鄭州霧霾寡照天氣大棚小氣候特征及低溫預報

程芳芳等

摘 要：利用2012—2013年及2013—2014年2個冬季的大棚內(nèi)外氣象觀測資料，對霧霾寡照天氣條件下大棚內(nèi)小氣候特征進行分析，并采用逐步回歸分析的方法，建立寡照天氣大棚內(nèi)最低氣溫預報方程，用該方程對2014年3月霧霾寡照天氣棚內(nèi)最低氣溫進行預報，絕對誤差值均小于2℃，預報效果較好。同時提出了霧霾寡照天氣條件下大棚生產(chǎn)管理措施，有效預防和抵御災害。

關(guān)鍵詞：大棚；霧霾；寡照；低溫；預報

中圖分類號：S626.5 文獻標志碼：A 論文編號：2014-0655

Abstract： Microclimatic characteristics of a winter greenhouse were analyzed with meteorological observations during early Spring and Winter in 2013 and 2014. The lowest temperature prediction model inside the greenhouse for scant lighting days was established by adopting stepwise regression， and the model was applied to predict daily lowest temperature in scant lighting greenhouse for March 2014. Results indicated that the model performed well with absolute prediction errors less than 2℃. The production management measures were addressed as well to prevent and defense disasters according to the potential damages induced by smog weather.

Key words： Greenhouse； Smog； Scant Lighting； Lowest Temperature； Prediction

0 引言

近年來，鄭州霧霾天氣多發(fā)頻發(fā)，成為民眾和政府高度重視的環(huán)境問題。霧霾是霧和霾的組合詞，霧是指在接近地球表面、大氣中懸浮的由小水滴或冰晶組成的水汽凝結(jié)物；霾是指因大量煙、塵等微粒懸浮而形成的渾濁現(xiàn)象。霧霾天氣空氣質(zhì)量差，能見度低，影響身體健康、交通安全等；持續(xù)霧霾天氣時光照不足，給農(nóng)業(yè)也帶來影響，特別對設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會造成嚴重影響，成為近年來影響設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要氣象災害之一。霧霾寡照天氣條件下棚內(nèi)溫度低、濕度大，作物生長緩慢、抗性降低，極易發(fā)生病害，導致蔬菜生長受阻或生Q長發(fā)育不良[1]，嚴重時導致死亡，造成嚴重損失，制約設施農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展。

近10年來國內(nèi)學者在棚內(nèi)小氣候環(huán)境及其外界氣象條件的關(guān)系、低溫寡照對棚內(nèi)作物的影響、日光溫室氣象災害風險分析、以及從熱力學角度對大棚保溫性能改善等方面的研究取得了一定的進展，如崔建云等[2-7]研究了日光溫室小氣候特征及其與外界的關(guān)系，徐鳳霞等[8-10]研究了低溫寡照天氣對設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，魏瑞江等[11-14]對日光溫室氣象災害風險進行了分析和評價，李小芳等[15-18]從熱力學角度構(gòu)建了日光溫室數(shù)學模型并對溫室結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。這些研究成果為設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了技術(shù)保證。然而隨著近年來霧霾日數(shù)呈不斷增加的趨勢，霧霾寡照天氣對設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及防御方面的研究顯的尤為迫切，迄今為止，對鄭州大棚蔬菜生產(chǎn)期間霧霾天氣狀況下小氣候特征的相關(guān)研究尚未見報道。因此，本文結(jié)合鄭州市設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點，對霧霾寡照天氣條件下大棚內(nèi)小氣候特征進行分析，用逐步回歸的方法建立了大棚內(nèi)最低氣溫的預報方程，并提出預防和防御對策，為鄭州市現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)服務，為進一步提高鄭州市設施農(nóng)業(yè)抵御災害能力，提高生產(chǎn)效益提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

試驗研究于2012年11月—2013年3月、2013年11月—2014年2月2個冬季在河南省鄭州市惠濟區(qū)黃河農(nóng)牧場進行。蔬菜大棚東西走向，長75.0 m，寬8.05 m，脊高3.81 m，后墻高2.75 m，后坡面寬1.9 m，后墻和東西山墻為磚夾墻，墻體厚0.75 m，棚膜材料為PVC薄膜，薄膜外層為草簾加膜，電動馬達控制草苫覆蓋，山墻上設有通風口，棚膜可以移動位置通風，棚內(nèi)種植草莓。

