肖 芳， 宋 洋， 楊再強(qiáng)，3

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210044； 2.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；3.江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210044)

近年來，氣候變化加劇了氣象災(zāi)害的發(fā)生，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，而研究農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)已成為當(dāng)務(wù)之急[1]。葡萄(VitisviniferaL.)為落葉藤本植物，是世界上最主要的水果之一，葡萄產(chǎn)量約占世界水果總產(chǎn)量的1/4。近年來，中國葡萄設(shè)施栽培發(fā)展十分迅速，而其產(chǎn)量和品質(zhì)受外界環(huán)境影響很大[2]。

關(guān)于設(shè)施小氣候特征和預(yù)報(bào)模型的研究國內(nèi)外有一定報(bào)道[3-5]。Ferreira等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法模擬了溫室大棚溫度和棚外太陽輻射、溫度、濕度、云量之間的關(guān)系[6]。Walker建立了一個(gè)溫室的能量平衡模型，但這個(gè)模型有較大的計(jì)算誤差，模型也較為簡單[7]。儲(chǔ)長樹等分析了塑料大棚內(nèi)溫度、濕度的變化規(guī)律[8]。近年來，不少學(xué)者對(duì)溫室小氣候的變化特征和預(yù)報(bào)模型也有了一些初步研究并取得一定成果。范遼生等利用逐步回歸方法構(gòu)建了一個(gè)大棚內(nèi)日最低氣溫預(yù)報(bào)模型，以大棚外氣溫、相對(duì)濕度、地溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、輻射等氣象要素作為自變量，構(gòu)建了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大棚內(nèi)最高、最低氣溫預(yù)測模型及溫濕度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬[9-11]。陳海生等對(duì)茶園塑料大棚內(nèi)外溫濕度的相關(guān)性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[12]。符國槐等采用多元逐步回歸統(tǒng)計(jì)方法，把大棚外空氣溫度、地面溫度及大棚內(nèi)空氣溫度作為模擬因素，對(duì)浙江省慈溪市設(shè)施葡萄大棚溫度、濕度進(jìn)行模擬，建立了溫室大棚冬、春季室內(nèi)氣溫預(yù)報(bào)模型[13]。辛本勝等利用熱平衡原理建立了日光溫室環(huán)境預(yù)測模型，能夠預(yù)測溫室內(nèi)溫度和濕度[14]。但是，目前對(duì)設(shè)施葡萄的小氣候預(yù)報(bào)模型仍比較欠缺，尚未開展設(shè)施葡萄精細(xì)化氣象服務(wù)，從而導(dǎo)致葡萄生長發(fā)育和果實(shí)品質(zhì)受到一定影響。本研究分析構(gòu)建設(shè)施葡萄小氣候預(yù)報(bào)模型，以減輕設(shè)施葡萄因農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失，有效增加設(shè)施葡萄種植的經(jīng)濟(jì)效益，并為設(shè)施葡萄的管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

試驗(yàn)于2015年1月至2016年9月在南京市浦口區(qū)盤城現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園(118°42′E、32°12′N)進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)大棚為鋼架結(jié)構(gòu)，頂高3.5 m、長25 m、寬18 m，南北走向，覆蓋蔬菜專用的淡綠大棚薄膜，其透光度為85%。大棚一般于10月底蓋膜，5月上旬揭膜。種植葡萄品種為紅地球，采用常規(guī)栽培方法進(jìn)行管理。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)大棚中心分別離地面1.5、3 m處各裝1個(gè)美國產(chǎn)Watchdog 2000型溫、濕度記錄儀，自動(dòng)記錄大棚內(nèi)的空氣溫、濕度，棚內(nèi)氣象要素值取同一時(shí)刻不同高度的平均值。棚外采集離地面1.5 m高度的氣溫、相對(duì)濕度、太陽輻射和風(fēng)速，采集頻率為10 s/次，存儲(chǔ)記錄每小時(shí)的平均值。對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用DPS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析[15]和逐步回歸分析[16]。由于2016年葡萄大棚內(nèi)小氣候變化規(guī)律與2015年相似，本研究葡萄大棚內(nèi)小氣候特征僅采用2015年1月1日至8月29日的觀測資料進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大棚內(nèi)小氣候特征

