新疆棉花氣象服務(wù)平臺功能設(shè)計(jì)與服務(wù)應(yīng)用

孔子銘， 胡啟瑞， 張山清， 火勛國， 吉春容,3

（1.新疆金鋒華云氣象科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830002； 2.新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心，新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002； 3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

新疆維吾爾自治區(qū)（簡稱新疆）屬大陸性氣候，具有晴天多、日照強(qiáng)、少雨干燥、冬寒夏熱及晝夜溫差大等特點(diǎn)。新疆是我國最大的優(yōu)質(zhì)棉主產(chǎn)區(qū)，多年來棉花種植面積、產(chǎn)量居全國首位。大量研究表明，氣象條件對棉花生產(chǎn)存在重大影響[1-5]。氣象條件研究方面的數(shù)據(jù)支撐顯得尤為重要[6-7]。建設(shè)基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和地理信息技術(shù)的新疆棉花氣象數(shù)據(jù)服務(wù)平臺（以下簡稱棉花服務(wù)平臺），實(shí)現(xiàn)新疆棉花相關(guān)氣象數(shù)據(jù)的集中存儲、統(tǒng)計(jì)分析、實(shí)景應(yīng)用及成果展示，為相關(guān)農(nóng)口單位及農(nóng)戶提供決策建議服務(wù)，有助于新疆棉花產(chǎn)業(yè)數(shù)字化水平的提升，推動棉花氣象為農(nóng)服務(wù)高質(zhì)量發(fā)展。

1 建設(shè)目標(biāo)及架構(gòu)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

棉花服務(wù)平臺綜合考慮棉農(nóng)的實(shí)際需求及氣象相關(guān)科研部門的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)成果，展示新疆棉花與氣象相關(guān)的多方面數(shù)據(jù)。具體建設(shè)目標(biāo)包括：①氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，提供基于位置的實(shí)時數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)預(yù)警數(shù)據(jù)；②歷史統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)過去30 年歷史氣象數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計(jì)；③技術(shù)服務(wù)，提供棉花關(guān)鍵生育期預(yù)報(bào)、適應(yīng)性種植區(qū)域劃分、棉花生長適宜度評價等。

1.2 總體架構(gòu)

棉花服務(wù)平臺整合了多種功能的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了棉花動態(tài)生長與相關(guān)氣象數(shù)據(jù)的存儲與應(yīng)用，兼顧信息資源整合、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)分析等功能。具有良好的兼容性、迭代性與高效性。總體架構(gòu)由硬件支撐層、數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)資源層、資源應(yīng)用層和用戶層構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 新疆棉花氣象數(shù)據(jù)管理平臺總體構(gòu)架Fig.1 Overall architecture of Xinjiang cotton meteorological data management platform

（1）硬件支撐層。包括網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)器設(shè)備等。

（2）數(shù)據(jù)資源層。包括新疆各地區(qū)國家級氣象站實(shí)況數(shù)據(jù)、5 km×5 km 網(wǎng)格24 h、3 d 和10 d 預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、預(yù)警信號數(shù)據(jù)、30 年歷史氣候數(shù)據(jù)及棉花氣象服務(wù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)等。

（3）服務(wù)資源層。以數(shù)據(jù)資源為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)資源的注冊管理、服務(wù)接口、服務(wù)安全調(diào)用等功能。

（4）資源應(yīng)用層。包括WEB 端應(yīng)用和移動端應(yīng)用，具有綜合展示、查詢、統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)報(bào)決策等功能。

（5）用戶層。包括新疆氣象局、新疆農(nóng)業(yè)氣象臺等相關(guān)單位，以及全疆各地區(qū)棉花行業(yè)的種植戶、技術(shù)人員、企業(yè)等。

1.3 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

數(shù)據(jù)是服務(wù)平臺的核心要素，棉花服務(wù)平臺建設(shè)了以下9 類數(shù)據(jù)庫。①新疆國家級氣象站點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)庫，包括各站點(diǎn)的名稱、站號、坐標(biāo)、溫度、降水、濕度、氣壓、風(fēng)向和風(fēng)速等實(shí)時數(shù)據(jù)。②新疆區(qū)域氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫，包括精度為5 km×5 km 的溫度、降水、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等實(shí)況數(shù)據(jù)，以及未來24 h、3 d 和10 d 的高低溫、降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。③氣象預(yù)警數(shù)據(jù)庫，包括新疆各區(qū)域?qū)崟r氣象預(yù)警數(shù)據(jù)。④歷史氣象數(shù)據(jù)庫，包括新疆過去30 年整編日、旬、月和年的平均溫度、降水等數(shù)據(jù)。⑤農(nóng)田小氣候站點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，包括新疆不同區(qū)域農(nóng)田小氣候站點(diǎn)的土壤濕度、溫度數(shù)據(jù)、棉田實(shí)景圖片數(shù)據(jù)。⑥服務(wù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，主要包括新疆農(nóng)業(yè)氣象臺發(fā)布的各類棉花氣象服務(wù)產(chǎn)品。⑦積溫?cái)?shù)據(jù)庫，包括新疆各地過去30 年積溫、該年積溫及上年積溫?cái)?shù)據(jù)。⑧棉花氣候適宜度評價數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫基于網(wǎng)格氣象數(shù)據(jù)及棉花適宜生長氣象指標(biāo)建立。⑨棉花氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)及棉花生長氣象災(zāi)害指標(biāo)建立。

