不同天氣類型下大棚葡萄溫濕度預(yù)報(bào)模型

肖楊 王冠 袁淑杰 于飛

摘要：為了預(yù)先掌握葡萄各生育期棚內(nèi)溫濕度環(huán)境，從而讓農(nóng)戶有充足時(shí)間調(diào)整大棚管理措施，降低氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，利用2018年11月—2019年6月大棚內(nèi)外觀測(cè)資料，分析了不同天氣類型下棚內(nèi)溫濕度與棚外氣象要素的相關(guān)性，并通過(guò)逐步回歸方法建立了棚內(nèi)逐小時(shí)溫濕度預(yù)報(bào)模型。結(jié)果表明：棚內(nèi)溫濕度與棚外氣溫、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)長(zhǎng)有不同程度的相關(guān)性，晴天和多云大棚內(nèi)外要素之間相關(guān)系數(shù)大多在0.3以上，棚內(nèi)氣溫與棚外要素的相關(guān)性更高且最大相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.9，陰天相關(guān)性較低；棚內(nèi)逐小時(shí)氣溫、空氣相對(duì)濕度模型的R2多在0.5以上，氣溫模型預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的均方根誤差（RSME）≤3.7℃、平均絕對(duì)誤差（MAE）≤2.9℃，空氣相對(duì)濕度模型預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的均方根誤差≤13.3%、平均絕對(duì)誤差≤10.6%。所得模型填補(bǔ)了該地區(qū)大棚葡萄各生育期溫濕度預(yù)報(bào)的空白，為田間管理提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大棚葡萄；生育期；氣溫；空氣相對(duì)濕度；相關(guān)系數(shù)；預(yù)報(bào)模型

中圖分類號(hào)：S165文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：cjas2020-0258

Temperature and Relative Humidity Forecast Model of Greenhouse Grape Under Different Weather Types

Xiao Yang1，2， Wang Guan1， Yuan Shujie3， Yu Fei4

（1Tangshan Meteorological Bureau， Tangshan 063000， Hebei， China；2Guizhou Key Laboratory of Mountains Climate and Resources， Guiyang 550002， Guizhou， China；3Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， Sichuan， China；4Guizhou Institute of Mountains Environment and Climate， Guiyang 550002， Guizhou， China）

Abstract： To obtain the temperature and relative humidity in greenhouse during each grape growth period in advance， give farmers enough time to adjust greenhouse management measures and reduce the risk of meteorological disasters， this paper compared the observation data inside and outside the greenhouse from November 2018 to June 2019. Correlations between temperature and relative humidity inside the greenhouse and meteorological elements outside the greenhouse under different weather types were analyzed， and hourly temperature and relative humidity forecast model in the greenhouse were established through the stepwise regression method. The results show that the temperature and relative humidity inside the greenhouse have the correlations with temperature， relative humidity， wind speed and sunshine duration outside the greenhouse of different levels. On sunny and cloudy days， the correlation coefficients between the factors inside and outside the greenhouse are mostly above 0.3. The correlations are higher and the maximum correlation coefficients are more than 0.9， while the correlations in cloudy days are low. R2of hourly temperature and relative humidity forecast models in the greenhouse are mostly above 0.5. The RSME between the result of the temperature forecast model and the measured value is less than or equal to 3.7℃， and the MAE≤2.9℃. The RSME of the model-forecasted relative humidity and the measured value are less than or equal to 13.3%， and the MAE≤10.6%. To conclude， the models filled in the blank of the temperature and relative humidity forecast of the greenhouse grape in each growth period in this area， and could provide scientific reference for field management.

Keywords： Greenhouse Grapes； Growth Period； Temperature； Relative Humidity； Correlation Coefficient； Forecast Model

0引言

葡萄富含助豐富的果酸、礦物質(zhì)和維生素，以及人體所需多種的氨基酸[1]，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。大棚種植葡萄可以實(shí)現(xiàn)反季節(jié)成熟，同時(shí)提高產(chǎn)量和品質(zhì)，為種植戶創(chuàng)造更大的收益。在大棚葡萄種植過(guò)程中，棚外氣象條件直接影響著棚內(nèi)小氣候變化[2-6]，若能借助棚外常規(guī)氣象要素建立棚內(nèi)溫濕度預(yù)報(bào)模型，便可以準(zhǔn)確掌握棚內(nèi)氣象要素的變化規(guī)律，為大棚葡萄防災(zāi)減災(zāi)、高質(zhì)高產(chǎn)提供有力保障。

