杭州單體鋼架大棚風(fēng)災(zāi)時空特征

朱蘭娟 楊軍 范遼生 王俊驕 楊欣潔

(杭州市氣象局,杭州 310051)

引言

20世紀80年代開始，設(shè)施農(nóng)業(yè)引進我國并得到快速發(fā)展。2010年開始，在地方政府補貼政策的扶持下，杭州設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，尤其是投資較少的單體鋼架大棚[1]。相較玻璃溫室和連棟鋼架大棚，單體鋼架大棚的抗災(zāi)能力較弱，氣象災(zāi)害影響大[2]。2008年4月9日，大風(fēng)造成杭州市480個蔬菜大棚受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失60余萬元[3]；2011年6月9日凌晨，新迪農(nóng)業(yè)有限公司余杭基地出現(xiàn)10級大風(fēng)，100余個單棟大棚吹倒，經(jīng)濟損失60余萬元；2019年受第9號臺風(fēng)利奇馬影響，杭州213個自動氣象站風(fēng)力超過8級，96.28 hm2大棚受損，直接經(jīng)濟損失274.9萬元。

有關(guān)設(shè)施大棚的風(fēng)災(zāi)研究，楊再強等[4]通過風(fēng)洞試驗，得出單體鋼架大棚抗風(fēng)能力的最小臨界風(fēng)速為14.5 m/s；Georgia Dougka[5]等采用有限單元方法 (FEM)，對薄膜的抗風(fēng)能力進行負壓試驗，得出加固可以提高薄膜抗風(fēng)能力的結(jié)論；Rack-Woo Kim[6]等采用大渦模擬(LES)和雷諾平均方法(RANS)進行單體大棚的風(fēng)壓系數(shù)試驗對比，認為大渦模擬方法對平均風(fēng)壓系數(shù)和峰值風(fēng)壓系數(shù)的預(yù)測效果更好。范遼生等[7]制訂了杭州農(nóng)業(yè)設(shè)施風(fēng)災(zāi)地方標(biāo)準(zhǔn)，劃定極大風(fēng)速達到6級、7級、8級及以上時，分別造成單體鋼架大棚輕度、中度和重度風(fēng)災(zāi)；劉桂枝[8]通過不同風(fēng)力等級的大棚成災(zāi)率，將大棚受災(zāi)分為摧毀性風(fēng)災(zāi)、嚴重風(fēng)災(zāi)和一般風(fēng)災(zāi)3個等級；陳宇等[9]通過遼寧省農(nóng)業(yè)設(shè)施風(fēng)災(zāi)資料分析，認為8級風(fēng)為北方設(shè)施農(nóng)業(yè)致災(zāi)的風(fēng)速指標(biāo)，9級風(fēng)則可能導(dǎo)致棚架、后墻坍塌，發(fā)生嚴重災(zāi)害。

根據(jù)大棚的風(fēng)災(zāi)指標(biāo)，結(jié)合各地臺站風(fēng)速資料，黃川容[10]、麻炳欣[11]、張永紅[12]等分析了北京、上海、渭南等地風(fēng)災(zāi)天數(shù)的時空特征，研究均基于國家站資料，未考慮自動氣象站、風(fēng)持續(xù)時間、各地大棚分布等差異。

本研究依據(jù)單體鋼架大棚風(fēng)災(zāi)指標(biāo)和杭州國家基準(zhǔn)氣候站、自動氣象站資料，分析造成杭州單體鋼架大棚受損的風(fēng)力等級年際氣候變化規(guī)律以及不同風(fēng)力等級出現(xiàn)天數(shù)和時次數(shù)的空間分布，結(jié)合杭州第3次農(nóng)業(yè)普查的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級設(shè)施大棚發(fā)展現(xiàn)狀資料，提出防范和發(fā)展建議，為杭州設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展提供依據(jù)。

