設施溫室氣象災害監測預警分析

徐立強 康健麗 李寶升 李婧

(赤峰市氣象局，內蒙古 赤峰 024200)

日光溫室技術指的是利用光能資源，在寒冷的季節錯季生產水果、蔬菜。主要的技術原理是在少量加溫或者不加溫的環境下，通過調節光照、溫濕度和水分，為溫室大棚中的蔬菜水果創造有利的氣候條件，以滿足反季節生產的需求。日光溫室技術也是我國獨有的技術，為增加廣大農民的收入，改善農民的生活質量提供了巨大幫助。在全球氣候變暖的大環境下，極端、反常的氣候現象也越來越多，對于日光溫室的發展十分不利。現階段，我國的日光溫室更傾向于硬件方面的投入，如先進的設備，但軟件投入相對不足，科技水平較低，抵御氣象災害的能力較弱。溫室大棚中的蔬菜水果很容易受到低溫寡照、風雪、凍害等氣象災害的影響，損失巨大。筆者嘗試構建溫室氣象災害監測與預警系統，希望能夠彌補溫室大棚技術含量較低、軟件投入不足的弊端。

1 系統的設計思路

溫室氣象災害監測預警系統共包含4部分，分別是數據采集、數據管理、數據分析/產品制作、數據發布，滿足各種用戶的需求，為用戶提供需要的服務。系統框架如圖1所示。

圖1 溫室氣象災害預警監測系統框架圖

1.1 數據采集

小氣候監測子系統，主要為系統提供溫室的小氣候情況，由溫室內部與外部的自動氣象站組成，可實時監測并提供溫濕度、地溫、輻射情況等氣象要素。

1.2 數據管理

基本數據庫服務器的功能是存儲、發布數據；Web服務器則負責提供設施農業氣象信息網，并發布以WebGIS為基礎的日常溫室氣象信息。

1.3 數據分析/產品制作

此部分是該系統的控制終端，擁有數據預處理、災害預警、預報溫室氣象條件、制作手機短信等一系列功能。

1.4 數據發布

根據服務平臺的要求，系統將數據制作成可以通過手機短信和網絡平臺發布的信息，以滿足用戶需求。

2 實現系統功能的關鍵技術

2.1 溫室小氣候遠程監控系統

以無線移動技術(GPRS/CDMA)、互聯網平臺為基礎設計遠程數據采集系統。該系統包含了環境因子測試技術、無線通信技術、現代傳感技術、計算機網絡技術?？煞?大模塊，即服務器端數據接收與存儲模塊、監控現場數據采集與發送模塊、Web數據管理與數據發布模塊。在地理信息系統上可連接遠程監控數據模塊與當地氣象站的數據庫，同時結合農作物的災害指標分析結果，呈現基于GIS的災害預警信息電子地圖。

在終端數據采集與發送模塊上能夠動態采集溫室現場的數據信息，利用GPRS/CDMA無線移動通信網絡連接因特網，將監測到的數據傳送至監控中心的數據庫服務器。監控中心的SQL Server 2000數據庫服務器上所運行的便是服務器端數據接收與存儲模塊，不僅能夠偵聽指定的端口，還能準確識別并接受終端采集發送模塊發出的TCP Socket連接請求，并進行校驗與解析數據串，然后在數據庫表中存儲解析后的數據。基于Web的數據管理模塊的功能是為用戶提供數據應用接口以及相關服務，包括登錄界面、數據檢索、歷史數據查找、分析、下載等。

2.2 基礎地理數據的獲取

系統的地理數據主要由我國基礎地理信息系統中心提供，指的是1∶25萬測繪地理用的地理信息數據集。利用地理信息系統(GIS)，能夠轉換、疊加、拼接、剪裁省內1∶25萬的地理背景數據，最終形成省級地理背景數據層集。行政邊界文件將省外定義為0，省界內填充的是市縣編碼。系統可以調入Arcview SHP格式的省行政區域矢量圖，采用高斯-克呂格投影。

如果系統判斷將會發生低溫寡照災害，就會顯示災害發生的地區與強度，以及省內所有站點均有災害出現的經緯度。如果系統判定會有不同程度的災害發生，根據各個站點的預警等級，利用地理信息技術后，此站點所對應的行政區域就會顯示相應的顏色值；如果沒有氣象災害，則顏色不發生改變，通過這種方式可起到災害預警效果。

2.3 氣象數據與農業數據的獲取

遠程氣象監控系統能夠動態讀取溫室的氣象數據。在局域網上可讀取的數據有省內所有氣象臺站的氣象數據、省氣象臺制作的省內逐日天氣預報數值的預報產品，以及由省農業廳提供當前溫室蔬菜水果的種植面積、種類等相關資料。

2.4 預警指標的確認

試驗結果表明，溫室內蔬菜冠層的氣溫和外界日照的時數密切相關，外界的輻射量對溫室內的熱量條件產生重要影響。每種蔬菜對光照溫度與水分的需求不同，因此要根據蔬菜種類、發育期確定低溫寡照災害的等級。處于開花結果期的蔬菜對日光是十分敏感的，以河北省廣泛種植的黃瓜與番茄為例，確定溫室不同等級的低溫寡照災害指標，如表1所示。

