寧夏農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象站組成與應(yīng)用

劉曉磊，張婷婷，宮 軍，薛箏箏，石菊紅，孫嘉楠

(1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750002；2.寧夏大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，銀川 750002)

0 引言

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)、人口大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全直接關(guān)系到社會(huì)的穩(wěn)定和國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)業(yè)也是受氣候變化影響最敏感的領(lǐng)域之一，災(zāi)害性天氣直接影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。中國(guó)是世界上氣象災(zāi)害種類多、活動(dòng)頻繁、危害嚴(yán)重的國(guó)家之一。在所有自然災(zāi)害中，氣象災(zāi)害占70%以上，其中60%為農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。近10 a，氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展對(duì)新科技、新技術(shù)的依賴越來越強(qiáng)烈，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的信息需求，必須開展具有針對(duì)性的特色農(nóng)業(yè)服務(wù)才能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)多元化發(fā)展的需求。文章將介紹有關(guān)農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)自動(dòng)氣象站在寧夏的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。

1 農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)的意義

寧夏是中國(guó)5大平原灌區(qū)之一，也是國(guó)家13個(gè)商品糧生產(chǎn)基地之一。農(nóng)業(yè)是寧夏傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，農(nóng)產(chǎn)品主要有：水稻、小麥、玉米、馬鈴薯、枸杞、葡萄和紅棗等。在農(nóng)業(yè)氣候方面，寧夏地處西北內(nèi)陸，北部和中部以干旱剝蝕、風(fēng)蝕地貌為主，南部以流水侵蝕的黃土地貌為主，境內(nèi)地形南高北低，而氣溫則呈南低北高、南寒北暖的“倒掛”現(xiàn)象。受地貌復(fù)雜性和氣候特殊性等多重因素的影響，寧夏地區(qū)的氣候變化對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)更為敏感，因此，寧夏農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受氣候變化的影響也更加顯著[1，2]。

隨著近年氣候環(huán)境的不斷變化，對(duì)農(nóng)業(yè)影響嚴(yán)重的大風(fēng)、寒潮、冰凍等災(zāi)害性天氣發(fā)生頻率不斷上升，每年都會(huì)給農(nóng)業(yè)帶來不小的損失。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)重點(diǎn)在于氣象預(yù)報(bào)、墑情分析和作物發(fā)育等方面，而對(duì)災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)預(yù)警和實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)方面則關(guān)注較少。因此推廣建設(shè)富有特色、因地制宜的農(nóng)業(yè)設(shè)施自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將有效提高觀測(cè)資料獲取水平，并以此為基礎(chǔ)開展氣象預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)、開發(fā)設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)等工作。

2 農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以數(shù)據(jù)自動(dòng)采集為基礎(chǔ)，在供電、通信等輔助設(shè)施的配合下，完成觀測(cè)資料的采集，并對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成完整的數(shù)據(jù)報(bào)告和服務(wù)產(chǎn)品。農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以傳感器和采集器為核心。目前針對(duì)不同農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的需求，已經(jīng)有大量的自動(dòng)化采集器和傳感器可以選用。

2.1 常規(guī)氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)

目前溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、氣壓等氣象要素自動(dòng)化觀測(cè)作為基礎(chǔ)觀測(cè)項(xiàng)目已得到廣泛應(yīng)用，并在自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中全部得到監(jiān)測(cè)。這些要素的自動(dòng)化觀測(cè)具有觀測(cè)范圍廣、分辨力高、準(zhǔn)確度高和造價(jià)低等特點(diǎn)。在使用中，各類傳感器安裝簡(jiǎn)單，安裝位置可以任意選擇。同時(shí)自動(dòng)氣象站采集器也已支持多路信號(hào)傳輸，因此在同一區(qū)域可安裝多個(gè)相同的氣象要素傳感器，不但能夠充分了解各觀測(cè)點(diǎn)實(shí)況資料與變化規(guī)律，也可以互相比較觀測(cè)數(shù)據(jù)，為不同作物的生長(zhǎng)發(fā)育提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 特種氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)

1)土壤水分觀測(cè)

土壤水分是重要的農(nóng)業(yè)氣象要素之一，能夠反映土壤的濕潤(rùn)狀況，是農(nóng)業(yè)氣象、生態(tài)環(huán)境以及水文監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)性工作，也是農(nóng)田干旱、情報(bào)預(yù)報(bào)的重要依據(jù)。

目前寧夏開展土壤水分監(jiān)測(cè)主要使用的是華云公司研制的DZN3型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀，它采用土壤水分頻域反射(FDR)測(cè)量技術(shù)，能夠準(zhǔn)確及時(shí)地測(cè)量土壤含水量，完成土壤水分貯存量信息的采集、處理、存儲(chǔ)及傳輸。其最大優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)，能夠同時(shí)開展不同深度的土壤水分監(jiān)測(cè)工作[3，4]。