1 資料來源與處理

1.1 資料來源

風(fēng)速資料選用極大風(fēng)速。因天氣預(yù)報用風(fēng)力等級表述風(fēng)速大小，預(yù)報要素為平均風(fēng)力等級和陣風(fēng)風(fēng)力等級，實際生產(chǎn)中造成大棚損壞的主要是陣風(fēng)，因此，本文選用極大風(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)力等級作為風(fēng)災(zāi)指標(biāo)。資料來源于杭州國家基準(zhǔn)氣候站和杭州區(qū)域內(nèi)經(jīng)過質(zhì)控的373個自動氣象站的小時風(fēng)速數(shù)據(jù)，站點分布如圖1。

杭州市國家基準(zhǔn)氣候站建站于1951年，其中1951—1955年、1969年、1988—2001年只有大風(fēng)天氣現(xiàn)象資料，無極大風(fēng)速資料，因此，分析大風(fēng)天數(shù)年際變化時，采用天氣現(xiàn)象進行大風(fēng)天數(shù)統(tǒng)計。大風(fēng)天數(shù)的計算按照中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》中的大風(fēng)天氣現(xiàn)象標(biāo)準(zhǔn)，以瞬時風(fēng)速達到或超過17.0 m/s(或目測估計風(fēng)力達到或超過8級)計1個大風(fēng)天數(shù)[13-14]。

杭州市各區(qū)縣大棚面積資料來源于第1次和第3次全國農(nóng)業(yè)普查，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道大棚面積資料來源于杭州市第3次農(nóng)業(yè)普查，資料由杭州市統(tǒng)計局提供。

1.2 單體鋼架大棚風(fēng)災(zāi)指標(biāo)

參照杭州市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 3301T 1023.1 2013《農(nóng)業(yè)設(shè)施氣象災(zāi)害防御第1部分：大風(fēng)防御》[7]，進行單體鋼架大棚風(fēng)災(zāi)等級劃分，風(fēng)力等級參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 28591-2012 《風(fēng)力等級》劃分[15]。具體見表1。

表1 單體鋼架大棚風(fēng)災(zāi)等級及危害表現(xiàn)

1.3 氣候變化分析方法

曼-肯德爾(Mann-Kendall)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，是氣候?qū)W進行突變檢驗的一種常用方法[16-17]，具體方法如下：

首先，構(gòu)造一原始時間序列X的秩序列SK：

其中，Sk:第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)，ri：第i個樣本的賦值，Xi、Xj：時間序列為i、j位置的X值，n：樣本數(shù)。

其次，定義統(tǒng)計變量：

E(Sk)=k(k+1)/4；

var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72

式中,UFk：統(tǒng)計變量，E(Sk):累計數(shù)Sk的均值,var(Sk):累計數(shù)Sk方差。

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著性水平α，若|UFk|>Ua,則表明序列存在明顯的趨勢變化，將時間序列X按逆序排列，再重復(fù)上述過程，同時使UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1),UB1=0。

通過統(tǒng)計序列UFk和UBk，分析序列X的趨勢變化和突變的時間。若UFk>0，則表明序列呈上升趨勢；UFk<0則表明呈下降趨勢；當(dāng)它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk這兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界直線之間，那么交點對應(yīng)的時刻就是突變開始的時間。

2 結(jié)果與分析

2.1 杭州大棚布局

杭州標(biāo)準(zhǔn)鋼架大棚主要有2種類型，即622裝配式鋼架大棚和825提高型鋼架大棚。2001年以后，825型鋼棚是杭州市標(biāo)準(zhǔn)鋼架大棚的主推類型[1]。根據(jù)《2011年浙江省設(shè)施農(nóng)業(yè)設(shè)備補貼項目管理辦法(試行)》中的“設(shè)施農(nóng)業(yè)設(shè)備建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”要求，單棟塑料鋼架大棚GP825的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求是：跨度8 m、頂高≥3.3 m、肩高≥1.8 m，拱間距0.6～0.8 m，鋼管采用帶鋼先成型再熱浸鍍鋅的生產(chǎn)工藝，單根長度6.2 m，每根單重5.39±0.15 kg，材質(zhì)Q235，卡槽采用熱鍍鋅鋼板冷彎成型，厚度0.7 mm，塑料薄膜采用防老化防霧滴聚乙烯農(nóng)膜，厚度不少于0.07 mm，對大棚長度和抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)未做要求，補貼標(biāo)準(zhǔn)是8元/m2。

