干旱監(jiān)控預測的準確率。

1.3.2洪澇指標。懷化洪澇主要發(fā)生在5—6月，洪澇是由于短期集中降水過多而引發(fā)河流泛濫、山洪暴發(fā)和積水。洪澇采取10 d降水總量和30 d降水距平2個指標進行監(jiān)控預測。

1.3.3連陰雨指標。懷化連陰雨主要發(fā)生在冬春季，指標為日降水量≥0.1 mm連續(xù)7 d或以上，且過程日平均日照時數(shù)≤1.0 h。

1.3.45月低溫。5月低溫主要影響懷化的一季稻育秧及移栽成活，指標為5月連續(xù)5 d或以上日平均氣溫≤20 ℃。

1.3.5倒春寒。懷化倒春寒主要影響一季稻、蔬菜、茶葉、油菜、玉米等春季作物生產(chǎn)，指標為3月中旬至4月下旬旬平均氣溫低于該旬平均值2 ℃或以上。

1.3.6高溫熱害。懷化高溫熱害主要發(fā)生在7—8月，主要影響當?shù)匾患镜境樗霌P花，指標為日最高氣溫≥35 ℃連續(xù)5 d以上。

1.3.7寒露風。寒露風主要影響晚稻抽穗，指標為9月日平均氣溫≤20 ℃連續(xù)3 d或以上。

1.4系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)采用Visual Basic語言進行模塊化編程搭建農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)控預測平臺，建立干旱、洪澇、連陰雨、5月低溫、倒春寒、高溫熱害、寒露風等災害的多指標監(jiān)控預測模型，實現(xiàn)地面氣象數(shù)據(jù)和自動土壤水分站數(shù)據(jù)的實時下載、入庫、查詢、分析，并以表格、圖形格式輸出監(jiān)控預測及氣象數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.1 System functional structure

2 主要模塊功能

懷化市農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測平臺主要由自動土壤水分站逐時資料自動下載入庫程序、地面氣象日文件自動下載入庫程序、實時-預報氣象資料入庫程序等組成的資料收集模塊，氣象災害監(jiān)控預測模塊，自動土壤水分站數(shù)據(jù)查詢分析模塊，地面氣象數(shù)據(jù)查詢分析模塊，系統(tǒng)參數(shù)管理模塊等功能模塊組成，主界面見圖2。根據(jù)當前氣象業(yè)務特點和實際出發(fā)實現(xiàn)各項功能，主要模塊功能介紹如下。

圖2 懷化市農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)控預測平臺Fig.2 The monitoring and prediction platform of agricultural meteorological disaster in Huaihua City

2.1資料收集模塊為保證各類資料的及時性、完整性、可用性，平臺通過自動、手動2種模式多途徑收集國家站、區(qū)域自動站、土壤水分站、中期城鎮(zhèn)預報產(chǎn)品、中期數(shù)值預報產(chǎn)品等氣象資料。

2.1.1自動土壤水分站資料收集模塊。該模塊由逐時資料自動下載入庫程序及手動入庫整理程序組成。自動下載入庫程序每小時自動從省級氣象資料服務器下載指定站點的整點數(shù)據(jù)文件到本地并自動導入數(shù)據(jù)庫。手動入庫整理程序主要用于手動導入逐時整點文件和月報表文件，整理生成逐日數(shù)據(jù)文件，確定土壤濕度預測初始值，并可查詢指定時間段、站點、層次的逐時逐日土壤水分數(shù)據(jù)。

2.1.2氣象實時資料收集模塊。氣象實時資料收集模塊由地面氣象日文件自動下載程序、手動氣象資料下載程序組

成。地面氣象日文件自動下載入庫程序主要功能是每天從上級FTP服務器自動下載日照時數(shù)及降水天氣現(xiàn)象日數(shù)據(jù)文件并自動入庫。手動氣象資料下載程序主要實現(xiàn)完整或非完整月報表文件(A文件)導入，逐時數(shù)據(jù)資料一鍵式下載入庫功能，并可查詢指定時間段和臺站的地面氣象數(shù)據(jù)。

2.1.3預報資料導入模塊。預報資料導入模塊從省級氣象資料服務器自動下載中期城鎮(zhèn)天氣預報文件，并對天氣現(xiàn)象進行降水定量模擬形成定量降水數(shù)據(jù)，或者自動下載導入精細化數(shù)值預報產(chǎn)品，并整理生成實時預報一體化數(shù)據(jù)序列。

