农业基础气象 3

第十章农业气象服务引言农业气象服务是气象服务的重点领域之一。世界气象组织曾制定了农业气象服务的长期发展计划，一是农业气象服务促进农业生产领域，其重点是促进农业生产的业务和科研活动；二是农业气象服务保障系统，重点是促进服务产品制作所需的网络观测、资料信息管理和技术开发；三是气候变化与农业气象灾害，重点是改进农业气象服务，特别是应对气候变化与农业气象灾害影响的预警预报咨询等。为加强现代气象为农服务体系建设，中国气象局2022年制定下发了《全面推进乡村振兴气象服务能力提升工作方案（2022~2024年）》，要求提高乡村振兴气象服务能力和水平，建成完善“技术先进、机制融合、服务精细、保障有力”的乡村振兴气象服务体系。第一节农业气象业务第二节乡村农业气象服务第三节智慧农业中的农业气象目录我国农业气象业务发展历程农业气象业务的主要内容农业气象业务发展前景和重点领域第一节农业气象业务我国农业气象业务发展历程我国气象科学技术的发展历史悠久，殷代的甲骨文中已经有了关于雨、雪、降水等的文字记载，几千年的农业实践积累了丰富的农业气象经验。从观察物候与生物活动，气候变化与农业的相互关系，到顺应天时趋利避害提高产量，无不体现着农业气象业务服务。甲骨文中“雨”和“雪”的典型写法我国农业气象业务发展历程1954年：中央气象局编发《物候观测简要（草案）》，全国逐步建立农业气象观测站网，开始较系统的农业气象观测。20世纪60年代初：地面监测信息收集与传输、业务产品制作方法与技术、应用服务等几个方面的日常业务初步成形。1966-1976年期间：农业气象业务工作基本停止，到1979年才恢复农业气象观测工作。20世纪70年代后期至90年代：陆续开展作物气象、农业气候区划、农业气候资源利用、农业气象灾害、粮食产量气象预报、遥感技术应用等科研工作，并逐步转化为业务服务能力。1995年：正式将农业气象业务服务工作纳入气象基本业务，计算机技术、通信技术和遥感技术等现代信息技术普遍应用。我国农业气象业务发展历程进入21世纪，我国的农业气象业务步入快速发展阶段。气候变化背景下，对农业气象保障需求进一步加大，为此各级气象部门相继建立了更高效的农业气象业务系统。作物产量动态预报技术、作物生长模拟模型技术等农业气象业务技术方法也得到了较快发展，农业气象业务服务水平显著提升。当前气象防灾减灾标准化建设已覆盖全国所有县区，基本建成预警信息发布和传播“一张网”，农村气象防灾减灾能力明显提升，基本建成涵盖农业生产全过程的农业气象服务和更加精细的保障国家粮食安全的气象服务体系。农业气象业务的主要内容：农业气象观测业务农业气象观测是开展农业气象预报、农业防灾减灾、农业气候资源利用和应对气候变化业务服务的重要数据支撑，是农业气象科研工作的基础，为各级各部门了解农情提供依据。截至2020年底，我国已建成653个农业气象观测站。农业气象观测业务主要侧重对农业气象要素与农业生产对象同时进行平行观测、测定和记载，并完成观测数据的快速传输。其定期开展农作物、土壤水分、农业气象灾害、自然物候、畜牧气象和农业小气候等观测，并制定了较为系统的农业气象观测技术规范和农业气象观测资料传输格式，为农业气象业务提供了重要的基础数据。农业气象业务的主要内容：农业气象情报业务农业气象情报是在分析、鉴定过去和当前天气气候条件对农业生产综合影响的基础上，进行客观描述，提出合理措施和建议的专业气象情报。主要业务技术为作物气象指标分析法、生物学评价法、天气气候学分析法、遥感监测法等。我国在1958年开启农业气象情报服务，现在已成为农业气象业务工作的基本内容。编制农业气象情报需要在广泛收集农业气象资料的基础上，进行资料分析，鉴定其对当前农业生产的影响，提出趋利避害的建议，并用简练文字编写成书面报道，通过各种方式为用户服务。