日光溫室冬季氣溫特點(diǎn)及低溫預(yù)報(bào)模型研究

戴明晶

（1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002）

近年來(lái)，寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)得到大力發(fā)展，已經(jīng)成為農(nóng)民增收致富的支柱產(chǎn)業(yè)。吳忠市地處寧夏引黃灌區(qū)，也是寧夏五大設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)區(qū)，以種植蔬菜、果品為主，供應(yīng)本地城市并兼顧外銷。隨著通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室內(nèi)自動(dòng)氣象觀測(cè)站的建立通過(guò)GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸，確保了資料的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，為日光溫室小氣候要素的觀測(cè)和預(yù)報(bào)創(chuàng)造了技術(shù)條件。信志紅等[1]和崔建云等[2]分析了不同天空狀況、不同時(shí)段外部氣象條件對(duì)溫室內(nèi)溫、濕變化的影響，結(jié)果表明，日光溫室保溫、保濕性能明顯，溫室內(nèi)溫、濕變化與天空狀況、室外氣象要素的變化等存在著較明顯的相關(guān)性。李寧等[3]分析了冬季日光溫室內(nèi)溫度變化特征，得出日光溫室內(nèi)最低氣溫與溫室內(nèi)前一天的各小氣候要素有較好的相關(guān)性，溫室內(nèi)、外各氣象要素之間也存在顯著的相關(guān)性。符國(guó)槐等[4]研究了溫室內(nèi)外溫度、濕度的季節(jié)變化和日變化特征，得出室內(nèi)空氣溫度與相對(duì)濕度成線性負(fù)相關(guān)。王萍等[5]分析了室內(nèi)外氣溫、地溫及土壤濕度，并建立室內(nèi)外氣溫關(guān)系模型，結(jié)果表明，秋季、冬季和春季室內(nèi)外溫差較大，室內(nèi)氣溫明顯高于室外，而夏季較小，室內(nèi)氣溫偏高不明顯，大部時(shí)段預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差為0～2.8℃。環(huán)海軍等[6]基于小氣候自動(dòng)觀測(cè)站的日光溫室最低氣溫建立了兩種不同方法的溫室內(nèi)最低氣溫預(yù)報(bào)模型，結(jié)果表明，預(yù)報(bào)模型回代效果和預(yù)報(bào)效果好均較好。金志鳳等[7]利用塑料大棚內(nèi)外觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的楊梅生產(chǎn)大棚內(nèi)的最高、最低氣溫預(yù)測(cè)模型，檢驗(yàn)表明，精度明顯高于同時(shí)利用逐步回歸法建立的預(yù)報(bào)模型。同時(shí)，寧夏日光溫室小氣候變化特征也引起了不少學(xué)者的關(guān)注，張磊等[8]對(duì)寧夏灌區(qū)溫室內(nèi)氣溫變化特征和溫室內(nèi)最低氣溫預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究，得出不同天氣條件下溫室內(nèi)氣溫的日變化存在明顯差異；溫室內(nèi)、外的最低氣溫呈現(xiàn)明顯線性相關(guān)關(guān)系。朱永寧等[9]對(duì)寧夏賀蘭縣3 類不同溫室內(nèi)的溫度進(jìn)行了試驗(yàn)觀測(cè)，得出不同類型溫室的日變化規(guī)律基本一致，不同類型溫室內(nèi)氣溫的季節(jié)性變化趨勢(shì)與室外氣溫的季節(jié)性變化趨勢(shì)基本一致。陳建軍等[10]對(duì)比分析了寧夏2種設(shè)施條件下室內(nèi)空氣溫、濕度和15 cm土壤溫度，得出日光溫室氣溫高于塑料大棚，且晴天差異大于陰天差異。