室內(nèi)外各安裝1套華云升達（北京）氣象科技有限責任公司生產(chǎn)的CAWS型自動氣象站，可以自動連續(xù)采集棚內(nèi)、外多點空氣溫度、濕度、CO2濃度、太陽輻射、光合有效輻射、日照時數(shù)、土壤溫度、濕度等，數(shù)據(jù)資料通過GPRS網(wǎng)絡傳輸至鄭州市氣象局服務器進行存貯處理。

對2個冬季大棚內(nèi)外的氣象數(shù)據(jù)資料進行了統(tǒng)計分析；選取2013年1月28日—2月1日及2013年12月15日—26日兩次霧霾寡照天氣過程對大棚內(nèi)小氣候特征進行分析；從2個冬季共272天中挑取91個寡照天氣數(shù)據(jù)資料建立低溫預報方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧霾寡照天氣大棚內(nèi)氣溫變化特征分析

1月28日—2月1日是一次較為嚴重的霧霾寡照天氣過程，其中1月28日和2月1日分別有0.8 h和2.1 h的日照，棚內(nèi)最高氣溫在午后分別升到了20.9℃和19.4℃，1月29—31日連續(xù)3天日照時數(shù)均為0，棚內(nèi)氣溫呈連續(xù)下降趨勢，日最高氣溫降到了10℃以下，到1月31日日最低氣溫降到了5.1℃（圖1）。

12月15—26日是一次持續(xù)時間較長的霧霾寡照天氣過程，棚室內(nèi)最低氣溫呈持續(xù)下降趨勢，12月24日降到了4.9℃，其中12月19—23日霧霾程度稍輕，有1.9～5.3 h光照，棚內(nèi)最高氣溫在午后有較大幅度升溫（圖1）。

草莓植株正常生長、花芽分化以及開花結(jié)果的下限溫度為5℃，溫度達到5℃時草莓植株地上部才開始生長，低于5℃花芽分化停止，授粉受精受到影響，進而影響種子發(fā)育，產(chǎn)生畸形果[19]。據(jù)實驗點連續(xù)觀測結(jié)果：2個冬季的持續(xù)低溫霧霾寡照天氣使得草莓植株生長緩慢，長勢較弱，果實個頭小，品質(zhì)和產(chǎn)量下降。據(jù)鄭州市農(nóng)業(yè)部門統(tǒng)計，由于2013年冬季低溫寡照的影響，全市蔬菜生產(chǎn)遭受嚴重損失，大棚蔬菜產(chǎn)量下降30%～60%，個別小青菜絕收；由于光照不足，還造成蔬菜生長速度慢，植株生長勢弱、抵抗力低下，病害多發(fā)，蔬菜質(zhì)量下降。

2.2 霧霾寡照天氣大棚內(nèi)20 cm地溫變化特征分析

2013年1月28日—2月1日棚內(nèi)20 cm地溫持續(xù)下降，直到2月1日下午開始回升。2013年12月15—26日20 cm地溫總體上呈明顯下降趨勢，由于19—22日有光照，20 cm地溫在午后有小幅回升（圖2）。

2.3 霧霾寡照天氣大棚內(nèi)濕度變化特征分析

連陰期間，棚內(nèi)相對濕度大。2013年1月28日—2月1日，除了1月28日和2月1日的午后有短暫時間相對濕度在90%以上，其余時間段相對濕度都大于100%，棚內(nèi)水汽長時間處于過飽和狀態(tài)；2013年12月15—26日，除了有光照期間相對濕度有短暫時間下降外，其余大部分時間段相對濕度都在80%以上（圖3）。棚內(nèi)較高的濕度是誘發(fā)病害發(fā)生的重要因素，因此在低溫連陰期間一定要采取適當通風、調(diào)整施藥方式等多種措施降低棚內(nèi)濕度，抑制病害發(fā)生流行。

2.4 大棚內(nèi)最低氣溫預報

最低溫度是限制作物生長的重要因素，不同品種、不同發(fā)育期對溫度有不同的要求，低于一定的溫度，作物會停止生長甚至形成災害。低溫是影響鄭州地區(qū)冬季大棚作物生長的主要氣象災害之一，因此提前預報棚內(nèi)最低氣溫，及時采取措施進行棚內(nèi)溫度調(diào)節(jié)，可達到防災減災的目的。