当前，农业气象情报业务技术发展方向重点在提高气象情报产品的时效性、针对性与定量化水平。农业气象业务的主要内容：农业气象预报业务农业气象预报是根据前期气象因子、生物因子、农业水文因子等状况，结合农业生产需要和未来天气变化趋势，对农作物等的生长发育状况、产品产量和质量、主要农事活动，以及一些重要的农业气象条件进行预报，为合理利用有利天气条件、抵御不利气象条件提供依据。我国目前开展的预报有农业气象条件预报、农业气象灾害预报、农业病虫害发生发展气象等级预报、农业气象产量预报、农作物发育期预报和农用天气预报等。准确的农业气象预报是防御和减轻农业气象灾害的有效手段。农业气象业务的主要内容：农业气象灾害监测、预警、评估我国是世界上受农业气象灾害影响最为严重的国家之一，农业气象灾害所造成的损失占农业灾害总损失的60%以上。农业气象灾害的监测、预警、评估是农业气象业务的主要内容之一，也是决策气象服务、公众气象服务不可缺少的。近年来，我国各级气象部门的农业气象灾害的监测、预警、评估业务发展较快，采用遥感遥测、统计分析、作物生长模拟的方法和技术开展了农业气象灾害的监测、预警和评估业务。当前农业气象灾害监测、预警与评估业务正逐步趋于规范化、精细化、定量化，灾害监测评估指标和模拟模型的日愈成熟，灾害损失的量化成为现实，农业气象灾害的预警信号的发布也更加完善、规范。农业气象业务的主要内容：农业气候资源利用农业气候资源（包括光、温、水、气等气象要素资源）决定了农业布局、种植制度、作物产量和农业生产潜力等。因此，掌握农业气候资源的时间变化规律、空间分布特征和季节变化规律等，对充分合理利用农业气候资源、开展农业气候区划，提高农业生产力都具有显著的作用和意义。中国气象局先后组织三次农业气候资源和农业气候区划研究，详尽研究全国、区域、山区等不同尺度的农业气候资源要素的数量和质量在时空的分布和变化规律，以及气候资源生产潜力及其与农业的关系。同时开展热带、亚热带山区农业气候资源考察等工作，先后建立农业气候资源数据库、编制农业气候资源资料集和图集，为合理开发利用农业气候资源和现代农业生产力布局等提供科技支持。农业气象业务的主要内容：农业应对气候变化气候变化对人类生存空间带来严重挑战，我国是全球气候变化的敏感区和影响显著区之一，暴雨、洪涝、干旱和高温等极端天气气候事件多发，全国综合气候风险指数明显偏高。科学把握气候变化规律，是应对气候变化的基础。农业应对气候变化业务是一项新型的农业气象业务。农业气象业务和科研部门相继加强了气候变化监测评估和适应与对策研究，以及气候变化背景下的农业气候区划和农业气候资源动态变化评估，为应对气候变化提供科学数据、高质量的产品服务。开展气候变化对农业生产、农业布局和种植制度的分析评估等业务工作，全面提升农业应对气候变化科技支撑水平和服务国家战略决策的能力。农业气象业务发展前景和重点领域：农业气象观测与试验建立智能化气象观测系统，优化农业气象观测内容和站网布局，提高观测站观测自动化水平。智能化农业气象试验站设备，精准的农业气象试验站布局、科学实验能力，使现代农业气象观测业务更加智慧、精准。为现代农业气象业务提供实时、科学、翔实的农业气象观测基础信息支撑和技术支持。通过改进观测手段与方法，初步形成现代农业气象立体化观测体系。充分发挥农业气象试验站的观测与试验、示范、推广功能。观测自动化、资料信息化、管理规范化水平显著提高，质量控制、装备保障体系更加完备。农业气象业务发展前景和重点领域：农业气象业务的主要关键技术以大数据分析、指标诊断、模型模拟为标志，建立覆盖主要粮食作物、重要农产品、主要特色经济作物的现代农业气象服务关键技术体系。开展大宗农作物、经济作物与特色经济作物气象灾害规律和机理研究。