日光溫室地溫預(yù)報(bào)技術(shù)研究

楊 丹 薛曉萍 李 楠 王洪波 杜海波

（1鶴崗市氣象局，黑龍江鶴崗 154100；2山東省氣候中心，山東濟(jì)南 250031）

日光溫室地溫預(yù)報(bào)技術(shù)研究

楊 丹1，2薛曉萍2*李 楠2王洪波1杜海波1

（1鶴崗市氣象局，黑龍江鶴崗 154100；2山東省氣候中心，山東濟(jì)南 250031）

根據(jù)山東省萊蕪市2007～2011年冬季（12月至翌年2月）日光溫室內(nèi)、外氣象觀(guān)測(cè)資料，分析了晴天、多云天、陰天不同天氣條件下日光溫室內(nèi)地溫變化特征及其與溫室內(nèi)外氣象要素的關(guān)系；以溫室內(nèi)、外氣象要素為啟動(dòng)因子，構(gòu)建了未來(lái)3d10cm逐時(shí)地溫預(yù)報(bào)模型。結(jié)果表明：溫室內(nèi)地溫與氣溫關(guān)系密切，其中當(dāng)日及前期室外最高氣溫、最低氣溫對(duì)10cm逐時(shí)地溫影響較大；未來(lái)3d10cm逐時(shí)地溫預(yù)報(bào)模型中，晴天、陰天、多云天預(yù)報(bào)模型RMSE（均方根誤差）分別為0.7、0.6、0.8℃，陰天預(yù)報(bào)模型精度較晴天、多云天高；00：00～07：00、08：00～17：00、18：00～23：003個(gè)時(shí)段預(yù)報(bào)模型RMSE分別為0.6、0.7、0.6℃，00：00～07：00、18：00～23：00時(shí)段預(yù)報(bào)模型精度較08：00～17：00時(shí)段高；未來(lái)1、2、3d預(yù)報(bào)模型RMSE為0.5、0.6、0.8℃，預(yù)報(bào)精度隨預(yù)報(bào)時(shí)效延長(zhǎng)逐漸降低。

日光溫室；地溫；預(yù)報(bào)模型

日光溫室主要用于園藝作物，尤其是蔬菜的冬季反季節(jié)生產(chǎn)，在其生產(chǎn)過(guò)程中，地溫是直接影響蔬菜播種、定植、生長(zhǎng)發(fā)育的重要?dú)庀笠蜃又唬琖alker（1969）研究表明，地溫變化1℃就能引起植物生長(zhǎng)的明顯變化。若地溫低于作物根系生理活動(dòng)所需溫度，根系生長(zhǎng)將受阻，導(dǎo)致生長(zhǎng)不良，甚至死亡（姜會(huì)飛 等，2004）。關(guān)于溫室內(nèi)地溫的相關(guān)研究國(guó)內(nèi)外已有大量報(bào)道，Kurpaska和Slipek（1996）觀(guān)測(cè)了加熱條件下不同深度土壤的溫度變化規(guī)律，為溫室熱環(huán)境模擬提供參數(shù)；Salomez和Hofman（2007）將溫室內(nèi)10cm地溫作為輸入量構(gòu)建了葉用萵苣生長(zhǎng)模型；白增森等（1998）基于試驗(yàn)觀(guān)測(cè)，對(duì)冬季日光溫室氣溫、地溫變化特征進(jìn)行了描述；趙統(tǒng)利等（2008）對(duì)不同天氣條件下日光溫室內(nèi)不同深度地溫的日變化規(guī)律進(jìn)行了研究；佟國(guó)紅等（2010）采用CFD模擬技術(shù)，揭示了溫室內(nèi)地溫邊際效應(yīng)特征；云興福和張津來(lái)（1992）通過(guò)揭示太陽(yáng)高度角與溫室內(nèi)氣—地間溫度關(guān)系，以太陽(yáng)高度角為驅(qū)動(dòng)因子對(duì)溫室旬平均氣溫、地溫進(jìn)行了預(yù)報(bào)；張仁祖等（2009）認(rèn)為5cm地溫與2 h前的室內(nèi)氣溫存在較好相關(guān)關(guān)系，基于相鄰時(shí)次（以小時(shí)為時(shí)間間隔）溫室內(nèi)氣溫建立了地面和5cm地溫的預(yù)報(bào)模型；何雨等（2005）利用傳熱學(xué)理論，建立30min內(nèi)溫室內(nèi)、外氣象條件對(duì)室內(nèi)地溫影響的理論預(yù)報(bào)模型。國(guó)外學(xué)者的研究基本是針對(duì)現(xiàn)代溫室而開(kāi)展的，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究大部分集中在對(duì)溫室地溫變化特征進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，而地溫模型的構(gòu)建，或者啟動(dòng)因子單一，預(yù)報(bào)精度受到限制，或者是預(yù)報(bào)時(shí)效短，無(wú)法在氣象保障服務(wù)中得到應(yīng)用。

