基于熱平衡分析的山西省日光溫室氣候區(qū)劃

張紀(jì)濤，閆萬(wàn)麗，史向遠(yuǎn)，李永平，王秀紅，張曉晨

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，山西太原030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原030031）

日光溫室是我國(guó)特有的溫室結(jié)構(gòu)形式，是北方地區(qū)進(jìn)行越冬生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)設(shè)施，近20 a 來(lái)已成為農(nóng)業(yè)種植業(yè)中效益最高的產(chǎn)業(yè)[1]。日光溫室生產(chǎn)有較強(qiáng)的地域性，不同區(qū)域氣候決定了不同的日光溫室的結(jié)構(gòu)形式、栽培方式以及茬口安排等[2-3]，因此，日光溫室建設(shè)氣候區(qū)劃對(duì)于日光溫室的合理布局與指導(dǎo)生產(chǎn)具有重要意義。關(guān)于日光溫室氣候區(qū)劃的研究報(bào)道已有很多，基于GIS 的區(qū)劃方法、綜合因子法與主導(dǎo)指標(biāo)法、系統(tǒng)聚類方法、模糊評(píng)價(jià)方法、主成分分析法、判別分析法以及基于模型預(yù)測(cè)分析方法均被用于區(qū)劃研究中[1-14]，對(duì)促進(jìn)日光溫室合理建設(shè)具有重要作用。

冬季的光照、溫度等是影響日光溫室生產(chǎn)的主要因素[15-16]。不加溫日光溫室室內(nèi)溫度環(huán)境取決于本身的結(jié)構(gòu)特征和室外氣象條件，而地域的氣象特征與地理要素具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此，可以建立起日光溫室室內(nèi)溫度與地理要素之間的關(guān)系模型。ArcGIS 中的“地圖代數(shù)”是一種簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的代數(shù)語(yǔ)言，利用它可以操作所有Spatial Analyst 工具、運(yùn)算符及函數(shù)以執(zhí)行各種地理分析。因此，可以將建立的基于地理要素的日光溫室內(nèi)溫度模型，借助ArcGIS 的地圖代數(shù)功能完成區(qū)劃圖。

為探索合理的日光溫室氣候區(qū)劃方法，本研究基于日光溫室熱平衡方程，提取了適宜的日光溫室氣候區(qū)劃指標(biāo)，并完成了山西省日光溫室建設(shè)氣候區(qū)劃，為日光溫室合理建設(shè)、合理生產(chǎn)布局提供依據(jù)。

1 資料來(lái)源與區(qū)劃流程

1.1 資料來(lái)源與數(shù)據(jù)處理方法

采用1981—2011 年間12、1 月份的山西109 個(gè)站點(diǎn)的近10 a 或30 a 的地域氣象資料，數(shù)據(jù)來(lái)源于山西省氣象信息中心、中國(guó)氣象信息中心。山西省90 m 分辨率DEM來(lái)源于SRTM（Shuttle Radar Topography Mission，網(wǎng)址為：http：//srtm.csi.cgiar.org），如圖1 所示。

使用Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 20.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)模型擬合，ArcGIS 10 進(jìn)行地理區(qū)劃圖的繪制。

1.2 區(qū)劃流程

基于日光溫室內(nèi)部熱環(huán)境與室外環(huán)境條件的關(guān)系和室外環(huán)境條件與地理要素的關(guān)系，通過(guò)3 個(gè)步驟完成日光溫室氣候區(qū)劃：第一，基于日光溫室熱平衡方程，分析日光溫室內(nèi)部氣溫與室外氣象的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而提取合理的氣候區(qū)劃指標(biāo)；第二，建立相關(guān)氣象要素的地理分布模型；第三，基于ArcGIS 完成氣候區(qū)劃圖。區(qū)劃流程如圖2 所示。