发展基于灾变过程的气象灾害动态指标构建技术、作物产量预报技术、产量品质预估技术。建立集灾害信息采集、风险预警、损失评估于一体的智能化农业气象灾害风险管理体系，保障国家粮食安全。研究气象因子影响作物的生物化学机制，研发作物生长过程机理模式。建立从站点到全球尺度的农业气象模式与实时业务服务平台。开展数字农业气象服务技术研究。农业气象业务发展前景和重点领域：防灾减灾风险服务能力受气候变化的影响，极端天气气候事件频发，农业面临的气象灾害事件和种植风险呈增加态势。科学把握灾害规律，有效降低灾害风险，是提升防灾减灾服务能力的基础。为适应现代农业发展需求，农业气象业务将搭建统一的气象防灾减灾综合业务平台，实现快速、准确的监测、评估、预报预警和防灾减灾数据信息的综合显示分析、超阈值自动报警、气象防灾减灾服务产品制作、预警信息发布等。通过提高业务服务的定量化程度和时效性，使其具备科学评估农业种植风险的能力，为农业防灾减灾和可持续发展提供气象保障服务。气候变化导致农业气候资源发生变化，随着农业科技发展，品种资源的气候适应能力也发生了改变，加上区域性经济结构和人们生活需求的改变，都对农业生产提出了新的要求，亟需提高我国农业气候区划的时空精细化水平。因此，需要建立气候变化背景下，我国农业气候资源合理利用及农业产业结构调整的技术方案。通过深入研究气候变化对水、热和生态环境等的影响，科学建立气候变化对我国农业影响的气候风险分析技术，加强农业气候资源格局的动态分析，制定适应气候变化的农业中长期发展规划等，建立气候变化背景下农业气候可行性论证和精细化农业气候区划应用技术，逐步形成稳定规范的业务产品。农业气象业务发展前景和重点领域：农业气候资源区划与利用打造基于“互联网+现代农业+气象”的，集监测、预报、预警、服务为一体的现代农业专业气象服务平台。按照全国智慧农业气象数据标准与规范，建成集气象实况与预报、农业基础数据、农业气象指标库、农事建议库、基础地理信息于一体的农业气象大数据平台。未来的农业气象业务应在该平台下，建成基于农业气象指标和农事建议的农业气象预报、预警、评估模型，并结合格点数值预报，实现精细化、智能型农业气象业务产品制作，不断开发针对性强的业务产品；开展点对点农业气象服务，为现代农业快速提供各类定量的、科学的业务服务产品。农业气象业务发展前景和重点领域：农业气象业务技术和平台乡村农业气象灾害乡村农业气象灾害防御体系乡村振兴的农村气象服务第二节乡村农业气象服务乡村农业气象灾害：特点农业气象灾害是乡村发生最为频繁的一大类自然灾害。农业生产过程中只要光、温、水、气等气象要素发生异常，都可能直接或间接导致减产、品质下降等，从而形成农业气象灾害。我国地理位置和地形地貌，决定了农业气象灾害呈现种类多、发生频率高、区域性强、季节性分明、影响对象多、致灾机理复杂等特征。全球气候变暖使极端天气气候事件趋多，农业气象灾害的发生频率和灾害程度增加，加上我国乡村地域广，受灾面积大，防灾力量弱，防灾减灾任务更为艰巨，给农业生产和粮食安全造成了严重影响。乡村农业气象灾害：主要种类干旱灾害：长时间未降水或降水偏少造成土壤严重失墒，由于空气、土壤中水分不足，导致作物水分亏缺，造成减产甚至绝收。干旱是影响我国农业的最主要气象灾害之一。洪涝灾害：因降水过多而引发洪水冲击或淹没浸泡造成农作物减产或绝收的农业气象灾害，还经常将冲毁农田、农舍和农村的各种设施，引发人畜伤亡。此外，降水长时间未能及时排出，还将导致农田土壤水分过度饱和，农作物、果树根系无法正常呼吸，将给农业生产带来严重影响。洪涝是除干旱外，我国农业的另一个主要气象灾害。乡村农业气象灾害：主要种类风雹灾害：指局地大风、冰雹、龙卷风等强对流天气造成的灾害。