2 核心功能

為保證數(shù)據(jù)的實(shí)用、準(zhǔn)確、科學(xué)，棉花服務(wù)平臺建設(shè)了監(jiān)測預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警、氣候圖表、棉田技術(shù)服務(wù)和我的棉田5 大核心功能。

2.1 監(jiān)測預(yù)報(bào)

監(jiān)測預(yù)報(bào)功能包含站點(diǎn)實(shí)況、預(yù)警信號、格點(diǎn)預(yù)報(bào)、棉田實(shí)景和土壤水分5 項(xiàng)子功能。①站點(diǎn)實(shí)況。以高德地圖為底圖，將新疆區(qū)域內(nèi)66 個國家級氣象站標(biāo)記于地圖上，點(diǎn)擊各站點(diǎn)可展示該時次站點(diǎn)溫度、濕度、降水、能見度和風(fēng)向風(fēng)速要素?cái)?shù)據(jù)。②預(yù)警信號。在地圖中以預(yù)警圖標(biāo)標(biāo)記當(dāng)前時間各地區(qū)已發(fā)布的預(yù)警情況，預(yù)警數(shù)據(jù)來源于新疆各縣級氣象局。③格點(diǎn)預(yù)報(bào)。點(diǎn)擊新疆區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)，可獲取當(dāng)前坐標(biāo)內(nèi)5 km×5 km 范圍當(dāng)前時次未來24 h 逐小時、未來3 d 的溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速和能見度要素的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，以及未來10 d 每天的最高溫、最低溫和平均降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。④棉田實(shí)景。展示新疆區(qū)域各農(nóng)田小氣候站逐小時實(shí)景圖片，以及田間小氣候要素?cái)?shù)據(jù)。⑤土壤水分。在新疆地圖中標(biāo)記各農(nóng)田小氣候站點(diǎn)，根據(jù)時次、土壤含水量及土壤相對濕度，進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢。

2.2 災(zāi)害預(yù)警

災(zāi)害預(yù)警功能包含預(yù)警評估及災(zāi)害預(yù)報(bào)兩項(xiàng)子功能。①預(yù)警評估，展示由新疆農(nóng)業(yè)氣象臺權(quán)威發(fā)布的未來一周棉花氣象災(zāi)害預(yù)警評估內(nèi)容。②災(zāi)害預(yù)報(bào)，全疆氣象格點(diǎn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)結(jié)合棉花氣象災(zāi)害指標(biāo)，以色斑圖形式疊加于地圖圖層之上，可以直觀顯示新疆棉花氣象災(zāi)害區(qū)域。

2.3 氣候圖表

氣候圖表功能數(shù)據(jù)取自1991—2020 年30 年整編氣象數(shù)據(jù)，涵蓋了日、旬、月和年的平均氣溫、降水、日照時長數(shù)據(jù)，以及每年的無霜期和積溫?cái)?shù)據(jù)。其中積溫?cái)?shù)據(jù)包含了有效積溫和活動積溫。該功能以圖表的形式直觀展示了歷史氣象數(shù)據(jù)變化，為氣候分析、統(tǒng)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

2.4 棉田技術(shù)服務(wù)

棉田技術(shù)服務(wù)功能為用戶展示各類棉花氣象服務(wù)產(chǎn)品，如棉花關(guān)鍵發(fā)育期預(yù)報(bào)、棉花生長氣象條件評價、種植實(shí)用技術(shù)等。此外，棉花生長評價結(jié)合了格點(diǎn)預(yù)報(bào)與棉花生長適宜度指標(biāo)，以色斑圖形式疊加于地圖圖層之上展示，用戶可直觀了解新疆棉花生長適宜度區(qū)域劃分。

2.5 我的棉田

我的棉田功能為移動端獨(dú)有功能，基于手機(jī)GPS定位系統(tǒng)，為用戶匹配當(dāng)前定位地點(diǎn)的棉田氣象實(shí)況、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、氣象災(zāi)害預(yù)警及生長適宜度等級信息。此外，用戶可根據(jù)棉田經(jīng)緯度錄入棉田基本信息，以匹配以上氣象數(shù)據(jù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