本試驗(yàn)擬通過(guò)觀(guān)測(cè)番茄（Lycopersicon esculentummill.）日光溫室不同深度地溫，構(gòu)建冬季溫室內(nèi)未來(lái)3d10cm地溫動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型，旨在為山東地區(qū)日光溫室未來(lái)地溫預(yù)報(bào)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)指導(dǎo)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)具有應(yīng)用和參考價(jià)值，對(duì)保障區(qū)域糧食生產(chǎn)安全等具有指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2007～2011年冬季（12月至翌年2月）在山東省萊蕪市大下農(nóng)場(chǎng)10號(hào)日光溫室內(nèi)進(jìn)行觀(guān)測(cè)。試驗(yàn)溫室坐北朝南，東西長(zhǎng)60m，南北跨度10m，脊高3m，東、西、北3面墻是厚度為1m的實(shí)土墻，前屋面覆蓋聚乙烯無(wú)滴膜，溫室內(nèi)種植番茄，10月播種，11～12月定植，翌年3～4月開(kāi)始采收。

溫室小氣候觀(guān)測(cè)要素包括室內(nèi)氣溫、濕度、輻射和地溫（0、5、10、20、40cm），觀(guān)測(cè)儀器為ZQZ-A自動(dòng)氣象站，數(shù)據(jù)采集頻次為1次·h-1。溫室外氣象資料來(lái)源于萊蕪市氣象局。

1.2 資料處理與分析

日光溫室主要能量來(lái)源于太陽(yáng)輻射，不同天氣類(lèi)型對(duì)溫室內(nèi)小氣候影響存在較大差異，按照日照百分率法（P=日照時(shí)數(shù)/可照時(shí)數(shù)）將天氣劃分為晴天、多云天和陰天3種類(lèi)型。其中，P≥0.6為晴天；0.2＜P＜0.6為多云天；P≤0.2視為陰天。預(yù)報(bào)模型主要采用逐步回歸方法構(gòu)建。

1.3 模型檢驗(yàn)

模型精度采用觀(guān)測(cè)值與預(yù)報(bào)值之間的均方差根RMSE（rootmean squared error）值進(jìn)行檢驗(yàn)，RMSE值越小，表明模型預(yù)報(bào)精度越高。用觀(guān)測(cè)值與預(yù)報(bào)值之間1∶1關(guān)系圖顯示模型擬合度和可靠性。

式中，Oi、Si、N分別表示觀(guān)測(cè)值、預(yù)報(bào)值和樣本數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季日光溫室內(nèi)地溫變化特征

2.1.1 日光溫室內(nèi)地溫時(shí)空變化特征 由圖1可知，溫室內(nèi)不同深度地溫之間變化趨勢(shì)基本一致，地溫的變化幅度受天氣類(lèi)型影響較大，晴天地溫增溫幅度最大，多云天次之，陰天最小，其次無(wú)論晴天、陰天還是多云天，隨著土壤深度的加深，地溫變化幅度逐漸減小。

2.1.2 日光溫室內(nèi)平均最高地溫時(shí)空變化特征

由表1可知，溫室內(nèi)地面溫度平均最高值出現(xiàn)在14：00左右，5、10、20、40cm地溫平均最高溫出現(xiàn)時(shí)間較地面分別推遲1、2～3、7～10、9～18 h；隨著土層的加深，地溫變化具有滯后性，且深度越深，滯后時(shí)間越長(zhǎng)。另外，天氣類(lèi)型對(duì)地溫平均最高值出現(xiàn)時(shí)間有一定影響，與晴天相比，多云天、陰天除T0、T5沒(méi)有變化，T10提前1 h外，分別推遲1～5、3～9 h。2.1.3 日光溫室內(nèi)地溫平均日較差變化特征