其中冰雹尽管影响范围小，但会给农作物带来较大危害，可砸伤人畜，多伴随大风，遭受袭击后农作物的茎叶受到严重损伤，倒折、落花落果。低温冻害：由冷空气南侵和寒潮暴发引起，造成作物受冻害甚至死亡，有季节性、地域性、突发性、多样性等特点。台风灾害：台风登陆时常常带来狂风暴雨，可引发山洪，摧毁乡村的房屋和大棚、畜舍，使树木和电杆倒折，在海上掀起巨浪，是最危险的自然灾害之一。台风不仅可能导致作物被暴雨和大风直接摧毁，还会加剧病虫害，造成农作物减产甚至绝产，对我国东部沿海地区影响较大。乡村农业气象灾害防御体系：监测、预警和评估监测：包括农业气象灾害发生前对灾害前兆与孕灾环境的监测分析、农业气象灾害发生过程中对灾害现象的监测分析和灾害发生后对灾害后果的监测分析。当前我国遥感、天气雷达等仪器已广泛使用，已建立起全方位、多层次的立体农业气象灾害监测和诊断模型。预警：在灾害监测的基础上，建立农业气象灾害精准化预警模型，充分结合作物生长特性和情况，将农业气象灾害发生时间、影响范围、危害程度等预警结果进行公开播报。评估：在灾害监测和预警的基础上，建立灾害损失评估模型，综合模型结果和农业气象灾害调查分析等，开展农业气象灾害损失定量评估或预评估业务。乡村农业气象灾害防御体系：防御农业气象灾害防御包括为减轻灾害采取的各种社会行动和工程防御措施，狭义的农业气象灾害防御是指灾害发生前采取的行动，广义的灾害防御则还包括灾害后防止次生和衍生灾害而采取的措施。加强气象配套设施建设；调整农业与种植结构，选择或选育抗性品种；临灾前准备好防灾设备和物资。加大重要农事季节的抗旱、防雹人工影响天气保障；建立系统的气象服务及农业气象灾害防御模式，储存相应减灾设备、技术，建立减灾专家库；通过加强农村气象防灾减灾科普宣传，举办“气象科普进乡村”活动，提升农民气象防灾减灾意识和能力。乡村振兴的农村气象服务：乡村振兴气象服务科技“智能网格预报+农业气象服务”体系：自动观测、精细化智能网格预报、农业气象指标/模型、卫星遥感等技术手段在农村农业气象服务中得到广泛应用。智能化气象灾害识别：基于计算机视觉、贝叶斯判别模型和深度学习等多维大数据挖掘技术，利用各种资料和算法库，构建对突发灾害性天气的自动识别模型。智能化气象预报预警：通过对多源气象监测数据实时处理和高效计算，实现对全国各类中小尺度天气滚动监测预警。智能化气候监测预测：将大数据技术方法应用于气候预测信号提取、气候资料同化、超级集合预报等方面，形成气候事件监测、气候变化分析、气候资源开发利用等的模型。乡村振兴的农村气象服务：乡村振兴气象服务体制机制农村气象服务需要气象部门和农业农村、乡村振兴等涉农部门的协同合作。发挥气象部门的技术和资源优势做好行业帮扶工作，帮助乡村加强气象防灾减灾能力建设，趋利避害，减负增收。加大资金筹措力度，加强农业气象人才队伍建设，加强农业气象专业服务人才和技术力量的培养力度，同时注重对现有农业气象服务人员的专业能力和综合素质培养。充分发挥公共气象服务平台和宣传资源优势，做好乡村气象灾害防灾减灾知识宣传。通过大力宣传气象灾害避险知识，开展防灾减灾救灾应急培训，逐步提高农民群众的防灾意识和避灾技能。气象要素的自动监测系统作物生长模拟监测系统农业气象灾害的预警与风险管理第三节智慧农业中的农业气象气象要素的自动监测系统农业气象观测是进行农业气象预报和信息服务的基础。相较于传统的人工观测，农业气象自动监测系统具有提高观测频率和连续性、弥补人员不足和减少人工成本、标准化观测模式、方便与后续的预报系统和智能调控系统衔接等优势，是实现现代化、智能化的农业生产必要的基础环节。农业气象监测系统的核心是测量各种要素的元件，其工作原理可分为直接测量和遥感探测两大类。所谓直接测量，就是利用各种传感器原件，直接对大气、土壤、叶片等性质进行探测。遥感探测，则是通过拍照或接收电磁波信号等间接手段，感知目标的特性并加以分析。二者各有利弊，需要结合具体情况，选择更合适的测量方式。气象要素的自动监测系统监测地点主要为田间或大棚等设施内，主要监测内容如下。观测项目观测要素主要观测内容环境气象要素温度大气温度湿度大气的水汽含量或相对湿度气压大气压强风风向和风速辐射光照时间、总辐射强度、光合有效辐射降水降水强度和24小时累积降水总量

