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800公里外卫星之“眼”:从太空看全球作物是否缺水 来源:中国气象报社 日期:2022年11月18日17:55

  本文专家:国家卫星气象中心研究员 范锦龙

  采访人:中国气象报记者 卢健

  近期,“历史性干旱导致美国密西西比河水位严重下降、部分河流断航”的消息引起关注。对于今年全球正在经历的这场范围最广的干旱,中国气象报从年初便一直持续作全媒体跟踪报道。从春夏欧洲的莱茵河、多瑙河流域,夏秋中国南方地区,至10月、11月初干旱焦点又转到美国。此时,美国境内玉米和大豆收获进入尾声,冬小麦基本完成播种,交通大动脉密西西比河上农作物驳船运输正趋紧张。

  干旱对全球经济社会的影响广泛而复杂,其中农业又是受影响最严重的行业之一。在当前北半球收获季进入尾声之际,中国气象报邀请国家卫星气象中心遥感专家范锦龙博士,从卫星的视角,“透视”2022年干旱对全球作物的影响。在这里,我们看到了一组名为“全球农业干旱图(Global Agricultural Drought Map)”的产品,上面以深红、红、橙、黄四种颜色对应某一时段全球农作物的干旱程度。接下来,范锦龙博士为我们讲解了如何通过远在800公里外的风云三号气象卫星来判断地面农作物受旱情况,并详细展示了2022年持续干旱是如何影响全球作物生长的。以下是他的讲述——

  气象干旱发生后,是否一定引起农业干旱?

  首先比较两个概念——气象干旱和农业干旱。从定义来看,气象干旱指某时段内,由于蒸发量和降水量的收支不平衡,水分支出大于水分收入而造成的水分短缺现象;农业干旱则是指在作物生育期内,由于土壤水分供应持续不足而造成的作物体内水分亏缺,影响作物正常生长发育的现象。

  由此可见,气象干旱是一种自然现象,主要表现是降水量减少。当气象干旱持续一段时间,发生农业干旱的风险就逐渐增加。但是,气象干旱发生后是否一定引起农业干旱?却是不一定的。我们来分析这样几个场景:

  其一,相同等级的气象干旱,分别发生在作物的快速发育期和收获期,产生的影响可能大不相同。

  其二,同样遭遇气象干旱,能否在作物发育关键期适时灌溉,影响可能大不相同。

  其三,同样发生气象干旱,对于需水量大的作物和需水量小的作物影响也可能大不相同。

  可以看出,气象干旱对农业生产的影响和危害程度与其发生季节、时间长短、作物所处的生长期、作物品种以及种植分布等因素有关。所以,当我们通过分布于各地的气象观测站,知道某区域气象干旱发生且还将持续时,可以预估未来农业干旱发生的风险在增加,不过还需要进一步确认。判别该地农作物是否缺水、缺水程度如何,乃至生长发育多大程度受到干旱影响时,还需另想办法来实现。

  卫星依靠什么,能“看”出作物体内是否缺水?

  我们想到的办法,就是卫星。

  那卫星怎么能“看”到作物体内是否缺水呢?这不仅要求卫星“视力”好,还要求卫星能“看”到人眼看不到的一些电磁波波段。可见光是人眼可看得见的电磁波,其波长范围一般是在400纳米至760纳米。而波长在这个范围之外的电磁波,我们人眼就看不到了。但经过特殊设计的卫星可以。

  比如我国风云气象卫星家族中,风云三号卫星搭载一台可见光红外扫描辐射计(visible and infrared radiometer,VIRR),它的光谱通道不仅有可见光通道,还有三个红外通道。监测农作物体内水分,靠的正是红外通道。

  农作物在太阳光的近红外波段有较强的反射,其反射率值较高,而对红波段有较强的吸收,反射率值较低。利用两个反射率值之间的差异,可用作测量植物中光合作用的活性生物量,定量化植被的生长状况。利用红外通道数据可以量测植被冠层的温度。利用表达植被生产状况的指数和冠层温度的组合,可以评测作物体内含水量是否充足。如此这般,经过计算、赋值,就得到了一份全球农业干旱图。

  此外需要了解的是,这个算法虽然可以在整个作物生产季节使用,但是在作物生长最活跃阶段里最准确。


2022年3—6月全球农业干旱图 供图:国家卫星气象中心

2022年7—10月全球农业干旱图 供图:国家卫星气象中心

  从2022年全球农业干旱图中,我们可以得到哪些信息?

  如此一来,我们可以得到2022年的全球农业干旱图。从中,可以得出一些具体结论——今年夏天,美国、欧洲和中国等主要经济体的部分农业区遭遇有记录以来最严重的干旱。那么,作物受影响的主要时段是哪些?主要区域在哪里?严重程度如何?

  先从美国说起。根据美国农业部数据,美国2021年有大约85万公顷耕地未能播种,而2022年未能播种的面积同比增加了2倍。这种状况可以在全球农业干旱图中找到印证,从5月到7月,美国南部区域持续呈现橙色、红色甚至深红(分别代表中等、严重、极端干旱),作物处于持续“缺水”状态。

  时间来到2022年6月,干旱图中的“红色区域”锁定欧洲,从6月中旬到7月下旬,从西欧的莱茵河流域到东欧的多瑙河流域,从葡萄牙、西班牙、意大利到法国、德国、匈牙利,欧洲多国作物先后遭遇缺水状态。

  这场高温干旱,也被当地媒体称为“欧洲500年来最严重的干旱”,大片地区一直遭受着降雨不足和极端温度的困扰,在某些地区,可用水甚至“根本不足以种植水稻”。

  从7月开始,中国南方开始遭遇罕见持续高温热浪和干旱。与之相对应的,干旱图中长江流域作物颜色持续转红。

  延伸一下,当我们全球农业干旱图中的红色区域与世界经济进行对照,就会发现,全球干旱导致的农作物和牲畜损失严重、产量下降、生长和收获季节推迟,稍后,这些影响将反映到粮食产量乃至价格中。

  根据标准普尔全球评级报告,在全球范围内,预计2022—2023销售年度的玉米和大米产量将分别下降4%和2%。玉米、大米和小麦库存可能会持续多年下降。这进一步推高了全球市场价格,就拿欧洲来说,根据路孚特农业研究(Refinitiv Agriculture Research)数据,由于可供出口的玉米减少,法国玉米出口价格从8月到10月上涨了近20%,这种上涨压力也可以在长粒米等商品中看到。

  这些趋势,正是今年夏季全球高温的延伸。虽然热带气旋等突发天气事件通常会在登陆时登上新闻头条,缓慢但持续的干旱却可能造成更严重的影响。而农业,几乎首当其冲。

  (责任编辑:张明禄)



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