2.2地面氣象數(shù)據(jù)查詢分析模塊該模塊主要功能是實現(xiàn)多年同時段單站多氣象要素統(tǒng)計、多年同時段多站單氣象要素統(tǒng)計、指定氣象要素條件下其他氣象要素統(tǒng)計、連陰雨復合統(tǒng)計等功能，還可分析查詢彭曼蒙特斯蒸散、日照百分率、常用模擬輻射、氣候生產(chǎn)潛力、濕潤指數(shù)等常用氣候模擬數(shù)據(jù)，主要用于災害氣象要素分析。

2.3自動土壤水分站數(shù)據(jù)查詢分析模塊該模塊主要功能是實現(xiàn)土壤水分日變化分析、單站多層次土壤水分數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、多站多層次土壤水分數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等，主要用于生成土壤濕度變化模型模擬數(shù)據(jù)序列，分析土壤干旱指標。

2.4農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)控預測模塊主要包括干旱、洪澇、連陰雨、5月低溫、倒春寒、高溫熱害、寒露風及綜合監(jiān)控預測共8個災害監(jiān)控預測子模塊。進入平臺后，系統(tǒng)自動運算綜合監(jiān)控預測模塊，分析各類農(nóng)業(yè)氣象災害的實時監(jiān)測及預測結(jié)果。根據(jù)運行結(jié)果，可進入到各農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)控預測子模塊進行專題分析，各個子模塊可分析計算多個臺站的歷史氣象災害，也可進行實時氣象災害的監(jiān)控預測。分析結(jié)果可通過Excel導出表格，也可通過Surfer輸出圖形產(chǎn)品。

3 小結(jié)

(1)平臺以關系數(shù)據(jù)庫和模塊化編程技術、Surfer繪圖技術等為基礎，從當前懷化市氣象業(yè)務特點和實際出發(fā)，建立了該地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)控預測一體化平臺，提供了靈活、易操作的可視化人機交互界面，幫助實現(xiàn)了利用多指標集合連續(xù)監(jiān)控預測當?shù)刂饕獨庀鬄暮Φ陌l(fā)生發(fā)展。系統(tǒng)提供了先進的、成熟的技術方法和業(yè)務平臺，便于業(yè)務人員操作應用，有效地提高了懷化農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警業(yè)務能力，已在為減少農(nóng)業(yè)氣象災害損失的服務中取得較好的社會和經(jīng)濟效益。

(2)平臺提供了一種解決連續(xù)監(jiān)控預警延遲性農(nóng)業(yè)氣象災害的方法：首先收集一定長度的連續(xù)實況數(shù)據(jù)和1周中期預報數(shù)據(jù)，建立實況預報一體化數(shù)據(jù)序列，然后逐日計算災害指標，根據(jù)災害指標值判定災情的發(fā)生發(fā)展情況。

(3)目前平臺僅對干旱、洪澇、連陰雨、倒春寒、低溫等災害進行廣譜性的監(jiān)控預測，應進一步研究增加針對當?shù)刂饕魑锏霓r(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)控預測功能。此外該平臺用國家氣象站或區(qū)域站為代表站監(jiān)控災情，應進一步研究應用GIS網(wǎng)格化編程技術，提高監(jiān)控預警的地理精細度。

[1] 保小林，陳堅.氣象災害監(jiān)測預警信息系統(tǒng)開發(fā)與應用[J].貴州氣象，2013，37(S1)：88-91.

[2] 李強，何遂，吉莉，等.基于GIS的小區(qū)域氣象災害精細化預警系統(tǒng)[J].氣象科技，2014，42(1)：89-93.

[3] 莫建飛，鐘仕全，陳燕麗，等.廣西主要農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J].自然災害學報，2013，22(2)：150-157.

[4] 韓波，成少麗，丁知明，等.衡陽山洪地質(zhì)災害氣象預警系統(tǒng)的研發(fā)與應用[J].貴州氣象，2015，39(3)：43-47.

[5] 符國槐，費玉娟，楊再強，等.農(nóng)業(yè)氣象災害預警系統(tǒng)研究進展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2011，39(18)：10936-10938，10941.

[6] 鐘榮華，劉電英，張南海.基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的益陽市氣象災害監(jiān)測預報預警系統(tǒng)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38(2)：788-789.

[7] 張樹譽，杜繼穩(wěn)，景毅剛，等.陜西省干旱監(jiān)測預測評估業(yè)務平臺[J].陜西氣象，2009(6)：31-34.

[8] 陳濤，劉蘭芳，胡同安，等.基于surfer的郴州市干旱監(jiān)測預警平臺研究[J].衡陽師范學院學報，2011，32(6)：109-112.

[9] 許昌燊.農(nóng)業(yè)氣象指標大全[M].北京：氣象出版社，2004.

[10] 楊曉光，李茂松，霍治國，等.農(nóng)業(yè)氣象災害及其減災技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.