鄂西山區(qū)煙草氣象觀測站網(wǎng)設計

陳 城，孫 杰，劉 軍，梅東海

(1.湖北省公眾氣象服務中心，湖北 武漢 430074；2.湖北氣象信息與技術(shù)保障中心，湖北 武漢 430074；3.湖北省氣象服務中心，湖北 武漢 430074；4.湖北省煙草公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

湖北省的煙葉生產(chǎn)在我國占有重要的地位，也是我國煙葉生產(chǎn)品種、類型最齊全的省份之一。氣象條件和土壤條件是影響煙葉生長最明顯的兩大因素。此前已有諸多學者研究過氣象條件對煙葉移栽、生長的影響，發(fā)現(xiàn)平均氣溫、晝夜溫差、降水量、光照強度、日照時數(shù)等都會對煙葉品質(zhì)產(chǎn)生較大影響[1-6]，而冰雹、大風、暴雨等災害性天氣[7-8]會對煙葉造成毀滅性傷害。湖北省煙葉產(chǎn)區(qū)主要分布在西部山區(qū)4個市州的二高山(800～1200 m)和高山地區(qū)(1200 m以上)，地形地貌及氣候復雜，易發(fā)生冰雹、大風、暴雨洪澇、連陰雨、低溫寡照、高溫干旱等氣象災害[9]，如2014年盛夏低溫、2017年秋季超長連陰雨、2020年春夏前旱后澇等，均對煙葉生產(chǎn)造成了嚴重損失。因此及時開展煙區(qū)氣象監(jiān)測、災害性天氣預報預警，對煙葉防災減災和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)至關(guān)重要，煙草氣象觀測站成為做好監(jiān)測、預報、預警的前提。

目前湖北省僅有34個專為煙草氣象觀測所建的站點，包括湖北省煙草科學研究院自行建設的22個五要素氣象觀測站和十堰市煙草公司委托當?shù)貧庀蟛块T先后建設的12個八要素氣象觀測站。其中前者還存在站點缺乏維護、沒有保留資料或資料不互通等問題，真正能使用的很少。因此,需要整體設計建設煙草氣象觀測網(wǎng)。本文通過對湖北省西部山區(qū)煙區(qū)及附近氣象觀測站分布現(xiàn)狀進行分析，并根據(jù)煙葉生長習性配置觀測要素，確定設計原則，合理布局站點數(shù)量和位置，建成后可為煙草氣象科研和業(yè)務服務，精準的氣象數(shù)據(jù)能為分析研究煙區(qū)氣候特點、生育期氣象災害特征、煙區(qū)關(guān)鍵氣象指標精細化區(qū)劃、及時科學地開展人工增雨防雹等提供數(shù)據(jù)支撐。

1 湖北省煙區(qū)及氣象觀測站分布現(xiàn)狀

根據(jù)實地勘察和調(diào)研，目前湖北省西部山區(qū)有4個市州共20個縣(市)大面積種植烤煙、白肋煙和雪茄煙，分別為恩施自治州(恩施、利川、建始、巴東、宣恩、咸豐、來鳳、鶴峰)、襄陽市(南漳、保康、棗陽、老河口)、十堰市(鄖西、竹山、竹溪、房縣)及宜昌市(興山、秭歸、長陽、五峰)(見圖1)，種植面積約3.87萬hm2，年產(chǎn)量約135萬擔。根據(jù)湖北煙草高質(zhì)量發(fā)展工程規(guī)劃，未來將建設6.67萬hm2以上優(yōu)質(zhì)生態(tài)煙田，種植面積擴大近1倍，對氣象保障需求更加迫切。

據(jù)統(tǒng)計，所有20個植煙縣(市)轄區(qū)內(nèi)已建設自動氣象觀測站880個，其中氣象部門建設846個，包括單要素站473個、四要素站276個，六要素站78個，八要素以上(國家級地面氣象觀測站)站點20個；煙草部門自行建設及委托氣象部門建設氣象觀測站34個，包括五要素站22個，八要素站(委托十堰市氣象部門建設)12個。