本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，著重對(duì)日光溫室小氣候日變化特征進(jìn)行分析，為不同天氣類型建立低溫預(yù)報(bào)模型，以期對(duì)寧夏引黃灌區(qū)日光溫室氣溫變化特征及低溫預(yù)報(bào)方法有一個(gè)初步的研究和分析，為溫室低溫凍害預(yù)報(bào)預(yù)警提供技術(shù)支持，對(duì)提高日光溫室的氣象服務(wù)水平、減輕氣象災(zāi)害的不利影響、保障溫室生產(chǎn)效益具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 溫室簡(jiǎn)介

本研究的觀測(cè)日光溫室建立在寧夏回族自治區(qū)吳忠市山水溝村郭家橋鄉(xiāng)的蔬果日光溫室（36°50′N，118°18′E）內(nèi)，內(nèi)設(shè)自動(dòng)氣象站，溫室采用鋼結(jié)構(gòu)骨架，覆蓋材料為聚乙烯薄膜，薄膜上覆蓋草苫。溫室為東西走向，脊高3.0 m，跨度7.5 m，長(zhǎng)度65.0 m，溫室內(nèi)主要種植草莓，輔助種植小番茄、黃瓜、乳瓜等，溫室體狀況正常，有專業(yè)設(shè)施農(nóng)業(yè)管理員專職管理，管理水平良好。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

觀測(cè)時(shí)間為2018年11月1日—2019年3月31日，觀測(cè)期間溫室內(nèi)種植作物為草莓。每天記錄日光溫室的揭苫狀況和時(shí)間，觀測(cè)記錄當(dāng)時(shí)天氣狀況。數(shù)據(jù)資料來(lái)自2018年11月—2019年3月吳忠市利通區(qū)郭家橋鄉(xiāng)山水溝村小氣候自動(dòng)站整點(diǎn)氣溫、相對(duì)濕度要素觀測(cè)資料和郭家橋鄉(xiāng)山水溝村區(qū)域自動(dòng)氣象站常規(guī)氣象觀測(cè)資料。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)為建立不同天氣條件下日光溫室最低氣溫預(yù)報(bào)方程，按照天氣類型分類標(biāo)準(zhǔn)，參考試驗(yàn)點(diǎn)人工觀測(cè)和揭苫記錄，將天氣情況分為：晴天、多云天和陰天3種類型。一般情況下晴天和多云天狀況下蓋苫均揭開(kāi)，而陰天溫室種植戶會(huì)根據(jù)具體情況決定是否揭苫，溫室內(nèi)氣溫穩(wěn)定在一定數(shù)值時(shí)也可不揭苫，由于是否揭苫會(huì)對(duì)溫室內(nèi)的溫度產(chǎn)生較大影響，因此，將陰天又分陰天揭苫和陰天不揭苫2種情況。

1.3.2 技術(shù)方法 利用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用相關(guān)性分析、多元線性回歸等的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季溫室內(nèi)外氣溫隨時(shí)間的變化規(guī)律

對(duì)2018年和2019年冬季，溫室內(nèi)外日平均、最高、最低氣溫的時(shí)間序列進(jìn)行分析，得出溫室內(nèi)日平均氣溫為12.2℃，平均日最高氣溫為29.5℃，平均日最低氣溫為6.1℃（圖1～圖3）。

