內(nèi)蒙古地區(qū)日光溫室氣溫預(yù)報方法及指標(biāo)研究

金林雪，吳瑞芬，張 超

（內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010050）

近年來，內(nèi)蒙古設(shè)施農(nóng)業(yè)得到大力發(fā)展，目前設(shè)施果蔬的生產(chǎn)涉及春、夏、秋、冬各個季節(jié)，對淡季蔬菜供應(yīng)起到重要支撐作用，同時也成為農(nóng)民增收的重要途徑[1]。溫度是影響作物生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成的最重要的環(huán)境因子之一，高寒地區(qū)的氣溫要素對日光溫室生產(chǎn)影響突出。因此，開展氣溫的模擬和預(yù)測對于溫室管理和調(diào)控十分必要。國內(nèi)外不少學(xué)者在日光溫室內(nèi)小氣候及其與外界氣象條件關(guān)系的研究上取得了一系列成果[2-8]。實際生產(chǎn)表明，內(nèi)蒙古地區(qū)氣候條件總體優(yōu)越，但由于東西跨度大，從東到西地貌及氣候條件復(fù)雜多樣，而日光溫室生產(chǎn)有較強的地域性。因此，根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H的氣候特點安排日光溫室生產(chǎn)可以有針對性地采取措施，改善溫室小氣候環(huán)境，最大限度地避免不利氣候條件帶來的損失。

目前，已有不少關(guān)于內(nèi)蒙古地區(qū)日光溫室小氣候的研究，但多側(cè)重于單一區(qū)域[9-11]，對于內(nèi)蒙古東部、中部、西部地區(qū)等較大范圍溫室預(yù)測預(yù)報方面的研究尚未見報道，建立的預(yù)報模型不夠全面。另外，由于內(nèi)蒙古地區(qū)為寒潮天氣多發(fā)地，因而低溫對設(shè)施作物生長影響較大，常常造成嚴(yán)重減產(chǎn)[12]，而相關(guān)的溫室低溫服務(wù)指標(biāo)研究基本處于空白階段。因此，本文以內(nèi)蒙古地區(qū)近4年建設(shè)的日光溫室小氣候站的氣溫資料為基礎(chǔ)，對內(nèi)蒙古東、中、西部區(qū)日光溫室氣溫預(yù)測方法及指標(biāo)進(jìn)行研究，以期為當(dāng)?shù)匾虻刂埔税l(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)提供參考。尤其在強冷空氣來臨之前，結(jié)合天氣預(yù)報建立適合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實際的低溫預(yù)報模型，及時發(fā)布相關(guān)預(yù)報預(yù)警，對內(nèi)蒙古地區(qū)氣象為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)具有重要的社會意義和明顯的經(jīng)濟效益。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究分別以內(nèi)蒙古赤峰市寧城縣、呼和浩特市賽罕區(qū)、巴彥淖爾市杭錦后旗的日光溫室作為代表東部、中部、西部的研究站點。其中，東部研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市南部，地處燕山山脈東段北緣，年平均氣溫7.3℃，全年日照時數(shù)2824.4 h；中部研究區(qū)位于呼和浩特市城區(qū)的東南部，年平均氣溫7.4℃，全年日照時數(shù)2729.9 h；西部研究區(qū)位于巴彥淖爾市杭錦后旗，年平均氣溫7.9℃，全年日照時數(shù)3217.2 h；東、中、西部太陽輻射和日照時數(shù)均較充足，發(fā)展日光溫室具有優(yōu)越的光能資源，但高寒地區(qū)的溫度條件是制約日光溫室生產(chǎn)的主要因素。研究區(qū)日光溫室具體參數(shù)見表1，這種溫室普遍適用于北方高寒區(qū)周年果蔬生產(chǎn)。

表1 內(nèi)蒙古不同區(qū)域日光溫室相關(guān)參數(shù)

1.2 觀測內(nèi)容與方法

本研究選用的資料時段為2011—2013年溫室內(nèi)氣溫逐小時觀測數(shù)據(jù)；選用的驗證數(shù)據(jù)為2014年度溫室內(nèi)氣溫逐小時觀測數(shù)據(jù)，該時段的數(shù)據(jù)不參與模型建立；測量高度150 cm，與室外氣象觀測站點高度一致。溫室外部溫度觀測資料使用2011—2014年同期距離日光溫室最近，且氣候條件近似的區(qū)域自動站數(shù)據(jù)，自動站為每小時觀測一次：寧城縣（站號 C54320）、呼和浩特市（站號 C53463）、杭錦后旗（站號C53420）。按照農(nóng)事活動和物候現(xiàn)象對季節(jié)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[13]，在現(xiàn)有資料序列中，以3—4月代表春季，10—11月代表秋季，12月至次年2月代表冬季。主要研究晴天天氣類型：根據(jù)地面觀測規(guī)范對天氣條件的劃分標(biāo)準(zhǔn)，即日平均總云量0～2成為晴天；一日時段劃分為白天（8：00—17：00時）、夜間（18：00時至次日 7：00時），其中 7：00—7：59時段屬于夜間、17：00—17：59時段屬于白天。同時，收集整理不同果蔬生長發(fā)育的低溫指標(biāo)。