在部分監(jiān)測(cè)站點(diǎn)還使用了SWR-3型土壤水分傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小巧輕便、價(jià)格低廉，既可用于土壤水分點(diǎn)源信息的移動(dòng)測(cè)量，也可埋入土壤中對(duì)土壤水分進(jìn)行定點(diǎn)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

2)葉面溫度傳感器

葉面溫度傳感器為遙感式測(cè)量，采用紅外探測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，安裝時(shí)可任意選擇監(jiān)測(cè)區(qū)域，檢測(cè)準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，但安裝較為復(fù)雜，需仔細(xì)調(diào)整紅外線角度并完成自我修正系數(shù)的測(cè)試，以此來保證觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性。

3)二氧化碳儀

CO2等溫室氣體的增加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，特別對(duì)于設(shè)施農(nóng)業(yè)的影響都是非常復(fù)雜的。CO2增加雖然有利于綠色植物的光合作用，但作為溫室氣體，CO2的增加對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫度變化的影響也更加明顯。因此對(duì)CO2濃度的準(zhǔn)確檢測(cè)，不但可以實(shí)時(shí)了解其濃度變化，而且可以與自動(dòng)控制系統(tǒng)相連接，及時(shí)調(diào)整設(shè)施農(nóng)業(yè)通風(fēng)、揭蓋草簾等工作。

目前寧夏部分站點(diǎn)選用的是維薩拉GMM220系列的CO2監(jiān)測(cè)儀，其最大優(yōu)點(diǎn)是可在惡劣的環(huán)境下工作，并在廣泛的溫度和相對(duì)濕度范圍內(nèi)提供精確的CO2監(jiān)測(cè)，但缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，不適宜大面積布設(shè)。

4)實(shí)景觀測(cè)系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)小氣候?qū)嵕坝^測(cè)系統(tǒng)通過專業(yè)視頻采集設(shè)備獲得實(shí)景資料，再通過后臺(tái)對(duì)比等算法輸出服務(wù)產(chǎn)品。目前實(shí)景觀測(cè)分為作物特征和實(shí)景視頻兩類。其中，作物特征包括作物發(fā)育期、蓋度、密度、冠層高度、生長(zhǎng)狀況評(píng)定、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)質(zhì)量。實(shí)景視頻包括作物、農(nóng)田、觀測(cè)設(shè)備及農(nóng)事活動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)視頻。在應(yīng)用中最大難點(diǎn)在于觀測(cè)期的觀測(cè)資料儲(chǔ)備。目前可以通過2個(gè)作物觀測(cè)期，實(shí)現(xiàn)玉米、小麥、水稻、牧草生長(zhǎng)發(fā)育要素自動(dòng)識(shí)別采集功能；通過3～4個(gè)作物觀測(cè)期，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯、紅棗、枸杞、葡萄、硒砂瓜等生長(zhǎng)發(fā)育要素自動(dòng)識(shí)別采集功能。生長(zhǎng)發(fā)育要素主要包括作物生育期、覆蓋度、密度、高度、生長(zhǎng)狀況、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)質(zhì)量等。

3 農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在寧夏的發(fā)展

自2011年起，寧夏隨著中國(guó)氣象局“三農(nóng)項(xiàng)目”的不斷推進(jìn)和各市縣對(duì)特色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷投入，農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站在全區(qū)范圍內(nèi)逐步發(fā)展起來。特別是2018年自治區(qū)政府投資建設(shè)的“兩個(gè)體系”項(xiàng)目，更是一次性在全區(qū)特色農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)建設(shè)了111套農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站，極大地豐富了監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)量、監(jiān)測(cè)要素種類和監(jiān)測(cè)資料內(nèi)容。

目前寧夏已建成由農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)與農(nóng)村氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)、農(nóng)村氣象災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)及信息發(fā)布系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)農(nóng)村氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)共同構(gòu)成的寧夏農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系和農(nóng)村氣象災(zāi)害防御體系，能夠?yàn)樾滦娃r(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體和農(nóng)民提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程、多時(shí)效、定量化的農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)分析、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)和影響評(píng)估服務(wù)，有效提升了寧夏農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)和農(nóng)村氣象災(zāi)害防御水平。

4 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)資料的收集是做好農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)、減輕農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的基礎(chǔ)工作。隨著氣象現(xiàn)代化工作的不斷推進(jìn)，全自動(dòng)化的農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)站是氣象觀測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，也是獲得資料最直接、最高效的方法，具有較高的推廣價(jià)值。