2 日光溫室內(nèi)氣溫與結(jié)構(gòu)及室外氣象要素關(guān)系分析

日光溫室的熱平衡方程[17]如公式（1）所示。

式中，Qs為室內(nèi)太陽(yáng)輻射得熱；Qm為設(shè)備發(fā)熱量；Qh為補(bǔ)充的供熱量（溫室采暖系統(tǒng)熱負(fù)荷）；Qr為作物、土壤等呼吸放熱量；Qw為通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散失的熱量；Qf為地中傳熱量；Qvs、Qvl分別為通風(fēng)排出的顯熱量和潛熱量；Qp為植物光合作用吸熱。一般情況下，日光溫室中的Qm、Qr、Qp數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)。因此，日光溫室采暖負(fù)荷（Qh）可以簡(jiǎn)寫為公式（2）。

式中，AS為溫室內(nèi)接受太陽(yáng)輻射面積（m2）；ρ為室內(nèi)日照反射率，一般為0.1；τ 為溫室覆蓋材料對(duì)太陽(yáng)輻射的透射率；ti為室內(nèi)氣溫（℃）；to為室外氣溫（℃）；Agj為溫室各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積（m2）；Kj為溫室各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)（W/（m2·℃））；L為通風(fēng)量（m3/s）；ρa(bǔ)為空氣密度（W/（m2·℃））；cp為空氣的定壓比熱容，取1 030 J/（kg·℃）；e 為通風(fēng)潛熱損失與溫室吸收的太陽(yáng)輻射熱之比，一般取值0.4～0.6；Qo為地面總輻射。

對(duì)于不加溫日光溫室，Qh＝0，公式（3）可以改寫成公式（4）。

室內(nèi)溫度ti可以描述為公式（5）。

對(duì)于具體的不加溫溫室，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)與通風(fēng)的散熱系數(shù)為確定值。因此，公式（5）可簡(jiǎn)寫為：ti＝Qo×B+to，該式中，B 值反應(yīng)日光溫室結(jié)構(gòu)部分的綜合散熱系數(shù)，即維持室內(nèi)溫度的能力，是設(shè)計(jì)日光溫室的依據(jù)。該值越低表示日光溫室有更高的保溫性能，反之亦然。

依據(jù)上述分析可以看出，日光溫室室內(nèi)溫度決定于室外溫度和太陽(yáng)輻射，以及日光溫室的結(jié)構(gòu)。對(duì)于不加溫日光溫室，B 值的大小就決定了日光溫室內(nèi)部溫度環(huán)境條件；同理，在一定的區(qū)域內(nèi)，要達(dá)到要求的室內(nèi)溫度，需要調(diào)整日光溫室結(jié)構(gòu)及其參數(shù)等。因此，B 值是最理想的日光溫室氣候區(qū)劃的指標(biāo)，用以日光溫室區(qū)劃，指導(dǎo)日光溫室的合理建設(shè)。

3 山西省氣象要素的地理分布模型

日光溫室是為解決冬季寒冷地區(qū)的蔬菜生產(chǎn)問(wèn)題而出現(xiàn)的。12、1 月為北方地區(qū)最冷的時(shí)期，是限制日光溫室生產(chǎn)最突出的時(shí)期，因此，選取12 月至次年1 月的氣象數(shù)據(jù)建立地理分布模型。不同區(qū)域的氣候要素指標(biāo)的空間變異性分析如表1 所示，變異系數(shù)越大說(shuō)明區(qū)域差異也越大。

表1 山西省地區(qū)氣候要素特征值的空間變異性分析

3.1 氣溫?cái)?shù)據(jù)的區(qū)域推算模型

表2 氣象要素與地理要素之間的關(guān)系

為了更好地描述氣候資源的空間地域特征，參考文獻(xiàn)[18-19]中的方法建立氣象要素的多元回歸插值模型（公式（6）），結(jié)果如表2 所示。

式中，Y 為氣象要素；λ 為經(jīng)度；φ 為緯度；h 為海拔；ε 為綜合地理殘差。

3.2 輻射數(shù)據(jù)的區(qū)域推算模型

山西省只有大同、太原、侯馬3 個(gè)站點(diǎn)的地面總輻射數(shù)據(jù)，難以直接進(jìn)行插值計(jì)算。因此，必須根據(jù)已有的方法進(jìn)行地面輻射數(shù)據(jù)的推算，然后建立地理分布模型。依據(jù)文獻(xiàn)[20-22]中的方法，地面總輻射的推算模型如公式（7）所示。