由表1可知，3種天氣類(lèi)型下地面溫度、5cm、10cm、20cm、40cm地溫平均日較差分別為9.9、5.6、3.1、1.2、0.2℃，隨著土壤深度的加深，其平均日較差逐漸減小；另外，不同天氣類(lèi)型下，地溫平均日較差亦存在較大差異，晴天、多云天、陰天不同深度地溫平均日較差分別為5.8、4.2、2.1℃，晴天地溫平均日較差最大，其次為多云天、陰天。

2.2 溫室地溫預(yù)報(bào)模型構(gòu)建

按照晴天、多云天和陰天3種天氣類(lèi)型，分別統(tǒng)計(jì)分析2007～2011年冬季溫室內(nèi)地溫與溫室內(nèi)外氣象要素觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，充分考慮氣溫對(duì)地溫影響的滯后效應(yīng)和數(shù)據(jù)的可獲取性，分別構(gòu)建未來(lái)1、2、3d溫室內(nèi)逐時(shí)地溫預(yù)報(bào)模型。由表2、3、4可見(jiàn)，除未來(lái)3d8：00～17：00時(shí)段外，其他預(yù)報(bào)模型決定系數(shù)（R2）均大于或等于0.80；其中，未來(lái)1d10cm逐時(shí)地溫受到當(dāng)日及前一日室外最高氣溫、最低氣溫和前一日室內(nèi)10cm地溫的影響較大，未來(lái)2、3d10cm逐時(shí)地溫預(yù)報(bào)模型中，預(yù)報(bào)因子的選取主要為前一日、前兩日室外最高氣溫、最低氣溫及前期不同時(shí)段室內(nèi)10cm逐時(shí)地溫，其中前期不同時(shí)段室內(nèi)10cm逐時(shí)地溫均為預(yù)報(bào)值。由于構(gòu)建的是逐時(shí)地溫預(yù)報(bào)模型，除陰天00：00～07：00、18：00～23：00時(shí)段（因陰天、多云天、晴天預(yù)報(bào)模型較多，未列出陰天及多云天模型，只列出晴天預(yù)報(bào)模型），其他預(yù)報(bào)模型中時(shí)間均作為啟動(dòng)因子被引入，取值為未來(lái)24 h的時(shí)間序數(shù)，即x=0，1，2…23。

圖1 2007～2011年冬季不同天氣類(lèi)型條件下溫室內(nèi)不同深度地溫日變化

表1 2007～2011年冬季不同天氣類(lèi)型溫室內(nèi)不同深度地溫平均最高值及平均日較差

表2 12月至翌年2月晴天溫室內(nèi)未來(lái)1d10cm逐時(shí)地溫預(yù)報(bào)模型

表3 12月至翌年2月晴天溫室內(nèi)未來(lái)2d10cm逐時(shí)地溫預(yù)報(bào)模型

表4 12月至翌年2月晴天溫室內(nèi)未來(lái)3d10cm逐時(shí)地溫預(yù)報(bào)模型

2.3 模型檢驗(yàn)

將2012年冬季的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)帶入所構(gòu)建的未來(lái)1、2、3d10cm逐時(shí)地溫預(yù)報(bào)模型中，可獲得其預(yù)報(bào)值，經(jīng)與實(shí)測(cè)值相比，未來(lái)1、2、3d10cm逐時(shí)地溫絕對(duì)誤差平均為0.4、0.5、0.8℃，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)，誤差呈現(xiàn)為增大趨勢(shì)。晴天、多云天、陰天3類(lèi)天氣條件下的平均誤差分別為0.5、0.7、0.5℃，多云條件下預(yù)報(bào)誤差較其他天氣類(lèi)型大（表5）。