圖1 2018年11月—2019年3月溫室內(nèi)外日平均氣溫

圖2 2018年11月—2019年3月溫室內(nèi)外日最高氣溫

圖3 2018年11月—2019年3月溫室內(nèi)外日最低氣溫

由圖1可知，溫室內(nèi)日平均氣溫為6.8～16.7℃，最高氣溫出現(xiàn)在2018年11月13日，最低氣溫出現(xiàn)在2019年1月15日；溫室外日平均氣溫為-12.4～10.7℃，最高氣溫出現(xiàn)在2019年3月28日，最低氣溫出現(xiàn)在2018年12月24日；溫室內(nèi)外溫差為6.0～19.2℃。由圖2可知，溫室內(nèi)最高氣溫氣溫為13.7～46.0℃，最高氣溫出現(xiàn)在2019年2月1日，最低氣溫出現(xiàn)在2019年1月15日；溫室外最高氣溫為-6.8～20.2℃，最高氣溫出現(xiàn)在2018年11月1日，最低氣溫出現(xiàn)在2018年12月7日；溫室內(nèi)外溫差為20.5～25.8℃。由圖3可知，溫室內(nèi)最低氣溫為-1.5～12.0℃，最高氣溫出現(xiàn)在2018年11月10日，最低氣溫出現(xiàn)在2019年1月13日；溫室外最低氣溫為-18.9～7.5℃，最高氣溫出現(xiàn)在2019年3月28日，最低氣溫出現(xiàn)在2018年12月29日；溫室內(nèi)外溫差為4.5～17.4℃。綜上可以看出，冬季溫室內(nèi)外最高氣溫溫差最大，其次是日平均氣溫，最低氣溫溫差最小，溫室內(nèi)外最高氣溫逐日呈反位向的變化規(guī)律，這與冬季溫室管理員采取的揭苫、通風(fēng)等保溫措施密不可分。此外，觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的12月至次年2月上旬和3月中旬均是最低氣溫偏低的時(shí)段（圖4），在該時(shí)段要特別注意加強(qiáng)日光溫室的管理，在氣溫較低時(shí)，可適當(dāng)采取人工增溫、保暖措施，以確保溫室內(nèi)蔬菜瓜果特別是喜溫蔬菜瓜果的正常生長(zhǎng)。

2.2 不同天氣條件下溫室內(nèi)氣溫日變化特征

圖4 2018年11月—2019年3月溫室內(nèi)日最低氣溫距平

正常情況下，日光溫室每天早晨日出后揭苫、傍晚落日前蓋苫，期間根據(jù)溫室內(nèi)的溫度相對(duì)濕度情況進(jìn)行通風(fēng)透氣。由圖5可知，2018年11月1日—2019年3月31日晴天、多云天、陰天3種典型天氣條件下溫室內(nèi)氣溫的逐時(shí)變化規(guī)律。不同天氣狀況下溫室內(nèi)氣溫的日變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)揭苫后氣溫迅速升高，蓋苫后氣溫緩慢下降，再直到揭苫前達(dá)到最低氣溫的變化趨勢(shì)。在不蓋苫的時(shí)間段內(nèi)，晴天和多云天溫室內(nèi)氣溫有明顯的起伏變化，而陰天變化不大；日最高氣溫值出現(xiàn)在11：00—13：00，陰天和多云天日最高氣溫值出現(xiàn)時(shí)間較晴天晚約2 h；11：00—16：00 氣溫處于日變化的高溫時(shí)段，16：00 之后氣溫下降速度加快，蓋苫后氣溫下降速度趨于緩慢，直至次日揭苫前氣溫達(dá)到最小值。3種天氣狀況下9：00—24：00的氣溫存在明顯差異，變化幅度呈晴天＞多云天＞陰天的趨勢(shì)，且在日平均氣溫最高值出現(xiàn)的時(shí)間（11：00），3種天氣的差異較大，0：00—9：00 差異較小，在揭苫前一段時(shí)間內(nèi)（4：00—9：00）陰天條件下溫度稍高于晴天條件。不同天氣狀況下全天平均氣溫最低值均出現(xiàn)在揭苫前一段時(shí)間（7：00—8：00），為7℃左右，該時(shí)段內(nèi)設(shè)施農(nóng)戶應(yīng)重點(diǎn)采取防凍措施。

