懷化市農業氣象災害監控預測平臺的設計與實現

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、低溫冷害等農業氣象災害頻發，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，其發生往往不易及時察覺，是農業氣象災害監控預警及防控的難點。懷化為經濟欠發達地區，農村經濟基礎差，農業基礎設施薄弱，農業生產技術落后，抗災能力較差，農業氣象災害常常給懷化農業造成巨大損失。政府決策和農戶生產都需要針對性、時效性強的精細化農業氣象災害監控預測服務，以便及時了解農業氣象災害的發生發展情況，適時采取避災減災措施。隨著氣象業務的發展，各地建立了大量氣象災害監測平臺，但大多只有實時監控功能，并不具備預測能力，且災害預報種類也比較單一[1-8]。因此，從當前業務工作實際出發，借鑒他人成果，基于懷化當地國家氣象站及鄉鎮區域站的歷史、實時氣象資料和中期天氣預報，設計出一套程序，搭建了當地主要農業氣象災害的自動監控預測平臺，以提高該地區的農業氣象災害服務能力。

1 系統設計

1.1基本思路懷化市農業氣象災害監測平臺以當地氣象資料為核心，首先建立氣象臺站地理信息、歷史地面氣象資料、農業氣象災害指標、天氣預報資料等數據庫。在數據庫的基礎上建立農業氣象災害監控預測的推理程序，逐日推算出氣象災害指標值，實現農業氣象災害的實時監控和未來一周預測。平臺主要目標包括：①建立農業氣象災害監控預警的專業數據庫，主要有地面氣象資料表、逐時逐日自動土壤水分數據表、預報資料表、各種農業氣象災害指標表、氣象臺站地理信息表等。②開發氣象監測預報資料自動收集和數據管理程序，實現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，為農業氣象災害指標優化，農業氣象災害監預測模型建立，農業氣象災害研究分析提供數據分析支持。④開發干旱、洪澇、連陰雨、5月低溫、倒春寒、高溫熱害、寒露風等當地主要農業氣象災害的監控預測程序，以圖形或表格輸出產品。

1.2數據庫結構以Access為數據庫系統平臺，利用關系數據庫理論，建立農業氣象災害數據庫，主要包含地面氣象資料表，逐時、逐日自動土壤水分數據表，氣象臺站、自動土壤水分站地理信息表，預報資料表，各類災害等級參數表等。

地面氣象資料表包括區站號、日期、氣溫、相對濕度、風、氣壓、降水、地溫等信息，用于收集當地國家站、區域站氣象資料；自動土壤水分數據表包括水分站區站號、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，用于收集當地自動土壤水分站、人工土壤水分資料；預報資料表包括臺站區站號、日期、最低氣溫、最高氣溫、風速、風向、模擬雨量等，用于收集1周城鄉氣象預報產品；氣象臺站地理信息表包括國家和區域氣象臺站的名稱、區站號、緯度、經度、行政區域等地理信息；農業氣象災害等級參數表主要包括各災害等級的上下限值。

1.3農業氣象災害監測指標根據前人研究成果和相關業務規定[9-10]，利用多種指標實現農業氣象災害的集合監控預測，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、標準化降水指數、相對濕潤指數、綜合氣象干旱指數等，在實際應用中發現，不同指標對不同季節、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種指標集合監控預測，以提高干旱監控預測的準確率。

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

1.3.3連陰雨指標。懷化連陰雨主要發生在冬春季，指標為日降水量≥0.1 mm連續7 d或以上，且過程日平均日照時數≤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，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生在7—8月，主要影響當地一季稻抽穗揚花，指標為日最高氣溫≥35 ℃連續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3 d或以上。

1.4系統功能結構采用Visual Basic語言進行模塊化編程搭建農業氣象災害監控預測平臺，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控預測模型，實現地面氣象數據和自動土壤水分站數據的實時下載、入庫、查詢、分析，并以表格、圖形格式輸出監控預測及氣象數據分析產品，系統功能結構見圖1。

圖1 系統功能結構Fig.1 System functional structure

2 主要模塊功能

懷化市農業氣象災害監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，氣象災害監控預測模塊，自動土壤水分站數據查詢分析模塊，地面氣象數據查詢分析模塊，系統參數管理模塊等功能模塊組成，主界面見圖2。根據當前氣象業務特點和實際出發實現各項功能，主要模塊功能介紹如下。

圖2 懷化市農業氣象災害監控預測平臺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、區域自動站、土壤水分站、中期城鎮預報產品、中期數值預報產品等氣象資料。

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據文件到本地并自動導入數據庫。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，整理生成逐日數據文件，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據。

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及降水天氣現象日數據文件并自動入庫。手動氣象資料下載程序主要實現完整或非完整月報表文件(A文件)導入，逐時數據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據。

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天氣預報文件，并對天氣現象進行降水定量模擬形成定量降水數據，或者自動下載導入精細化數值預報產品，并整理生成實時預報一體化數據序列。

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

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

2.4農業氣象災害監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、寒露風及綜合監控預測共8個災害監控預測子模塊。進入平臺后，系統自動運算綜合監控預測模塊，分析各類農業氣象災害的實時監測及預測結果。根據運行結果，可進入到各農業氣象災害監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控預測。分析結果可通過Excel導出表格，也可通過Surfer輸出圖形產品。

3 小結

(1)平臺以關系數據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務特點和實際出發，建立了該地區農業氣象災害監控預測一體化平臺，提供了靈活、易操作的可視化人機交互界面，幫助實現了利用多指標集合連續監控預測當地主要氣象災害的發生發展。系統提供了先進的、成熟的技術方法和業務平臺，便于業務人員操作應用，有效地提高了懷化農業氣象災害監測預警業務能力，已在為減少農業氣象災害損失的服務中取得較好的社會和經濟效益。

(2)平臺提供了一種解決連續監控預警延遲性農業氣象災害的方法：首先收集一定長度的連續實況數據和1周中期預報數據，建立實況預報一體化數據序列，然后逐日計算災害指標，根據災害指標值判定災情的發生發展情況。

(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控預測，應進一步研究增加針對當地主要作物的農業氣象災害監控預測功能。此外該平臺用國家氣象站或區域站為代表站監控災情，應進一步研究應用GIS網格化編程技術，提高監控預警的地理精細度。

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