從21世紀(jì)初開(kāi)始，為了滿足中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需要，越來(lái)越多地學(xué)者開(kāi)始探索大棚內(nèi)外氣象要素之間的變化關(guān)系，建立了多種大棚小氣候預(yù)報(bào)模型[7-11]。曾照旭等[12]研究了吉林延邊塑料大棚內(nèi)外氣溫后，掌握了冬季大棚內(nèi)外最低、最高氣溫線性關(guān)系；葛建坤等[13]在湖北鄂州開(kāi)展大棚田間試驗(yàn)，建立了擬合相關(guān)性較高的春季晴天和陰雨天棚內(nèi)氣溫預(yù)測(cè)模型；于明英等[14]分析了北京沙培溫室晴天、多云、寡照天氣類型下小氣候變化規(guī)律，同時(shí)指出棚溫與地溫呈正相關(guān)、與棚內(nèi)相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)；趙先麗等[15]基于遼寧盤(pán)錦大棚內(nèi)外氣象資料，利用逐步回歸分析建立了不同季節(jié)棚內(nèi)最高氣溫、最低氣溫的預(yù)報(bào)模型；舒素芳等[16]應(yīng)用最小二乘法建立了浙江金華冬季棚內(nèi)日最低氣溫一元線性回歸模型；范遼生等[17]考慮了棚內(nèi)氣溫變化的滯后性，將當(dāng)日、前1日、前2日棚外氣象要素作為預(yù)報(bào)因子，建立了浙江杭州春季、秋季、冬季棚內(nèi)最低氣溫的預(yù)報(bào)模型；王孝卿等[18]建立了山東壽光晴天、多云、陰天3種天氣類型下，棚內(nèi)逐小時(shí)氣溫的多元二次預(yù)報(bào)方程。目前，關(guān)于大棚小氣候變化特征及預(yù)報(bào)模型的研究，多以常規(guī)時(shí)間區(qū)間（月、季、年）或者某種災(zāi)害性天氣為主[19-22]，按照作物生育期劃分的相對(duì)較少，相比而言，嚴(yán)格按照作物生育期建立的預(yù)報(bào)模型更符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。因此，針對(duì)大棚葡萄全生育期開(kāi)展大棚內(nèi)外氣象觀測(cè)試驗(yàn)，并按照葡萄生長(zhǎng)特性準(zhǔn)確劃分生育期，建立不同生育期晴天、多云、陰天狀況下棚內(nèi)氣溫、空氣相對(duì)濕度的預(yù)報(bào)模型，旨在為大棚葡萄生產(chǎn)提供合理參考。1材料與方法

1.1資料來(lái)源

觀測(cè)試驗(yàn)于2018年11月—2019年6月進(jìn)行，供試大棚（長(zhǎng)75 m、寬9 m、脊高3.5 m）位于河北曹妃甸綠港農(nóng)業(yè)示范園區(qū)，棚內(nèi)無(wú)加溫設(shè)施，無(wú)照明補(bǔ)光設(shè)備。葡萄品種為玫瑰香，根據(jù)生長(zhǎng)發(fā)育特性和觀測(cè)記錄，大棚種植過(guò)程中生育期包括：休眠期（2018.11.15—2018.12.17）、催芽期（2018.12.18—2019.2.15）、萌芽及新梢生長(zhǎng)期（2019.2.16—2019.3.28）、開(kāi)花坐果期（2019.3.29—2019.4.30）、果實(shí)膨大及漿果成熟期（2019.5.1—2019.6.30）。棚內(nèi)氣象資料來(lái)源于小氣候站，觀測(cè)資料為1.5 m逐小時(shí)氣溫、空氣相對(duì)濕度；棚外氣象資料來(lái)源于曹妃甸區(qū)氣象局常規(guī)地面氣象觀測(cè)站，包括試驗(yàn)期間（2018.11.15—2019.6.30）逐小時(shí)氣溫、空氣相對(duì)濕度、2 min平均風(fēng)速、降水量、日照時(shí)長(zhǎng)等。