株间小气候温度株间不同高度的温度湿度株间不同高度的湿度大气成分株间CO2等气体浓度

土壤环境条件温度地表温度和不同深度的土壤温度湿度不同层次的土壤含水量

作物生长情况作物的光学和形态特征植株密度、株高、作物生长情况与生长阶段等气象要素的自动监测系统对环境条件大气、土壤情况的自动观测，大部分均通过相应传感器与大气、土壤等物体的直接接触，进行直接测量。对作物长势的自动监测，则主要通过遥感探测与信息技术相结合的方式实现，主要包括卫星遥感、无人机航拍或自动监测系统的高清拍摄等。以实景图像评估作物生长，主要利用计算机视觉领域的图像处理和识别技术。先识别出相应边界和作物的三维空间结构，再计算出覆盖度、冠层位置、作物形态结构特征等，并由此间接计算出植株密度、株高、叶面积指数等信息。再结合光学特征、种植期间气象要素变化、农业生产的实践经验等，进一步反推出作物所处的生长阶段和长势好坏。作物生长模拟监测系统作物生长模拟监测系统的原理是针对光、温、水、气等气象条件对作物群体生长、发育、产量的影响，把农业气象研究的对象，作物、土壤和大气系统的相互关系数字化、模型化，给出内插、外推和预测结果。作物生长模型能对作物的生理过程和生态环境系统进行系统地分析与描述，能逐时或逐日地描述各种生理生态过程和状态的动态变化，能在给定条件下对作物系统的未来发展动态进行定量描述，不受地区、时间、品种和栽培技术的限制，具有系统性、动态性、机理性、预测性、通用性等特点。作物生长模拟监测系统作物模型技术自20世纪开创以来，经历了从经验走向机理，从理论走向实践的过程。可辅助生产者对生产系统进行适时合理调控，实现作物生产的高产、高效、优质、生态、安全的可持续发展，广泛用于气候变化影响评估、作物管理、品种设计等多个方面。目前国际上已有一些作物模型被成功利用于监测区域作物生长，为政府和商业机构提供辅助决策信息。例如，欧洲联合研究中心的WOFOST模型，美国的“AgroClimate”模型，澳大利亚“YieldProphet”的APSIM模型等。作物生长模拟监测系统国家气象中心2013年成立了作物模型业务应用团队，构建了基于作物模型的中国作物生长模拟监测系统(CGMS-China)，CGMS-China将多个国内外模型嵌入到系统之中，还同化了遥感信息，可以提供多种农业气象业务产品。可为作物长势监测提供基于作物生理生态的机理性方法，是对传统苗情统计、遥感监测的有益补充。通过将监测量与上一年和近5年的对比，反映本时段作物长势。可为农业气象灾害评估提供了全新的手段，较好地反映出作物生育进程、产量与各生育阶段温度、降水量以及土壤水分动态的关系。还可利用模拟结果结合相对产量预报方法，进行作物产量预报，预报准确性相对较高。作物生长模拟监测系统对比国际经验和中国农业气象业务实际情况，作物模型在农业气象业务应用将来还需从以下几个方面去开展：开展多模型集成应用。不同作物模型差异导致模拟的不确定性，开展多模型集成和比较可为业务应用提供更多参考。高分辨率模拟系统的研发。为满足精细化农业气象服务的需求，高分辨率的模拟系统是未来重要的发展方向之一。利用多源农业大数据结合作物模型开展面向不同用户的农田管理决策服务。在地面、遥感等多源数据不断增长的情况下，满足小农户、种植大户、粮食贸易公司和政府决策等不同用户需求的决策支持服务是未来农业模型领域发展的重点方向。