圖5 2018—2019年不同天氣狀況下日光溫室內(nèi)整點(diǎn)氣溫對(duì)比

2.3 溫室內(nèi)日最高氣溫和日最低氣溫出現(xiàn)的時(shí)間分布特征

2.3.1 日最高氣溫分析分析觀測(cè)期溫室內(nèi)日最高氣溫出現(xiàn)的時(shí)間特征發(fā)現(xiàn)（圖6），日最高氣溫主要分 布 在10：00—11：00、11：00—12：00、12：00—13：00、13：00—14：00、14：00—15：00、15：00—16：00、16：00—17：00 這7個(gè)時(shí)間段內(nèi)，在11：00—16：00出現(xiàn)次數(shù)占總數(shù)的83.2%，而其中又以11：00—12：00出現(xiàn)的頻率最高，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于日光溫室在每天揭苫后氣溫上升到一定程度時(shí)進(jìn)行人工通風(fēng)的結(jié)果。具體出現(xiàn)時(shí)間受當(dāng)時(shí)溫室外氣溫、光照條件和放風(fēng)口開(kāi)啟的大小影響有所不同。

圖6 溫室內(nèi)日最高氣溫出現(xiàn)的時(shí)間分布

2.3.2 日最低氣溫分析分析觀測(cè)期溫室內(nèi)日最低氣溫出現(xiàn)的時(shí)間特征發(fā)現(xiàn)（圖7），雖然日最低氣溫分布在11個(gè)時(shí)次內(nèi)，但集中出現(xiàn)在8：00—9：00（揭苫前），出現(xiàn)次數(shù)占總數(shù)的81.5%。最低氣溫出現(xiàn)次數(shù)較多的時(shí)間段還有5：00—6：00和9：00—10：00，均為5次。除此之外，其他出現(xiàn)在0：00—1：00、1：00—2：00、22：00—23：00的個(gè)別天數(shù)，主要是發(fā)生在不揭苫或者揭苫時(shí)間很短的陰雪天。

圖7 溫室內(nèi)最低氣溫出現(xiàn)的時(shí)間分布

2.4 溫室內(nèi)最低氣溫預(yù)報(bào)模型

溫室內(nèi)最低氣溫往往會(huì)對(duì)溫室內(nèi)蔬菜的正常生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響，最低氣溫過(guò)低往往造成蔬菜受涼，影響產(chǎn)量和品質(zhì)，嚴(yán)重者甚至死亡，從而給日光溫室生產(chǎn)帶來(lái)較大損失。假如能提前（特別是在強(qiáng)降溫或者連陰天天氣來(lái)臨前）對(duì)溫室內(nèi)最低氣溫做出預(yù)測(cè)，對(duì)于及時(shí)合理安排防凍措施、減少溫室損失具有重要意義。影響溫室內(nèi)最低氣溫的因子很多，既有溫室外的氣象條件，也受溫室內(nèi)人為干預(yù)等因素的影響，但在實(shí)際中考慮到建立的預(yù)報(bào)方程投入生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)的時(shí)效性和預(yù)報(bào)因子獲取的便捷性，在預(yù)報(bào)精度變化不大的情況下，所建立的預(yù)報(bào)方程應(yīng)當(dāng)盡量簡(jiǎn)單。

基于上述原則，通過(guò)相關(guān)性分析的方法在對(duì)比了多個(gè)室外氣象因子同溫室內(nèi)最低氣溫的關(guān)系后，發(fā)現(xiàn)在非陰天（包括晴天和多云天）和陰天（包括雪天）2種天氣情況下，溫室內(nèi)的最低氣溫（PTmin）和溫室內(nèi)的相對(duì)濕度（Rv）及室外的最低氣溫（Tmin）均存在明顯的線性關(guān)系，且天氣類型分類越簡(jiǎn)單，對(duì)以后實(shí)際應(yīng)用越為方便。由于分析發(fā)現(xiàn)7：00—9：00 是每日最低氣溫出現(xiàn)的集中時(shí)段，因此，所選用該時(shí)段內(nèi)最低氣溫和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報(bào)方程的建立，分別建立了4種不同情況下的線性回歸方程，即陰天揭苫、陰天不揭苫、非陰天揭苫、非陰天不揭苫，見(jiàn)方程（1）～方程（4）。