近年來，中國氣象局在新疆投入了大量的大氣探測設(shè)備，先后建立了國家一級天氣觀測自動站、區(qū)域自動站、農(nóng)田實(shí)景觀測站數(shù)百個。這些氣象站全天候地觀測天氣的變化，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鳉庀笳?，?jīng)過氣象工作人員的核驗(yàn)校準(zhǔn)，上報(bào)自治區(qū)信息中心匯總、入庫。這些數(shù)據(jù)不僅對氣象業(yè)務(wù)部門提高災(zāi)害性天氣的監(jiān)測能力有極大幫助，而且對各領(lǐng)域升級氣象服務(wù)水平有極其重大的意義[8-11]。

3.2 大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)

棉花服務(wù)平臺依靠的數(shù)據(jù)平臺為“天擎”系統(tǒng)?！疤烨妗毕到y(tǒng)是中國氣象局在全國氣象系統(tǒng)推行的氣象大數(shù)據(jù)云平臺，是以“云＋端”為設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)的“數(shù)算一體”的平臺，改變了過去煙囪式的應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)方式，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)均在“天擎”系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一集約化管理，算力靠近數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不再冗余存儲。“天擎”系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為中心支撐各應(yīng)用系統(tǒng)圍繞數(shù)據(jù)結(jié)合算法和算力進(jìn)行集約化運(yùn)行，提升業(yè)務(wù)流程運(yùn)行效率并節(jié)約系統(tǒng)資源?！疤烨妗毕到y(tǒng)通過以下關(guān)鍵技術(shù)滿足發(fā)生變化的業(yè)務(wù)需求：一是采用分布式集群運(yùn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)可擴(kuò)展；二是策略驅(qū)動設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性；三是實(shí)現(xiàn)多協(xié)議數(shù)據(jù)歸檔、敏感數(shù)據(jù)歸檔、轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)歸檔的功能，滿足多場景數(shù)據(jù)歸檔需求；四是提供豐富的數(shù)據(jù)回取服務(wù)接口，提升回取數(shù)據(jù)服務(wù)便捷性；五是歸檔數(shù)據(jù)全流程追溯和歸檔業(yè)務(wù)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)，保證數(shù)據(jù)歸檔的完整性和正確性；六是規(guī)范化的磁帶管理，實(shí)現(xiàn)歸檔的磁帶服務(wù)。

3.3 氣象數(shù)據(jù)格點(diǎn)化技術(shù)

新疆地域遼闊，各地氣候差異巨大，為了得到精細(xì)化的氣象要素空間分布情況，借助地理信息系統(tǒng)在全疆范圍進(jìn)行網(wǎng)格化，處理設(shè)置大小為 5 km×5 km 的正方形網(wǎng)格點(diǎn)，每個氣象監(jiān)測站都落在某個網(wǎng)格內(nèi)。此外，建立氣象要素與地理因子（海拔、 經(jīng)度、緯度）三維二次模型，進(jìn)行氣象要素的細(xì)網(wǎng)格推算，每個網(wǎng)格的氣象要素模擬值由相鄰的幾個監(jiān)測站的監(jiān)測值計(jì)算出來，通過插值算法，全疆范圍內(nèi)每個網(wǎng)格點(diǎn)都擁有一組氣象數(shù)據(jù)，從而獲得全疆氣候資源精細(xì)化空間分布。

3.4 災(zāi)害與生長適宜區(qū)域劃分

基于網(wǎng)格點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)、棉花災(zāi)害與生長適宜氣象指標(biāo)，借助地理信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析和應(yīng)用有重要意義。通過分析棉花對氣象條件的生長需求及災(zāi)害條件，結(jié)合氣溫、積溫、無霜期、高溫和低溫等數(shù)據(jù)，將新疆棉花種植區(qū)域分為適宜、次適宜和不適宜3 個等級。根據(jù)災(zāi)害程度將新疆棉花種植區(qū)分為重度、中度、輕度和無災(zāi)害4 個等級。以數(shù)據(jù)指標(biāo)為依據(jù)，借助全疆氣象網(wǎng)格化模型，計(jì)算出各網(wǎng)格棉花適宜區(qū)域和災(zāi)害等級，并將每種等級對應(yīng)一種色標(biāo)，疊加渲染在地圖上，得到新疆每時次棉花災(zāi)害與生長適宜區(qū)域劃分圖?；谠摴δ?，棉花行業(yè)管理者和技術(shù)人員可在各區(qū)域進(jìn)行棉花相應(yīng)的擴(kuò)種或減種，合理調(diào)整種植比例，科學(xué)指導(dǎo)當(dāng)?shù)孛藁ㄉa(chǎn)。