圖2、3、4為晴天條件下溫室內(nèi)未來(lái)1、2、3d10cm逐時(shí)地溫預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值1∶1對(duì)比效果。通過(guò)圖2、3、4可以直觀(guān)清晰地進(jìn)行模型檢驗(yàn)。RMSE是2012年萊蕪冬季未來(lái)1、2、3d10cm逐時(shí)地溫預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn)結(jié)果值。晴天、多云、陰天3類(lèi)天氣條件下的RMSE平均值分別為0.7、0.8、0.6℃，00：00～07：00、08：00～17：00、18：00～23：003 個(gè)時(shí)段的RMSE平均值為0.6、0.7、0.6℃，未來(lái)1、2、3d10cm逐時(shí)地溫的RMSE平均為0.5、0.6、0.8℃，RMSE值均低于最高地溫25℃的10%，預(yù)報(bào)效果理想。

表5 2012年冬季不同天氣類(lèi)型溫室內(nèi)未來(lái)1、2、3d10cm逐時(shí)地溫預(yù)報(bào)誤差

圖2 萊蕪市2012年12月至2013年2月晴天條件下溫室內(nèi)未來(lái)1d10cm地溫實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)值1∶1對(duì)比效果圖

圖3 萊蕪市2012年12月至2013年2月晴天條件下溫室內(nèi)未來(lái)2d10cm地溫實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)值1∶1對(duì)比效果圖

圖4 萊蕪市2012年12月至2013年2月晴天條件下溫室內(nèi)未來(lái)3d10cm地溫實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)值1∶1對(duì)比效果圖

3 結(jié)論與討論

3.1 溫室內(nèi)地溫變化規(guī)律

不同天氣類(lèi)型，溫室內(nèi)地溫平均日較差為晴天最大，多云天次之，陰天最??；不同深度地溫平均日較差為地面最大，依次為5、10、20、40cm地溫，這是由于晴天土壤吸收太陽(yáng)輻射儲(chǔ)存熱量多，溫度升高快，陰天外界氣溫低，溫室生產(chǎn)管理者開(kāi)棚時(shí)間短甚至不開(kāi)棚，白天基本沒(méi)有太陽(yáng)輻射，地溫升溫緩慢；同時(shí)地面向地下傳輸熱量是一個(gè)緩慢的過(guò)程，使得深層地溫變化存在滯后性。

3.2 預(yù)報(bào)模型誤差分析

溫室內(nèi)地溫在不同天氣類(lèi)型、一天中不同時(shí)段受到太陽(yáng)輻射影響、溫室生產(chǎn)管理等因素的影響，變化規(guī)律也存在較大差異；另外，鑒于溫室內(nèi)作物根系的生理活動(dòng)多在地下深度10cm左右（劉可群 等，2008），因此本試驗(yàn)根據(jù)不同天氣類(lèi)型、一天中不同時(shí)段的日光溫室內(nèi)、外氣象因子（張仁祖 等，2009）及地溫間的相關(guān)關(guān)系構(gòu)建對(duì)溫室內(nèi)10cm地溫預(yù)報(bào)模型。

檢驗(yàn)結(jié)果表明，陰天條件下預(yù)報(bào)精度較多云天、晴天高，主要是在缺乏太陽(yáng)輻射情況下，溫室內(nèi)由于得不到能量補(bǔ)充而氣溫偏低，為了保溫，生產(chǎn)者?？s短溫室通風(fēng)時(shí)間甚至不通風(fēng)，避免了過(guò)多的人為干擾；同樣，一天3個(gè)時(shí)段中，00：00～07：00、18：00～23：00時(shí)段預(yù)報(bào)效果較08：00～17：00好，主要也是由于白天通風(fēng)等生產(chǎn)管理干擾了其自身的溫度變化特征，而在夜間蓋苫到清晨揭苫前，溫室內(nèi)處于封閉狀態(tài)，影響室內(nèi)地溫變化的因子相對(duì)較少，故預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高。不同天氣類(lèi)型條件、不同時(shí)段，未來(lái)1、2、3d10cm地溫預(yù)報(bào)值具有較高的精度，且未來(lái)1d模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高，其次是2、3d，隨預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率降低，這是由于預(yù)報(bào)獲得的未來(lái)2、3d溫室內(nèi)10cm逐時(shí)地溫與實(shí)測(cè)值存在一定的誤差，將其作為預(yù)報(bào)因子，會(huì)降低模型的準(zhǔn)確率。

影響地溫變化的因素很多，本試驗(yàn)在模型構(gòu)建過(guò)程中主要是采用統(tǒng)計(jì)方法，未考慮不同深度間土壤熱傳導(dǎo)等物理過(guò)程（吳德讓 等，1994；楊麗中 等，2010），使模型的預(yù)報(bào)存在一定誤差，需進(jìn)一步完善。