圖1 373個自動氣象站的位置及海拔高度

在地方政府補貼政策的激勵下，杭州設(shè)施大棚面積從1997年第一次農(nóng)業(yè)普查的1078.8 hm2激增到2017年第3次農(nóng)業(yè)普查的4495.7 hm2，各區(qū)縣(市)除江干區(qū)因城市化減少外，其它區(qū)縣(市)均快速增長，其中余杭區(qū)增加了近60倍[18-19]，如表2。

根據(jù)第3次農(nóng)業(yè)普查資料，杭州設(shè)施大棚的空間分布不均，表現(xiàn)為東北部多、西南部少(圖2)。其中余杭設(shè)施大棚最多，尤其是余杭中部的良渚、仁和、瓶窯等街道；其次是蕭山區(qū)，尤其是杭州灣一帶；再次是建德市，該市是草莓主產(chǎn)區(qū)，設(shè)施大棚發(fā)展早，種植面積較大。

表2 杭州市主要區(qū)縣農(nóng)業(yè)普查大棚面積

圖2 杭州市第3次農(nóng)業(yè)普查大棚面積空間分布

2.2 風(fēng)災(zāi)天數(shù)的時序變化

2.2.1 年際變化

造成杭州單體鋼架大棚重度損壞的大風(fēng)天數(shù)近20 a呈明顯下降趨勢(圖3)。20世紀50年代前期，大風(fēng)天數(shù)較少，為0～3 d；50年代后期至60年代初，大風(fēng)天數(shù)呈增多趨勢，在3～14 d之間；60年代中后期較少，在1～5 d之間；70—80年代前中期波動較大，最多的1981年有18 d，最少的1978年僅2 d；80年代后期開始，在波動中有所下降，90年代后期開始，處于較少階段，其中1999年、2001年、2003年和2008年未出現(xiàn)大風(fēng)天氣。運用MK(Mann-Kendall)方法進行突變分析，結(jié)果表明，杭州站的年大風(fēng)天數(shù)2001年發(fā)生突變，呈明顯的減少趨勢，之后沒有突變點。UF曲線表明，大風(fēng)天數(shù)在21世紀以前UF值波動較大，基本為正值，即大風(fēng)天數(shù)呈上升趨勢；21世紀之后，UF值為負值，最小值達-3.37，超過2.56臨界值，通過0.001的顯著性檢驗，表明杭州大風(fēng)天數(shù)呈顯著下降趨勢(圖4)。

在有極大風(fēng)速監(jiān)測的年份，6級風(fēng)和7級風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)的年際變化趨勢與8級風(fēng)的變化趨勢一致。

圖3 1951—2018年杭州大風(fēng)天數(shù)變化趨勢

圖4 1951—2018年杭州大風(fēng)天數(shù)變化MK檢驗

2.2.2 四季變化

杭州站大風(fēng)天數(shù)四季變化為春夏季較多，平均天數(shù)分別為1.5 d和2.0 d；秋冬季較少，平均天數(shù)分別為1.0 d和0.8 d(圖5)。

春季大風(fēng)天數(shù)在波動中下降，變化趨勢與年變化趨勢類似，春季大風(fēng)主要形成在冷空氣過境或者冷鋒前形成的颮線過境時，例如2018年3月4日大風(fēng)就是典型的颮線過境大風(fēng)[20]，這次大風(fēng)造成浙江瑞德農(nóng)業(yè)科技有限公司單體鋼架大棚棚架損壞25個，薄膜撕裂53個，損失幾十萬元。

夏季大風(fēng)天數(shù)也在波動中下降，但其變化趨勢不如年際變化明顯，主要是強烈的對流作用引起的突發(fā)性風(fēng)和臺風(fēng)(熱帶風(fēng)暴)影響，臺風(fēng)帶來的大風(fēng)往往持續(xù)時間較長，破壞力更強。例如2012年8月8日，受臺風(fēng)?？绊?，杭州7級以上大風(fēng)持續(xù)時間在10 h以上，余杭多地單體鋼架大棚重度受損；而突發(fā)性的大風(fēng)持續(xù)時間較短，破壞力相對較小。