4 服務(wù)應(yīng)用與實(shí)踐

4.1 北疆棉區(qū)霜凍災(zāi)害情況分析

利用格點(diǎn)化技術(shù)結(jié)合棉花霜凍指標(biāo)，分析了北疆棉區(qū)霜凍發(fā)生情況，結(jié)果如表1 所示。近30 年北疆棉區(qū)終霜凍共發(fā)生330 次，其中輕霜149 次、中霜98 次、重霜83 次。從年均發(fā)生次數(shù)看，輕霜，博州棉區(qū)發(fā)生最多，為0.60 次/年；塔城棉區(qū)次之，為0.50 次/年，石河子棉區(qū)最少，為0.34 次/年；中霜，石河子棉區(qū)最多，為0.35 次/年；重霜，石河子棉區(qū)最多，為0.31 次/年，博州棉區(qū)最少，0.15 次/年。北疆棉區(qū)春季霜凍災(zāi)害主要分布在天山北坡，特別是塔城地區(qū)南部、石河子地區(qū)東部及南部，昌吉州南部、博州東部屬于高等級終霜凍災(zāi)害區(qū)域。塔城地區(qū)中部、石河子地區(qū)中部，昌吉州地區(qū)北部，博州地區(qū)中部均屬較高等級危險，其他地區(qū)屬于較低等級或低等級。

表1 北疆棉區(qū)春季霜凍年均發(fā)生次數(shù)Tab.1 Annual average frequency of spring frost in cotton region of northern Xinjiang

4.2 北疆棉區(qū)大風(fēng)災(zāi)害情況分析

利用格點(diǎn)化技術(shù)結(jié)合棉花大風(fēng)指標(biāo)，分析了北疆棉區(qū)大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生情況，結(jié)果如圖2 所示。北疆棉花各站點(diǎn)中，大風(fēng)發(fā)生天數(shù)較高的是精河縣和呼圖壁縣，近30 年精河縣平均發(fā)生14 d，呼圖壁縣平均8 d，其余站點(diǎn)為1～7 d。石河子棉區(qū)大風(fēng)日數(shù)年平均2～4 d，除沙灣市烏蘭烏蘇鎮(zhèn)大風(fēng)日數(shù)呈減少趨勢外，其他均呈不同程度增加趨勢，大風(fēng)日數(shù)的峰值出現(xiàn)在2012 年，沙灣市炮臺鎮(zhèn)5 d、莫索灣墾區(qū)20 d、石河子市4 d，大風(fēng)日數(shù)發(fā)生較高的是莫索灣墾區(qū)，其次是烏蘭烏蘇鎮(zhèn)、石河子市、炮臺鎮(zhèn)。昌吉州棉區(qū)除瑪納斯縣外，其他地方均呈不同程度增加趨勢，近30 年瑪納斯縣平均3 d、昌吉市平均7 d、呼圖壁縣平均8 d，大風(fēng)發(fā)生較高的是呼圖壁縣，其次是昌吉市、瑪納斯縣。博州棉區(qū)近30 年均呈減少趨勢，博樂市平均2 d，精河縣平均14 d。從空間看，北疆西北部是大風(fēng)強(qiáng)度的高值區(qū)，主要集中在博州棉區(qū)、塔城南部棉區(qū)、昌吉州西部棉區(qū)。

圖2 石河子、昌吉州、博州、塔城棉區(qū)大風(fēng)日變化趨勢Fig.2 Daily variation trend of strong winds in cotton areas of Shihezi，Changji，Bozhou and Tacheng

5 結(jié)束語

棉花服務(wù)平臺整合了多種功能的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，建設(shè)了集氣象實(shí)況、預(yù)報(bào)、預(yù)警、氣候數(shù)據(jù)、災(zāi)害及適應(yīng)區(qū)劃等為一體的全方位多角度棉花氣象數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了棉花動態(tài)生長與相關(guān)氣象數(shù)據(jù)的存儲與應(yīng)用，兼顧信息資源整合、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)分析等功能。具有良好的兼容性、迭代性與高效性。服務(wù)平臺打破了傳統(tǒng)的氣象為農(nóng)服務(wù)模式，將用戶需求與氣象信息無縫隙匹配，實(shí)現(xiàn)面向農(nóng)戶“一對一”的智慧氣象服務(wù)，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精細(xì)化服務(wù)需求，有效提升氣象為農(nóng)服務(wù)的智慧化水平。未來仍需對平臺繼續(xù)改進(jìn)優(yōu)化，進(jìn)一步挖掘用戶需求，打造更加精準(zhǔn)、實(shí)用的棉花氣象服務(wù)平臺。