式中，Qo為地面總輻射；Qa為天文總輻射；c、d為系數(shù)；Sp為日照百分率。

天文總輻射的推算模型，如公式（8）所示。

式中，t 為時(shí)間周期，取值為8.64×104s；I0為太陽(yáng)常數(shù)，取值1.367×10-3MJ/（m2·s）；ρ 為日地相對(duì)距離；ω0為太陽(yáng)時(shí)角；δ 為太陽(yáng)赤緯；φ 為緯度。

根據(jù)上述方法，山西省12—1 月份的平均地面日總輻射量的地理分布如圖3 所示。

4 山西省日光溫室氣候區(qū)劃

日平均溫度在15 ℃以上可以進(jìn)行喜溫茄果類蔬菜的生產(chǎn)，因此，設(shè)定12 月至次年1 月份的日光溫室內(nèi)的平均溫度（ti）為15 ℃。依據(jù)圖2 的區(qū)劃流程，按照以下具體步驟完成山西省日光溫室氣候區(qū)劃：（1）基于獲取的DEM，提取109 個(gè)氣象站點(diǎn)的地理參數(shù)（經(jīng)緯度、海拔等）；（2）完成山西省12 月至次年1 月份的平均溫度的地理分布圖；（3）完成山西省12 月至次年1 月份的日照百分率的地理分布圖；（4）完成山西省12 月至次年1 月份的天文輻射的地理分布圖；（5）完成山西省12 月至次年1 月份的地面總輻射的地理分布圖；（6）完成山西省12 月至次年1 月份的日光溫室綜合散熱特征系數(shù)的地理分布圖，即山西省日光溫室氣候區(qū)劃圖。

區(qū)劃結(jié)果如圖4 所示。山西省不同區(qū)域綜合散熱系數(shù)（B 值）范圍在0.21～0.40 MJ/（m2·K·d），具有一定的緯度分布規(guī)律，緯度越高B 值越小。依據(jù)B 值大小將山西省劃分為4 個(gè)日光溫室氣候區(qū)域：一是北部高寒區(qū)。該區(qū)B 值為0.21～0.25 MJ/（m2·K·d），包括大同、朔州及忻州部分地區(qū)；該區(qū)緯度高，冬季氣溫低，溫室要求有良好的蓄熱保溫性能。二是中部寒冷區(qū)。該區(qū)B 值為0.25～0.30 MJ/（m2·K·d），包括呂梁、太原、陽(yáng)泉及晉中的部分地區(qū)。三是中南低溫區(qū)。該區(qū)B 值為0.30～0.35 MJ/（m2·K·d），包括長(zhǎng)治、臨汾大部分區(qū)域及晉中和晉城的部分區(qū)域。四是南部中溫區(qū)。該區(qū)B 值為0.35～0.40 MJ/（m2·K·d），包括運(yùn)城的全部區(qū)域及晉城的部分區(qū)域，該區(qū)屬于山西省冬季氣溫最高的區(qū)域，對(duì)越冬生產(chǎn)的日光溫室來(lái)說(shuō)要求低于其他3 個(gè)區(qū)域。

5 結(jié)論與討論

本研究為日光溫室氣候區(qū)劃提供了新的方法，即采用建立的室內(nèi)溫度預(yù)測(cè)模型和氣象數(shù)據(jù)的地理分布模型，然后借助ArcGIS 的地圖代數(shù)功能完成區(qū)劃。該區(qū)劃方法直接從影響日光溫室熱量平衡的因素入手，區(qū)劃結(jié)果對(duì)于直接指導(dǎo)日光溫室的建設(shè)具有重要意義。本研究選擇了山西109 個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，可以為相關(guān)要素地理分布模型的建立提供足夠數(shù)據(jù)支持，但全省輻射只有3 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，輻射的地理分布模型還需通過(guò)更多的站點(diǎn)和數(shù)據(jù)建立精準(zhǔn)模型。