表1 黃瓜與番茄開花結果期不同等級的低溫寡照災害指標

3 溫室氣象服務系統介紹

此系統是一個以ASP技術為基礎的網站，將Microsoft Frontpage作為平臺，使用JavaScript與VBScript腳本來編輯，由SQL Server 2000后臺數據庫提供支持。用戶通過頁面可以訪問數據庫的數據、修改數據、插入數據、刪除數據。數據庫采用Sql Server進行開發、設計，采用VB Script連接和修改，涵蓋了以下模塊。科學技術：這一模塊主要功能是普及大棚內的小氣候特點、使用的農業生產技術、常見病蟲害與氣象、氣象災害標準、生育期的氣象條件、天氣預報指數等。溫度預報：通過小氣候模擬系統對未來24h內溫室大棚的溫濕度變化進行預測。數據監控與圖像監測：顯示實時數據、查詢歷史數據，通過圖像的方式呈現農作物的生長發育狀況。農用天氣預報：與農業生產相關的噴藥、通風、覆蓋等信息。氣象服務：手機短信、決策服務和公眾服務。氣象災害天氣預警：風害、高溫熱害、低溫凍害、雪災等。

3.1 農用氣象預報

通過溫室小氣候遠程監測系統所提供的數據來研究大棚內農作物的生長發育、病蟲害和小氣候之間的關系，分析不同類型大棚的棚內小氣候和大氣候之間的關系，構建溫室小氣候模擬系統，同時聯合天氣預報產品來預測未來24h溫室內的氣象變化，分析對大棚農作物有利、有害的氣象因素，并制訂相應的防范措施。根據病蟲害的發生特點，模擬未來7d內的天氣預報數據，并得出未來7d內溫室氣候與病蟲害危害程度的模擬預報，最終準確掌握病蟲害的發生與發展規律，為病蟲害的防治奠定良好基礎。

3.2 農用天氣預報

立足于農業生產的需求，在農業氣象預報、氣候預測、天氣預測的基礎上，采用農業氣象定量評價技術以及農業氣象指標體系來預測可能會對農業生產活動產生影響的天氣，制訂有效的防范措施，為農業生產提供針對性的氣象服務，如揭簾蓋簾、噴灑農藥、開啟或關閉通風口等。

3.2.1 噴藥農用天氣預報

溫室大棚內的空氣濕度普遍較高，為病蟲害的發生創造了有利條件。提前噴灑農藥可起到預防病蟲害的效果，噴藥的最佳時機是天氣晴朗、陽光充足的下午，可提高農藥的吸收率。噴藥的基本要求是下午蓋簾之前農藥能干，如果未干，隨著夜間大棚內的濕度不斷提高，農藥會逐漸流失，不僅浪費成本，而且還影響噴藥效果。噴藥農用天氣預報有3個等級。適宜：光照充足、天氣晴朗，可最大程度發揮藥效。較適宜：光照較弱，多云，但農藥可以在蓋簾前干燥，基本可以發揮藥效。不適宜：陰、雨、雪天氣，同時沒有打開通風口，大棚內的濕度較高，不可噴藥。

3.2.2 灌溉農用天氣預報

在溫室大棚內，灌溉是一種非常常見的農事活動，灌溉次數最多的時間是蔬菜的定植階段。冬天為了保持地溫，不適合頻繁灌溉，通常每30d灌溉2次。應根據氣象條件來選擇灌溉時機，灌溉在增加墑情的同時，也會降低地溫，提高大棚內的空氣濕度，因此陰雨天不適合灌溉。最佳的灌溉時機是連續多日的晴朗天氣，灌溉后大棚內的地溫可以迅速回升。灌溉農用天氣預報同樣分為3個等級。適宜：連續多天晴朗。較適宜：多云，灌溉后地溫緩慢回升。不適宜：寒潮、陰天、雨雪天。

3.2.3 覆蓋農用天氣預報

冬天，溫室大棚每天都要揭蓋草簾，還要根據溫濕度和天氣變化來增減草簾，以滿足農作物生長所需。從2020年10月定植，到2021年6月結束生產，農作物經歷了顯著的溫度變化，高溫—低溫—高溫。夜間最低溫度甚至可達到-25℃～-20℃，而且還會遭受寒潮、暴雨、暴雪、大風等惡劣氣候。通過覆蓋來調節夜間的大棚溫度，保證棚內溫度可以滿足農作物的需求。外界環境的變數較多，所以應靈活選擇覆蓋方式。覆蓋農用天氣預報指數如表2所示。

表2 覆蓋農用天氣預報指數

3.2.4 通風農用天氣預報

通風指的是在大棚內溫度能夠滿足農作物生長需求的情況下，為了避免高溫熱害所采取的一種手段，同時還能降低大棚濕度。通風農用天氣預報指數如表3所示。

表3 通風農用天氣預報指數

3.2.5 災害天氣預警

參考預報信息和氣象災害指標對災害的預警等級、危害程度進行判斷，然后通過災害影像庫與防御措施庫公布預警信號、防范措施。如表4所示。

表4 氣象災害的指標、影響程度、防范措施

4 結束語

綜上所述，隨著日光溫室分布不斷擴大、在農業中所占份額不斷提高，對氣象災害監測預警服務的需求更加迫切。信息網絡技術的發展，極大地豐富了氣象服務的方式，傳統的電話傳真服務逐漸轉向電子郵件、APP、微博、微信公眾號等信息化形式。氣象災害監測與預警系統的應用，增強了溫室大棚抵御氣象災害的能力，對于促進我國農業發展具有重要作用。如何進一步增加基于無線遠程監控站點，逐步形成針對日光溫室環境的監測網絡，并將基于定點的觀測數據、氣象部門的背景數據與地理信息系統更好地融合，進一步細化氣象災害的指標系統，使之能在更多種類作物上推廣應用，則是今后的重要研究任務。