秋季大風(fēng)近20年下降明顯，基本未出現(xiàn)大風(fēng)天氣，僅2005年、2007年、2017年、2018年出現(xiàn)過大風(fēng)天氣。

冬季大風(fēng)天數(shù)下降的趨勢與秋季類似，近20年基本未出現(xiàn)大風(fēng)天氣，僅1991—1993年、2016年出現(xiàn)大風(fēng)天氣。

圖5 1951—2018年杭州四季大風(fēng)天數(shù)

2.3 風(fēng)災(zāi)的空間分布

應(yīng)用杭州區(qū)域內(nèi)373個自動氣象站近5年逐小時的極大風(fēng)速資料，統(tǒng)計分析杭州單體鋼架大棚風(fēng)災(zāi)的空間分布特征。

2.3.1 風(fēng)災(zāi)的年空間分布

造成杭州單體鋼架大棚輕度、中度、重度受損的6級、7級和8級及以上風(fēng)力等級的年天數(shù)，臨安西北部、富陽安頂山、杭州灣等地分別在80 d、20 d和6 d以上；時次數(shù)分別在120時次、40時次、10時次以上。空間分布特征明顯(圖6)，均表現(xiàn)為臨安西北部、富陽安頂山、杭州灣較多，中心區(qū)域較少。主要原因是臨安西北部有天目山、大明山等高山，測站高度普遍在400 m以上，最高的雷達站高達1484 m；富陽安頂山主峰790 m，測站高度628 m，因此，臨安西北部和富陽安頂山等地風(fēng)力強、持續(xù)時間長。低海拔的杭州灣一帶因靠近大海，地勢空闊，出現(xiàn)大風(fēng)天數(shù)和時次數(shù)亦較多。其中杭州灣區(qū)域也是杭州設(shè)施大棚分布的主要區(qū)域，兩者疊加，需要加強防御，提高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)；杭州西北部也有一定量的設(shè)施大棚，其分布與相對低值區(qū)一致；設(shè)施大棚最集中的余杭中部，各級風(fēng)均處于較少區(qū)；杭州中心區(qū)域為低風(fēng)險區(qū)，設(shè)施農(nóng)業(yè)較少。

2.3.2 風(fēng)災(zāi)的季節(jié)空間分布

分季節(jié)來看，造成杭州單體鋼架大棚中重度受損的7級及以上風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)春夏秋冬分別為2.4 d、2.9 d、1.0 d和1.3 d，時次數(shù)分別為4.5時次、5.8時次、2.3時次、3.3時次，均為夏季最多、春季其次、秋季最少(圖7)；每次大風(fēng)的持續(xù)時間冬季最長、秋季次之、春季最短。春季主要是受強對流天氣影響，雷雨大風(fēng)天氣多，持續(xù)時間較短；夏季受臺風(fēng)和雷雨大風(fēng)的影響，出現(xiàn)7級及以上風(fēng)的次數(shù)多，持續(xù)時間相對較短；秋季是杭州秋高氣爽的季節(jié)，出現(xiàn)7級及以上風(fēng)的天數(shù)最少，但主要是受冷空氣影響，持續(xù)時間相對較長；冬季主要是受北方冷空氣影響，次數(shù)雖不多，但持續(xù)時間長[21]。