1.2研究方法

天氣類型按照日照百分率（S）劃分為：晴天（S≥60%）、多云（20%

棚內(nèi)氣溫、空氣相對(duì)濕度的變化主要與棚外溫濕度、光照、降水、風(fēng)等因素有關(guān)，同時(shí)有關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果表明，風(fēng)會(huì)加速棚膜處溫度的散失從而影響棚內(nèi)氣溫[31]，而降水對(duì)氣溫的影響存在滯后性。因此，本研究分別氣溫X1、空氣相對(duì)濕度X2、2 min平均風(fēng)速X3、前1 h降水量X4、日照時(shí)長(zhǎng)X5為預(yù)報(bào)因子，建立棚內(nèi)氣溫Y1、空氣相對(duì)濕度Y2的逐小時(shí)預(yù)報(bào)模型。

考慮葡萄在休眠期和果實(shí)膨大及漿果成熟期對(duì)空氣相對(duì)濕度的要求不高，所以上述2個(gè)生育期僅建立了棚內(nèi)氣溫的預(yù)報(bào)模型。此外，休眠期內(nèi)大棚調(diào)控措施有明顯變化，直接影響著棚內(nèi)氣溫的變化，為確保模型更加準(zhǔn)確，根據(jù)調(diào)控措施的差異將休眠期進(jìn)一步劃分為前、中、后3個(gè)階段。

2結(jié)果與分析

2.1休眠期棚內(nèi)氣溫預(yù)報(bào)模型

休眠期不同階段和天氣類型大棚內(nèi)外氣象要素之間的相關(guān)性存在明顯差異，表1為休眠期棚內(nèi)氣溫與棚外氣象要素的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表，休眠期后期未出現(xiàn)多云天氣類型。休眠期前期、中期、后期棚內(nèi)氣溫與棚外氣溫均有顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均>0.8；多數(shù)情況下，棚內(nèi)氣溫與棚外空氣相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)、與風(fēng)速呈正相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)差異較大；晴天、多云時(shí)棚內(nèi)氣溫與日照時(shí)長(zhǎng)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，二者相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)>0.5；棚內(nèi)氣溫與降水的相關(guān)性不明顯，相關(guān)系數(shù)很小且未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

模型中預(yù)報(bào)因子的順序即為逐步回歸過(guò)程中進(jìn)入模型的順序，從休眠期棚內(nèi)逐小時(shí)氣溫Y1的預(yù)報(bào)模型及誤差分析結(jié)果來(lái)看（表2），在模型進(jìn)行建立的過(guò)程中，棚外氣溫均為第一入選因子，多數(shù)晴天和多云的模型中日照時(shí)長(zhǎng)也都以靠前的順序進(jìn)入了模型，再次證明棚外氣溫和日照對(duì)棚內(nèi)氣溫的影響很大。所有模型的R2均>0.82，擬合程度都很高；模型預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的RSME≤3.1℃、MAE≤2.4℃，可以很好的起到預(yù)報(bào)效果。其中休眠期前期陰天、休眠期中期多云和陰天模型的R2>0.9、RSME≤0.8℃、MAE≤0.6℃，預(yù)報(bào)模型的精度非常高，完全可實(shí)現(xiàn)十分精確地棚內(nèi)氣溫預(yù)報(bào)。

2.2催芽期棚內(nèi)氣溫、空氣相對(duì)濕度預(yù)報(bào)模型

催芽期3種天氣類型下棚內(nèi)氣溫、空氣相對(duì)濕度與日照時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)性較高（表3），晴天、多云相關(guān)系數(shù)分別在0.7、0.5以上，陰天在0.4左右，并且棚內(nèi)氣溫與日照時(shí)長(zhǎng)均為顯著正相關(guān)，棚內(nèi)空氣相對(duì)濕度與之為顯著負(fù)相關(guān)。棚內(nèi)氣溫與棚外氣溫、空氣相對(duì)濕度分別有不同程度的正相關(guān)、負(fù)相關(guān)關(guān)系，棚內(nèi)空氣相對(duì)濕度與之相反，陰天狀態(tài)下相關(guān)性最差。晴天和多云時(shí)，棚內(nèi)氣溫、空氣相對(duì)濕度與風(fēng)速分別有明顯的正相關(guān)、負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均>0.5。棚內(nèi)溫濕度與降水量的相關(guān)性與休眠期類似，均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