主要采用相關(guān)分析和回歸分析法，將晴天條件下不同季節(jié)、不同區(qū)域和一日不同時段的室內(nèi)外觀測資料及其與時間變化進(jìn)行回歸分析，利用Excel及Spss軟件，通過逐步回歸的方法，建立室內(nèi)氣溫預(yù)測模型，并采用F檢驗法對預(yù)報模型進(jìn)行顯著性檢驗；根據(jù)溫室預(yù)報模型，反演溫室外低溫服務(wù)指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)蒙古不同區(qū)域溫室氣溫預(yù)報模型

2.1.1 溫室氣溫日變化模擬 利用內(nèi)蒙古東、中、西部不同季節(jié)典型晴天條件下白天和夜間室內(nèi)氣溫，將一日中兩個時段內(nèi)的北京時間分別轉(zhuǎn)換時序，即白天（8：00—17：00時）8：00時為 x=1，9：00時為 x=2，……，16：00 時為 x=9，17：00 時為 x=10；同樣，夜間（18：00時至次日 7：00時）18：00時為 x=1，……，00：00 時為 x=7，1：00 時為 x=8，……，7：00 時為 x=14（y為對應(yīng)時序的溫室內(nèi)氣溫）。根據(jù)溫室氣溫變化特征，分別對不同季節(jié)晴天條件下白天和夜間室內(nèi)氣溫與其對應(yīng)的時序進(jìn)行二次曲線估計分析，建立不同區(qū)域春、秋、冬季室內(nèi)氣溫日變化模擬方程（表2）。由表2可知，不同區(qū)域、不同季節(jié)、不同時段的擬合回歸方程判定系數(shù)均在0.90以上，均通過0.01水平置信檢驗，表明所得的擬合方程具有較高的擬合度，可以用來進(jìn)行預(yù)測，即通過表2中的方程可以估測不同區(qū)域、季節(jié)日光溫室內(nèi)任一時刻的氣溫；模擬效果夜間明顯好于白天，西部區(qū)好于中、東部。

表2 內(nèi)蒙古晴天條件下不同區(qū)域、季節(jié)、時段溫室氣溫日變化模擬方程

2.1.2 溫室最低、最高氣溫模擬 常規(guī)天氣預(yù)報中定量化預(yù)報的業(yè)務(wù)包括最高氣溫及最低氣溫。因此，在做日光溫室內(nèi)最高、最低氣溫預(yù)報時，篩選不同區(qū)域、不同季節(jié)典型晴天日的溫室內(nèi)外氣溫數(shù)據(jù)，除個別缺測日期的不完整數(shù)據(jù)，用有效數(shù)據(jù)分別對同一日溫室內(nèi)外最低、最高氣溫進(jìn)行相關(guān)分析，以溫室內(nèi)最低、最高氣溫為因變量，以同一日溫室外最低、最高氣溫為自變量，利用線性回歸分析法，建立不同區(qū)域、不同季節(jié)溫室內(nèi)最低、最高氣溫的預(yù)報方程（表3）。分析溫室內(nèi)外溫度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)最低、最高氣溫的關(guān)系均是線性的正比例關(guān)系，相關(guān)系數(shù)基本都通過0.01顯著性水平檢驗，但不同區(qū)域、不同季節(jié)這種關(guān)系的參數(shù)變化較大。預(yù)測效果春、冬季要比秋季更顯著，最低氣溫比最高氣溫更顯著。這可能是由于冬、春季氣溫低，溫室內(nèi)不開放，溫室效應(yīng)強，而秋季溫室室內(nèi)外溫差較小，夜間溫室比白天更密閉，因此，溫室內(nèi)外最低溫度相關(guān)一般比白天的最高溫 度更緊密。

表3 內(nèi)蒙古晴天條件下不同區(qū)域、季節(jié)、時段溫室氣溫日變化模擬方程

2.2 內(nèi)蒙古不同區(qū)域溫室氣溫預(yù)報模型驗證

2.2.1 氣溫日變化模擬驗證 分別篩選2014年度春季、秋季和冬季東、中、西部日光溫室內(nèi)典型晴天氣溫日變化數(shù)據(jù)作為觀測值，與表2中氣溫日變化模擬方程的模擬值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖1～6圖?？梢钥闯觯?個季節(jié)氣溫擬合度均較好，且冬季、春季擬合度明顯好于秋季。

2.2.2 日最低、最高氣溫預(yù)報模型驗證 為了驗證表3不同區(qū)域、不同季節(jié)晴天溫室內(nèi)外日最低氣溫、最高氣溫預(yù)測方程的可靠性，利用2014年度冬、春、秋季的典型晴天日光溫室內(nèi)最低氣溫、最高氣溫數(shù)據(jù)與相對應(yīng)的室外氣溫數(shù)據(jù)對上述建立的氣溫預(yù)報方程進(jìn)行檢驗。結(jié)果表明，不同地區(qū)、不同季節(jié)日最低氣溫預(yù)測方程驗證效果均顯著好于日最高氣溫預(yù)測方程，預(yù)測精度基本達(dá)到0.5以上，通過0.01顯著性檢驗，準(zhǔn)確性均較好，春季驗證效果尤為顯著，東、中、西部區(qū)驗證精度分別為0.8、0.6、0.6。最高氣溫預(yù)測效果較不穩(wěn)定（表4），最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較高，可用于日常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。最高氣溫預(yù)測效果較不穩(wěn)定，雖建立了預(yù)報模型，但在實際預(yù)報中，受人為干擾、農(nóng)業(yè)管理方法的影響較大，需進(jìn)一步完善。