四季7級及以上風(fēng)表現(xiàn)為春夏季節(jié)分布范圍廣于秋冬季節(jié)，中心區(qū)域為低值區(qū)。各季分布均表現(xiàn)為臨安西北部地區(qū)7級及以上風(fēng)分布范圍最廣，該區(qū)域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的設(shè)施大棚面積均在40 hm2以下，分布面積較多的高虹鎮(zhèn)、板橋鎮(zhèn)、天目山鎮(zhèn)均有大風(fēng)天數(shù)和頻次數(shù)相對較低區(qū)域。7級及以上風(fēng)范圍次廣的區(qū)域是杭州東北部，包含富陽安頂山、西湖天竺山以及杭州灣一帶，其中安頂山、天竺山區(qū)域的鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)設(shè)施在20 hm2以下，大風(fēng)對農(nóng)業(yè)設(shè)施影響??；但杭州灣一帶66.67 hm2以上農(nóng)業(yè)設(shè)施的街道較多，大風(fēng)對設(shè)施農(nóng)業(yè)影響較大，是需要重點防范的區(qū)域。再次是千島湖湖區(qū)一帶，該區(qū)域以水域為主，農(nóng)業(yè)設(shè)施極少，危害較輕；杭州中心區(qū)域是7級及以上風(fēng)最少的區(qū)域，設(shè)施農(nóng)業(yè)相對較少。農(nóng)業(yè)設(shè)施最多的余杭中部區(qū)域，7級以上風(fēng)春夏季節(jié)相對較多，秋冬季節(jié)較少。

圖6 杭州6、7、8級風(fēng)年出現(xiàn)天數(shù)(a、b、c)和時次數(shù)(d、e、f)空間分布

圖7 杭州四季出現(xiàn)7級及以上大風(fēng)天數(shù)(a～d)和時次數(shù)(e～h)空間分布

3 結(jié)論和討論

(1)杭州年季大風(fēng)天數(shù)在波動中下降，2001年之后下降顯著，秋冬季尤為明顯，該結(jié)果與前人的研究結(jié)果類似[22-23]。這是因為近50 a北半球溫帶氣旋路徑向高緯度方向移動，造成高緯度氣旋增加和溫帶地區(qū)氣旋減少，中緯度的平均風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)減小[24]。

(2)造成設(shè)施大棚災(zāi)害的大風(fēng)空間分布表現(xiàn)為高山和沿海區(qū)域出現(xiàn)天數(shù)多、頻次高，低海拔區(qū)域出現(xiàn)天數(shù)少、頻次低；季節(jié)差異表現(xiàn)為春夏季多、秋冬季少。

(3)近20 a來，設(shè)施大棚發(fā)展迅速，同時大風(fēng)天數(shù)顯著減少的趨勢有利于設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，但不同區(qū)域設(shè)施大棚的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險不同，應(yīng)結(jié)合區(qū)域風(fēng)險水平和設(shè)施大棚發(fā)展現(xiàn)狀，進行針對性地發(fā)展和防范。就杭州而言，臨安西北部山區(qū)、富陽安頂山等高山區(qū)域，設(shè)施大棚風(fēng)災(zāi)風(fēng)險高，建議控制發(fā)展；杭州中心地帶，出現(xiàn)大風(fēng)天氣較少，可進一步發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)；杭州灣一帶既是風(fēng)災(zāi)高風(fēng)險區(qū)，也是設(shè)施農(nóng)業(yè)集中區(qū)，應(yīng)提高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，加強防范；設(shè)施農(nóng)業(yè)最集中的余杭中部，春夏兩季出現(xiàn)7級及以上風(fēng)相對較多，需要加強季節(jié)性防范。

(4)設(shè)施大棚綜合風(fēng)災(zāi)風(fēng)險等級除受大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)、持續(xù)時間、大棚分布影響外，還受大棚新舊程度、勞動力成本、生產(chǎn)者管理水平和防災(zāi)意識以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展水平等因素影響，綜合評價指標(biāo)有待進一步深入研究。

(5)風(fēng)災(zāi)是造成設(shè)施大棚損失的主要災(zāi)害，加強大風(fēng)監(jiān)測和預(yù)警，能有效降低農(nóng)業(yè)設(shè)施的損失。同時隨著數(shù)值預(yù)報技術(shù)的發(fā)展和遙感監(jiān)測水平的提高，結(jié)合設(shè)施大棚位置的針對性預(yù)警是未來農(nóng)業(yè)設(shè)施風(fēng)災(zāi)預(yù)警的發(fā)展方向。