陰天揭苫時(shí)：

陰天不揭苫時(shí)：

非陰天揭苫時(shí)：

非陰天不揭苫時(shí)：

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)表明，方程（1）的絕對(duì)誤差（溫室內(nèi)最低氣溫預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值差的絕對(duì)值，下同）在2.0℃以內(nèi)的占79.2%，均方根誤差為1.7℃；方程（2）的均方根誤差為0.9℃，絕對(duì)誤差在2.0℃以內(nèi)的占100.0%；方程（3）的均方根誤差為2.2℃，絕對(duì)誤差在2.0℃以內(nèi)的占62.5%；方程（4）的均方根誤差為2.5℃，絕對(duì)誤差在2.0℃以內(nèi)的占75.0%，且未通過(guò)顯著性水平為0.05的統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)。表明陰天不揭苫時(shí)方程的預(yù)測(cè)效果最好，其次是陰天揭苫的，非陰天不揭苫時(shí)的預(yù)測(cè)效果最不理想；總體來(lái)看，陰天條件下方程的預(yù)測(cè)效果整體好于非陰天的。

4個(gè)方程的檢驗(yàn)結(jié)果表明，其預(yù)測(cè)精度較好，基本能夠滿足日常應(yīng)用的需要。在實(shí)際工作中，依據(jù)所建立的回歸方程，利用氣象臺(tái)的天氣預(yù)報(bào)結(jié)果特別是強(qiáng)降溫或陰雪天時(shí)的最低氣溫預(yù)報(bào)結(jié)果，即可對(duì)溫室內(nèi)的最低氣溫進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以為提前預(yù)防低溫凍害提供決策依據(jù)，減少低溫凍害損失。

3 結(jié)論與討論

溫室內(nèi)外冬季溫差存在明顯差異，溫差最大的是最高氣溫，溫差最小的是最低氣溫；不同天氣狀況下溫室內(nèi)氣溫的日變化規(guī)律基本一致，揭苫后氣溫迅速升高，蓋苫后氣溫緩慢下降，直到揭苫前氣溫達(dá)到最低，這期間易發(fā)生低溫凍害。不同天氣條件下，溫室內(nèi)日最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間較為集中，主要出現(xiàn)在每日的7：00—9：00，而日最高氣溫出現(xiàn)時(shí)間分布較分散。陰天揭苫、陰天不揭苫、非陰天揭苫、非陰天不揭苫4種條件下，分別建立溫室內(nèi)日最低氣溫線性回歸方程，檢驗(yàn)表明，方程的預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差在2.0℃以內(nèi)占62.5%以上，預(yù)報(bào)精度較好。本研究中建立的低溫預(yù)報(bào)模型使用的室外數(shù)據(jù)和室內(nèi)數(shù)據(jù)能從氣象臺(tái)發(fā)布的天氣預(yù)報(bào)及室內(nèi)小氣候自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄儀中獲取，涉及要素較少，方程較簡(jiǎn)單，為該模型的推廣使用奠定了基礎(chǔ)。雖然所建立的日光溫室最低氣溫預(yù)報(bào)模式檢驗(yàn)精度較好，但由于目前室外氣溫預(yù)報(bào)還存在著一定的不確定性，同時(shí)溫室體裁結(jié)構(gòu)、管理方式、人為干預(yù)等方面的差異也會(huì)給室內(nèi)氣溫帶來(lái)較大影響。因此，該方程的預(yù)報(bào)精度也會(huì)受到上述因素的影響，在實(shí)際業(yè)務(wù)服務(wù)中要加以綜合考慮。本研究建立的日光溫室最低氣溫預(yù)報(bào)方程主要針對(duì)的是吳忠市的節(jié)能型日光溫室，對(duì)寧夏引黃灌區(qū)最低氣溫的預(yù)測(cè)方法有較高參考價(jià)值，但對(duì)其他地區(qū)和其他溫室型號(hào)的適應(yīng)性還有待進(jìn)一步研究。