表4中，晴天和多云，棚內(nèi)氣溫、空氣相對(duì)濕度預(yù)報(bào)模型的擬合效果較好，模型的R2>0.7；多云時(shí)2個(gè)模型預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值之間的誤差較小，氣溫模型的RSME和MAE分別為2.1℃和1.6℃，空氣相對(duì)濕度模型的RSME和MAE分別為6.9%和5.5%；晴天時(shí)誤差較大，氣溫模型的RSME和MAE均≥2.9℃、空氣相對(duì)濕度均≥6.9%。陰天棚內(nèi)氣溫、空氣相對(duì)濕度模型的R2較小但誤差并不大，氣溫模型的RSME和MAE分別為2.2、1.7℃，空氣相對(duì)濕度模型的RSME和MAE分別為8.1%、6.1%。

2.3萌芽及新梢初期棚內(nèi)氣溫、空氣相對(duì)濕度預(yù)報(bào)模型

由表5可知，萌芽及新梢初期3種天氣類型下棚內(nèi)氣溫、空氣相對(duì)濕度與棚外氣溫的相關(guān)系數(shù)分別在0.68左右和-0.33左右，晴天、多云、陰天之間相差很??；與棚外空氣相對(duì)濕度的相關(guān)性晴天>多云>陰天；晴天和多云時(shí)與日照時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)>0.6；晴天時(shí)與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)都在0.43左右，多云、陰天時(shí)與風(fēng)速相關(guān)性很??；3種天氣類型下與棚外降水量基本不關(guān)性。

萌芽及新梢初期所有模型的R2都在0.5～0.8（表6）。氣溫的預(yù)報(bào)模型中，陰天時(shí)模型誤差最小，RSME、MAE分別為2.1、1.6℃；晴天時(shí)模型誤差最大，RSME、MAE分別為3.4、2.6℃；空氣相對(duì)濕度的預(yù)報(bào)模型中，同樣是陰天時(shí)模型誤差最小，RSME、MAE分別為5.8%、4.6%；晴天和多云時(shí)預(yù)報(bào)效果相對(duì)較差，模型誤差基本一致，RSME、MAE分別為10.4%左右、 7.4%左右。

2.4開(kāi)花坐果期棚內(nèi)氣溫、空氣相對(duì)濕度預(yù)報(bào)模型

開(kāi)花坐果期棚內(nèi)氣溫與棚外要素的相關(guān)性結(jié)果中（表7），晴天和陰天時(shí)與棚外氣溫的相關(guān)系數(shù)都在0.7左右，多云時(shí)在0.5左右，均為正相關(guān)關(guān)系；晴天、多云時(shí)與棚外空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)都是0.5左右相差不大，與棚外空氣相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)、與風(fēng)速呈正相關(guān)，陰天時(shí)相關(guān)性不明顯；晴天、多云與日照時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.72、0.65，晴天的相關(guān)性比多云稍好；晴天與棚外降水在0.05水平上有很小的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但多云、陰天均與棚外降水沒(méi)有明顯相關(guān)。棚內(nèi)空氣相對(duì)濕度與棚外要素的相關(guān)性結(jié)果中（表7），晴天、多云與棚外氣溫有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.571、0.699，陰天有較小的正相關(guān)關(guān)系；陰天與棚外空氣相對(duì)濕度相關(guān)性很高，相關(guān)系數(shù)接近0.8，晴天、多云時(shí)相關(guān)系數(shù)較小，都在0.5上下；晴天、多云、陰天與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)都在0.5左右，為負(fù)相關(guān)關(guān)系；晴天、多云與日照時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)>0.6，負(fù)相關(guān)性很明顯；3種天氣時(shí)與降水量的關(guān)系不大。

表8內(nèi)開(kāi)花坐果期各模型及誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：陰天時(shí)棚內(nèi)氣溫預(yù)報(bào)模型的誤差在3個(gè)氣溫模型中最小，RSME為2.3℃、MAE為1.8℃；晴天、多云時(shí)棚內(nèi)氣溫模型精度大體相同，RSME都在3.4℃左右、MAE都在2.6℃左右。陰天時(shí)棚內(nèi)空氣相對(duì)濕度預(yù)報(bào)模型精度較高，RSME和MAE都在6.0%～6.9%；晴天時(shí)的模型精度最差，RSME和MAE都超過(guò)10%。