根據(jù)湖北省煙田和煙區(qū)氣象觀測站現(xiàn)狀分布(圖1)可知，氣象部門所建設的氣象觀測站絕大部分為單要素雨量站，參考意義較小，在主煙區(qū)的多要素區(qū)域氣象觀測站數(shù)量較為有限，且基本上都建設在鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府所在地，觀測數(shù)據(jù)與煙田的實際氣象條件有較大差別，因此僅使用常規(guī)氣象觀測站的資料難以精確地反映煙田的氣象環(huán)境，無法滿足煙草氣象服務的需求。

圖1 湖北省煙葉種植區(qū)與現(xiàn)有各類氣象觀測站點疊加圖Fig.1 Overlay map of tobacco growing areas and existing AWS in Hubei Province

2 站網(wǎng)設計及站點選址原則

2.1 站網(wǎng)設計原則

煙草氣象觀測站網(wǎng)的優(yōu)化布局，不僅要考慮山區(qū)海拔高度以及山地的位置、走向、大小、形狀，更要考慮煙葉種植地的位置。通過實地調(diào)研以及相關(guān)研究，確定站網(wǎng)設計的基本原則：

①布局合理。充分考慮煙草種植的水平和垂直分布，采用格點法確定煙草氣象觀測站的數(shù)量和空間布局，即先把整個煙區(qū)按0.1°×0.1°的間隔劃分網(wǎng)格，并使每片核心煙區(qū)的中心網(wǎng)格上至少有1個氣象觀測站，各站點要相對均勻。

②經(jīng)濟實用。對煙草部門自行建設的22個氣象觀測站進行改造，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；根據(jù)經(jīng)費節(jié)約原則，避免在氣象條件相似煙田重復建設。

③針對性強。根據(jù)各煙區(qū)煙葉生長及加工對氣象條件的敏感性，確定煙區(qū)氣象觀測站的觀測要素，包含氣溫、降水、風向、風速、濕度、日照及地溫。

④重點突出。根據(jù)核心煙區(qū)、重點監(jiān)測的原則，建立超級氣象觀測站。在“中棵煙、高油分”(利川)和雪茄煙代表區(qū)(咸豐)建立超級氣象觀測站，觀測要素增加光合有效輻射、總輻射、溫濕度梯度觀測、土壤水分(10、20、30、40、50 cm)、地表溫度、淺層地溫(5、10、15、20 cm)、實景及物候觀測等，完善湖北省煙草氣象觀測網(wǎng)絡的構(gòu)建，還可用于后期科研活動。

2.2 站點選址原則

由于煙葉種植及農(nóng)事活動的特殊性，為保證煙草氣象觀測站能夠真正發(fā)揮效益，借鑒農(nóng)業(yè)、林業(yè)、高速公路及長江航道等專業(yè)氣象觀測站選址經(jīng)驗，結(jié)合實地調(diào)研，確定以下選址原則：

①遠離近期和中長期擬建設項目用地，保證觀測地段的相對穩(wěn)定。

②觀測地段盡可能交通便利，通信正常、穩(wěn)定(有4G或5G網(wǎng)絡),后期發(fā)生故障時便于進行遠程診斷[10-13]。

③站址應代表當?shù)責熑~產(chǎn)量水平、耕作制度和地形、地勢、土壤類型。且由于煙草是輪作制，在設計時也應考慮該因素。

④含有土壤水分的站點，選址需要注意土壤質(zhì)量，不可選取土壤中含石量較多的區(qū)域。

⑤站點附近需要給設備安裝、維護提供足夠空間，特別是風桿傾倒方向10 m范圍內(nèi)沒有障礙物。

⑥考慮站點的安全性，設備安裝地點應選在安全系數(shù)較高的區(qū)域。如規(guī)?；N植的煙區(qū)、有專人管理的試驗煙田周邊等。

3 站網(wǎng)設計初步結(jié)果

3.1 湖北省煙草氣象觀測網(wǎng)設計結(jié)果及其站點分布

通過新建氣象觀測站點和對已有站點的改造(表1)，形成了由97個氣象觀測站組成的湖北省煙草氣象觀測網(wǎng)(圖2)，建成后將明顯提高煙區(qū)惡劣氣象條件的監(jiān)測和短時預警能力。