农业气象灾害的评估预警与风险管理我国幅员辽阔，地形复杂，气候类型多样，暴雨、干旱、高温、冷害等农业气象灾害在不同地区都时有发生。因此，农业气象灾害的风险评估与风险管理十分重要。农业气象灾害风险评估，是指定量估计气象灾害发生的可能性、灾害强度或可能带来的农业损失。农业气象的风险管理，则可分为灾害发生前的预警与防灾准备，灾害时的应对措施，以及灾后的恢复重建等过程。农业气象灾害的评估预警与风险管理：风险评估气象灾害风险评估主要有两种方式：一是通过研究作物产量和气象因子之间的关系，明确可能因哪些气象条件导致作物减产。首先通过指数平滑等统计方法，分离出趋势产量和气象产量，然后再将气象产量与各类气象要素进行多元回归，确认气象产量与各个要素之间的可能关系。之后利用其结论，通过人工调节的方式，避免气象因素偏离常年平均水平带来的减产。二是研究不同区域、不同时段的气象灾害风险概率，进行气象灾害风险区划。首先，通过前期调研和试验，确定导致产量和品质下降的主要灾害类型和致灾指标。其次，通过分析历史气象数据，精细化评估每个种植区域和时段中致灾指标发生的概率。再结合当年的气候预测情况，进行气象灾害风险的区划和安全期筛选，以此减小气象风险。农业气象灾害的评估预警与风险管理：风险预警及时准确的气象灾害预警，是气象风险管理重要的第一步。中国气象局发布的气象灾害预警信号可分为台风、暴雨、暴雪、寒潮、大风、沙尘暴、高温、干旱、雷电、冰雹、霜冻、大雾、霾、道路结冰等14大类。按照其危害程度、紧急程度和发展态势可划分为蓝色（VI级，一般）、黄色（III级，较重）、橙色（II级，严重）、红色（I级，特别严重）4个等级（部分灾害类型只有其中的2-3个等级）。农业气象灾害的评估预警与风险管理：风险预警部分气象灾害预警信号的类型与等级划分标准如下：气象灾害预警类型等级划分标准台风预警信号蓝色24小时内可能或者已经受热带气旋影响，沿海或者陆地平均风力达

6级以上，或者阵风8级以上并可能持续。黄色24小时内可能或者已经受热带气旋影响，沿海或者陆地平均风力达

8级以上，或者阵风10级以上并可能持续。橙色12小时内可能或者已经受热带气旋影响，沿海或者陆地平均风力达

10级以上，或者阵风12级以上并可能持续。红色6小时内可能或者已经受热带气旋影响，沿海或者陆地平均风力达

12级以上，或者阵风达14级以上并可能持续。暴雨预警信号蓝色12小时内降雨量将达50毫米以上，或者已达50毫米以上且降雨可能持续。黄色6小时内降雨量将达50毫米以上，或者已达50毫米以上且降雨可能持续。橙色3小时内降雨量将达50毫米以上，或者已达50毫米以上且降雨可能持续。红色3小时内降雨量将达100毫米以上，或者已达100毫米以上且降雨可能持续。农业气象灾害的评估预警与风险管理：风险预警部分气象灾害预警信号的类型与等级划分标准如下：气象灾害预警类型等级划分标准寒潮预警信号蓝色48小时内最低气温将要下降8℃以上，最低气温小于等于4℃，陆地平均风力可达5级以上；或者已经下降8℃以上，最低气温小于等于4℃，平均风力达5级以上，并可能持续。黄色24小时内最低气温将要下降10℃以上，最低气温小于等于4℃，陆地平均风力可达6级以上；或者已经下降10℃以上，最低气温小于等于4℃，平均风力达6级以上，并可能持续。橙色24小时内最低气温将要下降12℃以上，最低气温小于等于0℃，陆地平均风力可达6级以上；或者已经下降12℃以上，最低气温小于等于0℃，平均风力达6级以上，并可能持续。红色24小时内最低气温将要下降16℃以上，最低气温小于等于0℃，陆地平均风力可达6级以上；或者已经下降16℃以上，最低气温小于等于0℃，平均风力达6级以上，并可能持续。高温预警信号黄色连续3天日最高气温将在35℃以上。