2.5果實(shí)膨大及漿果成熟期棚內(nèi)氣溫預(yù)報(bào)模型

晴天、多云、陰天時(shí)棚內(nèi)氣溫與棚外氣溫的相關(guān)系數(shù)都在0.8以上且差距不大（表9）。棚內(nèi)氣溫與棚外其他要素的相關(guān)性方面，晴天、多云時(shí)與棚外空氣相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)都在0.42左右，陰天時(shí)相對(duì)較??；晴天和多云時(shí)與風(fēng)速有不同程度的相關(guān)性，晴天比多云相關(guān)系數(shù)大；晴天和多云時(shí)與日照時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)性僅次于棚外氣溫，相關(guān)系數(shù)都在0.6以上，但陰天不明顯。

對(duì)比果實(shí)膨大及漿果成熟期3種天氣類型下棚內(nèi)氣溫預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)精度可以發(fā)現(xiàn)（表10），晴天、多云時(shí)模型的擬合程度較高，R2都在0.8以上；陰天相對(duì)較差，R2接近0.7。晴天、多云、陰天棚內(nèi)氣溫預(yù)報(bào)模型誤差相差不大，RSME都在2.6℃左右、MAE同為2.0℃。

3結(jié)論與討論

（1）5個(gè)生育期中，棚內(nèi)氣溫與棚外氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)長(zhǎng)有正相關(guān)關(guān)系，與棚外空氣相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與降水量相關(guān)性不明顯。3種天氣類型下大棚內(nèi)外氣溫的相關(guān)系數(shù)基本在0.5以上；晴天和多云日照時(shí)長(zhǎng)對(duì)棚內(nèi)氣溫的影響很顯著，二者的相關(guān)系數(shù)大多超過(guò)0.6，陰天無(wú)明顯相關(guān)性；晴天和多云棚內(nèi)氣溫與棚外空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速之間的相關(guān)系數(shù)一般都在0.4～0.6，陰天時(shí)相關(guān)性各生育期相差很大。氣溫預(yù)報(bào)模型R2都在0.5以上，一半以上模型R2>0.8，模型預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的RSME≤3.7℃、MAE≤2.9℃，有很好的預(yù)報(bào)效果。其中，3/4以上的模型RSME<3.0℃、MAE<2.5℃，休眠期部分模型RSME、MAE都在0.5℃以內(nèi)，完全可以實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)氣溫的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。

（2）3個(gè)生育期中，棚內(nèi)空氣相對(duì)濕度與棚外氣溫、風(fēng)速、日照有負(fù)相關(guān)關(guān)系，與棚外空氣相對(duì)濕度呈正相關(guān)關(guān)系，與降水量相關(guān)性不明顯。晴天和多云棚內(nèi)空氣相對(duì)濕度與棚外氣溫、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)一般在0.3～0.7，陰天時(shí)與棚外有顯著相關(guān)性的要素較少且不同生育期相關(guān)系數(shù)差別很大。空氣相對(duì)濕度模型中，除催芽期陰天模型外，其他模型R2也都在0.5以上，所有模型預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的RSME為5.8%～13.3%、MAE為4.6%～10.6%。空氣相對(duì)濕度模型的精度雖然沒(méi)有氣溫模型高，但在一定程度上也可以滿足生產(chǎn)需要，填補(bǔ)該地區(qū)大棚葡萄小氣候預(yù)報(bào)模型的空白。

（3）相比部分學(xué)者建立的日最高、最低、平均溫濕度或某個(gè)典型日的逐時(shí)預(yù)報(bào)模型，本研究建立的逐小時(shí)預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度稍差，但連續(xù)、密集的逐小時(shí)預(yù)報(bào)更有利于生產(chǎn)需要。為進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，預(yù)報(bào)因子的篩選和建模方法的改進(jìn)將是下一步工作中需要深入探索的重點(diǎn)。影響大棚溫濕度調(diào)控效果的因素很多，大棚材料、結(jié)構(gòu)、尺寸等方面[32-34]的差異都會(huì)導(dǎo)致調(diào)控效果產(chǎn)生較大的變化，本研究結(jié)論是在供試大棚的試驗(yàn)中得到的，存在一定的局限性，能否實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用還需要在更多類型的葡萄大棚中開(kāi)展試驗(yàn)進(jìn)一步完善。

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