3.3 設(shè)施農(nóng)業(yè)地溫研究展望

由于影響地溫變化的因素很多，不同日光溫室薄膜材料、透光率、通風(fēng)管理，以及種植作物的種類(lèi)與種植面積的差異直接影響著地面接收太陽(yáng)輻射的多少及近地層大氣與土壤的熱量交換程度（巴彥，2005），溫室內(nèi)能量平衡存在差異，有待于在今后的科研工作中進(jìn)一步研究，以提高溫室地溫預(yù)報(bào)精度。

本試驗(yàn)針對(duì)晴天、多云天、陰天3種天氣類(lèi)型分別構(gòu)建地溫預(yù)報(bào)模型，在正常的天氣條件下預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高，但在大風(fēng)、降雨、降雪等極端天氣條件下，其預(yù)報(bào)精度受到制約，需要加強(qiáng)災(zāi)害性天氣（李強(qiáng)和章芳，2007）條件下的預(yù)報(bào)模型構(gòu)建。

巴彥.2005.草地不同蓋度條件下地溫變化規(guī)律初探.內(nèi)蒙古氣象，（4）：27-29.

白增森，郭秀芳，丁玉川，張敬中.1998.日光溫室嚴(yán)冬季節(jié)氣溫與地溫的變化特征.中國(guó)蔬菜，（3）：31-32.

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姜會(huì)飛，廖樹(shù)華，葉爾克江，阿帕爾.2004.地面溫度與氣溫關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，25（3）：1-4.

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佟國(guó)紅，王鐵良，白義奎，劉文合，于威，趙榮飛.2010.日光溫室土壤溫度分布邊際效應(yīng)的數(shù)值模擬.北方園藝，（15）：65-68.

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Studies ongeothermal Temperature Forecasting Technology in Solargreenhouse

YANGdan1，2，XUE Xiao-ping2*，LI Nan2，WANG Hong-bo1，DU Hai-bo1
（1Metrology Bureau of Hegang City，Hegang154100，Heilongjiang，China；2Climate Center of Shandong Province，Jinan250031，Shandong，China）

According to themeteorologicaldata observed inside and outside the solargreenhouse（December to next February）from2007 to2011，this paper analyzes thegeothermal temperature changing characteristic inside and outside the solargreenhouse，and its relationship withmeteorological elements inside and outside the solargreenhouse underdifferent weather conditions：sunny，overcast and cloudydays.Taking themetrological factors inside and outside of solargreenhouse as promoter，we constructed a hourlygeothermal temperature of10cm forecastmodel for3days in the future.The results indicated that thegeothermal temperature inside the solargreenhouse was closely related to the temperature.Thegeothermal temperature of10cm inside thegreenhouse was highly correlated with the lowest and highest temperatures outside the solargreenhouse on thatday and theday before；and in the3days hourlygeothermal temperature of10cm forecastmodel，the forecastmodel RMSE for sunny，overcast and cloudydays were0.7，0.6，0.8℃，respectively. The forecastmodel accuracy for overcastday is higher than that for sunny and cloudydays.The forecastmodel RMSE of00：00-07：00，08：00-17：00 and18：00-23：00 were0.6，0.7，0.6℃，respectively.And the forecastmodel accuracy of00：00-07：00，18：00-23：00 were higher than that of08：00-17：00.The forecastmodel RMSE for the nextday，the next2days and the next3days were0.5，0.6，0.8℃，and the forecast accuracy wasgraduallydecreased with the prediction time extension.

Solargreenhouse；Geothermal temperature；Forecastmodel

S625.5+1

A

1000-6346（2013）20-0054-07

2013-04-16；接受日期：2013-06-23

公益性行業(yè)（氣象）科研專(zhuān)項(xiàng)〔GYHY（QX）201006028，GYHY（QX）2010200906023〕

楊丹，女，助理工程師，專(zhuān)業(yè)方向：農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)與服務(wù)，E-mail：yang1859@126.com

* 通訊作者（Corresponding author）：薛曉萍，女，研究員，碩士生導(dǎo)師，專(zhuān)業(yè)方向：農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)與服務(wù)，E-mail：xxpdhy@163.com