表1 已有及新建煙草氣象觀測站數(shù)量統(tǒng)計表(單位：個)Tab.1 Statistics of the number of tobacco AWS have been built and will be built(unit:stations)

3.2 新建63個煙草氣象觀測站

湖北省煙草氣象觀測站網(wǎng)由新建氣象觀測站和可利用的已有氣象觀測站改造組合而成。根據(jù)湖北省煙草部門“2233”(雙百萬目標、兩支隊伍、三大體系、三個品牌)高質(zhì)量發(fā)展工程百萬畝高標準煙田區(qū)域布局(圖3，數(shù)據(jù)截止2020年11月5日)和“中棵煙+高油分”、雪茄煙重點種植發(fā)展區(qū)域的相關(guān)要求，結(jié)合以上確定的站網(wǎng)設計原則，采用格點法確定新建煙區(qū)氣象觀測站的數(shù)量和空間布局。

圖2 湖北省煙草氣象觀測網(wǎng)設計圖Fig.2 Design drawing of tobacco AWS network in Hubei Province

圖3 2020年湖北省煙草“2233”高質(zhì)量發(fā)展工程關(guān)鍵要素示意圖Fig.3 Diagram of key elements of tobacco "2233" high quality development project in Hubei Province，2020

考慮到站點分布的空間均勻性，將4個煙葉產(chǎn)區(qū)按0.1°×0.1°進行網(wǎng)格構(gòu)造(圖4)，結(jié)合煙草部門提供的核心煙葉種植鄉(xiāng)鎮(zhèn)和已有的煙草氣象觀測站點分布情況，采用格點化布局方法[14-15]，實現(xiàn)核心產(chǎn)區(qū)氣象觀測全覆蓋，同時結(jié)合煙草產(chǎn)區(qū)實際需求，重點監(jiān)測災害頻發(fā)區(qū)域。最終將設計新建的站點確定在63個村的煙田內(nèi)。

3.3 對現(xiàn)有34個煙草氣象觀測站進行改造

由于煙草部門建設的34個氣象觀測站的觀測數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一且沒有上傳至氣象部門中心站，未能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，且部分站點存在無人維護而未能正常運行的情況。因此，需對所有氣象觀測站點進行檢查維護，其中煙草部門自行建設的22個氣象觀測站設備型號為美國Spectrum公司生產(chǎn)的WatchDog 2000系列，需增加4G通信模塊及物聯(lián)網(wǎng)卡，并向原生產(chǎn)廠商獲取數(shù)據(jù)采集傳輸協(xié)議，依據(jù)該協(xié)議在氣象部門中心站開發(fā)數(shù)據(jù)接收和處理程序，以便該系列氣象觀測站采集數(shù)據(jù)能夠與氣象部門建設的氣象觀測站數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一。對于委托十堰市氣象部門建設的12個氣象觀測站，需增加4G通訊模塊及物聯(lián)網(wǎng)卡，使得數(shù)據(jù)可上傳至氣象部門中心站，便于數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理及使用。

圖4 湖北省煙種植區(qū)0.1°×0.1°網(wǎng)格圖(a.恩施；b.襄陽；c.十堰；d.宜昌)Fig.4 Grid diagram of 0.1°×0.1° of tobacco growing areas in Hubei Province(a.Enshi;b.Xiangyang;c.Shiyan;d.Yichang)

4 結(jié)語

建設煙草氣象觀測站是煙葉生產(chǎn)中氣象安全保障的有效手段，對煙葉優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和防災減災至關(guān)重要。本文通過分析湖北省煙葉產(chǎn)區(qū)及附近氣象觀測站的分布現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)已有的氣象觀測站難以反映煙田及周圍的真實氣象條件，因此結(jié)合煙草部門煙葉重點種植發(fā)展區(qū)域相關(guān)要求，采用格點法確定了新建氣象觀測站的位置，并計劃對可利用的已有氣象觀測站進行改造，完成湖北省煙草氣象觀測網(wǎng)設計。后期仍需通過進一步實地考察，結(jié)合站點選址要求，以及對已有氣象觀測站改造的難易程度進一步修改完善。