本研究對2012年11月—2013年3月和2013年11月—2014年2月2個冬季共272天的氣象數(shù)據(jù)資料進行統(tǒng)計分析，按照日照百分率0≤S≤20%為寡照天氣的劃分標準，挑取91個寡照天氣數(shù)據(jù)資料建立最低氣溫預報方程。初步選取棚內(nèi)最低氣溫、棚外最低氣溫、棚外最高氣溫、棚外總輻射累計、棚外有效輻射累計、棚內(nèi)總輻射累計、棚內(nèi)有效輻射累計、棚內(nèi)相對濕度、棚內(nèi)20 cm最高地溫、棚內(nèi)20 cm平均地溫、棚內(nèi)20 cm最低地溫等因子，利用DPS軟件進行相關(guān)性分析，進行因子篩選，并采用逐步回歸分析的方法，建立以下方程：

T內(nèi)min=-3.958+0.292T外min+0.782T內(nèi)20min-1

公式中：T內(nèi)min為棚內(nèi)最低氣溫預報值，T外min為棚外最低氣溫預報值，T內(nèi)20min-1為前1天棚內(nèi)20 cm最低地溫。

方程通過了0.001的顯著性水平檢驗，F(xiàn)=382.364，R2=0.948。該方程最低氣溫觀測值與擬合值絕對誤差98%小于2℃，同時用該方程對2014年3月霧霾寡照天氣棚內(nèi)最低氣溫進行預報，絕對誤差值均小于2℃（圖4），因此，用該方程來做寡照天氣大棚內(nèi)最低氣溫預報效果良好，已應用于實際業(yè)務服務，預報和發(fā)布鄭州市蔬菜大棚溫度預報。

3 霧霾寡照天氣生產(chǎn)管理措施

低溫霧霾寡照天氣對設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分不利，要采取各種措施保障大棚蔬菜水果的正常生長，避免造成損失。

（1）增溫。在預報棚內(nèi)氣溫較低時，可在大棚周圍燃燒秸稈樹葉熏煙，以減少大棚的熱量向高空輻射，減少熱量散失。（2）及時通風。只要棚內(nèi)溫度允許，就要盡量放風，降低棚內(nèi)濕度，可有效防止病害的發(fā)生和流行。（3）噴施藥劑。有針對性地利用專用殺菌劑進行預防和防治，抑制病害的發(fā)生和發(fā)展。施藥方式采用煙劑或粉劑，避免棚內(nèi)濕度升高。（4）連陰天時，在不影響棚內(nèi)蔬菜對溫度要求前提下，白天盡量揭開草苫，使蔬菜接受散射光照射，不可以連續(xù)幾天不揭草苫。（5）補光。利用專用日光燈、水銀燈、碘鎢燈、返光幕等具有增強光照的設施，將棚內(nèi)光照強度提高到光補償點以上（草莓的光補償點較低，為0.5萬～1.0萬lx），使作物有充足的光照進行光合作用，避免寡照天氣的不良影響。（6）噴施葉面肥。葉面噴施尿素、噴施寶及各種新產(chǎn)專用葉面肥，提高光合作用能力。（7）及時清理植株的老葉、病葉、死葉，改善棚內(nèi)蔬菜光照條件，避免病害傳播。（8）選擇溫度高時，清掃或水洗棚膜，保持棚膜清潔，提高透光率。

4 結(jié)論與討論

（1）低溫寡照天氣條件下棚內(nèi)氣溫及20 cm地溫均呈明顯下降趨勢，最低氣溫甚至降到了5℃以下，相對濕度又持續(xù)較高，對棚內(nèi)蔬菜水果的生長十分不利。

（2）本研究采用逐步回歸的方法，建立了寡照天氣棚內(nèi)最低氣溫預報方程，且預報效果好，已在實際服務中應用，并針對低溫寡照天氣提出了預防和防御措施，可有效提高大棚抵御災害的能力。

（3）本研究中使用了2個冬季的觀測資料，時間序列較短，隨著資料的積累和研究的深入，預報結(jié)果在精度上會進一步提高。

（4）半地下式日光溫室保溫性明顯優(yōu)于普通日光溫室[20]，筆者在試驗研究中也發(fā)現(xiàn)，同樣的天氣條件下，半地下式溫室內(nèi)最低氣溫較普通溫室平均可提高3.4℃，增溫效果明顯。目前鄭州地區(qū)半地下式日光溫室還沒有普遍推廣，因此可大力發(fā)展半地下式日光溫室，為室內(nèi)作物生長提供較好的溫度環(huán)境，減少低溫災害造成損失。

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