表4 日光溫室最低、最高氣溫預(yù)報模型驗證效果

2.3 溫室外最低氣溫服務(wù)指標(biāo)的建立

北方高寒地區(qū)的降溫天氣常使氣溫急劇下降，從而溫室室溫可能降到作物適宜溫度以下，導(dǎo)致日光溫室中種植的不耐寒蔬菜將進(jìn)入不利生長范圍，并可能遭受冷害、凍害，甚至使植株枯萎死亡。

根據(jù)上文中建立的溫室氣溫預(yù)報模型及驗證結(jié)果，最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較高，可應(yīng)用于業(yè)務(wù)生產(chǎn)，用來判斷溫室內(nèi)氣溫達(dá)到不同蔬菜生長的下限溫度、災(zāi)害溫度等時，反演得到相應(yīng)的室外氣溫服務(wù)指標(biāo)。根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)的實際情況，收集整理了設(shè)施生產(chǎn)中常用的果蔬生長低溫指標(biāo)，并根據(jù)預(yù)報方程求算出相應(yīng)的溫室外臨界溫度指標(biāo)，具體結(jié)果列于表5。由表5可看出，東部區(qū)溫室保溫性能較中、西部好，室外氣溫達(dá)到作物致害氣溫指標(biāo)的概率較小，僅當(dāng)冬季室外最低氣溫下降到-30℃以下時，不耐寒的番茄、黃瓜等作物將進(jìn)入生長下限溫度范圍，對上述蔬菜正常生長不利。而中、西部的春、秋季室外最低氣溫下降到-14℃以下時，易造成室內(nèi)最低氣溫下降到6℃以下，影響蔬菜健壯生長；中西部冬季室外最低氣溫下降到-20℃以下時，易造成溫室最低氣溫低于0℃，即會出現(xiàn)凍害。

表5 內(nèi)蒙古地區(qū)常見果蔬日光溫室栽培臨界棚外溫度 ℃

3 結(jié)論

本研究建立的溫室氣溫與時序及室內(nèi)外氣溫預(yù)報模型存在顯著的相關(guān)關(guān)系，這與劉可群、崔建云等[14-16]研究結(jié)論一致，且從區(qū)域尺度及時間尺度上均較為全面，擬合效果均較好，因而可結(jié)合天氣預(yù)報，為設(shè)施農(nóng)業(yè)防御低溫災(zāi)害提供決策依據(jù)，達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)安全的目的。由于內(nèi)蒙古地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測工作處于起步階段，在建模中僅考慮了單一氣象要素指標(biāo)，下一步應(yīng)考慮溫室大棚綜合氣象要素的影響，并建立更精細(xì)時間尺度上（月、旬）的預(yù)報模型，更準(zhǔn)確、更有針對性地為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

根據(jù)實際觀測發(fā)現(xiàn)：（1）內(nèi)蒙古地區(qū)晴天條件下不同季節(jié)從東到西溫室內(nèi)氣溫日變化模擬方程及日最低、最高氣溫的擬合結(jié)果基本達(dá)到0.01顯著水平，但相關(guān)模式差異較大；經(jīng)檢驗，除最高氣溫預(yù)報效果較不穩(wěn)定外，其余預(yù)報結(jié)果均較為可靠，可考慮應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。（2）根據(jù)氣溫日變化模擬方程，溫室氣溫日最低值出現(xiàn)在6:00～8:00時。其中，中、西部的冬季室溫降到10℃以下，低于喜溫類蔬菜適宜生長的下限溫度要求，因而上述時段、地區(qū)應(yīng)在6:00時前后適當(dāng)加溫，可最大限度地節(jié)約能源，并使得室溫能在蔬菜適宜生長的下限溫度之上；春、秋季全天溫度基本都在10℃以上，不需要加溫。（3）東部區(qū)溫室保溫性能優(yōu)越，各個季節(jié)氣溫狀況適宜各類蔬菜生長。因此，針對東部區(qū)溫室小氣候特點，設(shè)施蔬菜發(fā)展方向也可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，可增加蔬菜品種、壯大瓜果蔬菜基地等。而中、西部的秋季室外最低氣溫下降到-14℃以下時，可能導(dǎo)致室溫超過果菜類作物能忍耐的最低溫度，抑制作物生長；冬季室外最低氣溫下降到-20℃以下時，易造成溫室最低氣溫低于0℃，使蔬菜遭受凍害；春季大部時段氣溫基本位于致害溫度之上，對設(shè)施作物影響不大。因此，中西部溫室春季種植以喜溫類蔬菜為主，秋、冬季以耐寒性蔬菜為主。

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