2.1.1 氣溫變化特征 由圖1可見，大棚內(nèi)、外日平均氣溫變化趨勢大致相同，均有很強(qiáng)的季節(jié)性變化；在1—8月觀測期間，大棚內(nèi)日平均氣溫差異相對(duì)較小，但均高于大棚外，棚內(nèi)日平均氣溫較棚外平均高 3.4 ℃；1—2月冬季大棚內(nèi)、外日平均氣溫相差較大，棚內(nèi)溫度較棚外平均高4.9℃；3—5月春季大棚內(nèi)、外日平均氣溫差減小，棚內(nèi)溫度比棚外平均高3.3 ℃；7—8月夏季大棚內(nèi)、外日平均氣溫相差較小，棚內(nèi)溫度比棚外平均僅偏高2.1 ℃。這主要是由于冬季外界氣溫較低，大棚一般不打開，白天有太陽輻射，棚內(nèi)氣溫迅速上升，夜晚由于薄膜保溫作用，使棚內(nèi)氣溫始終高于棚外，進(jìn)入春季后，晴天時(shí)常會(huì)導(dǎo)致棚內(nèi)氣溫超過35 ℃，甚至達(dá)到40 ℃，此時(shí)就須要打開大棚通風(fēng)降溫，隨著外界氣溫升高，開棚次數(shù)增加，到了夏季，大棚內(nèi)、外氣溫差異縮小。

一般而言，大棚內(nèi)氣溫受天氣條件的影響較大[17-19]。棚內(nèi)氣溫的變化主要受太陽輻射影響，不同天氣狀況下太陽輻射有所不同，導(dǎo)致室內(nèi)的氣溫變化也有所不同。由圖2可見，晴天時(shí)，白天棚內(nèi)氣溫明顯高于棚外，08：00后棚內(nèi)氣溫迅速升高，13：00左右達(dá)到最高值，最低溫度出現(xiàn)在06：00，棚外氣溫最高、最低值與棚內(nèi)出現(xiàn)時(shí)刻相同，10：00—11：00氣溫上升較快，晴天時(shí)氣溫會(huì)先下降再上升，呈現(xiàn)出“雙峰型”；陰天時(shí)，棚內(nèi)氣溫升幅較小，最高溫度出現(xiàn)13：00—15：00之間。

2.1.2 濕度變化特征 由圖3可見，大棚內(nèi)、外日平均濕度差異明顯，棚內(nèi)1—8月平均濕度為82%，較棚外增加14百分點(diǎn)。由圖4可見，晴天時(shí)，大棚內(nèi)外濕度變化差異相對(duì)較小，13：00—16：00出現(xiàn)較為明顯的差異；07：00日出后，隨著氣溫升高，棚內(nèi)外濕度均逐漸下降，13：00—16：00出現(xiàn)較低值，之后濕度逐漸增加；陰天時(shí)，大棚內(nèi)濕度變化幅度較小，大棚內(nèi)、外濕度變化日較差相對(duì)較小，但棚內(nèi)濕度明顯高于棚外；棚內(nèi)濕度的變化主要集中在白天08：00—18：00，夜間濕度變化相對(duì)較小。

2.2 大棚小氣候預(yù)報(bào)模型的建立

2.2.1 逐步回歸模型的建立 研究中常采用逐步回歸模型對(duì)大棚氣溫進(jìn)行預(yù)測，該模型為：

Y=b0+b1Xi+b2Xj+…+bnXn。

式中：b0是常數(shù)；Xi為逐步回歸模型中選入的變量；b1～bn為變量的相關(guān)系數(shù)。大棚外氣象因子對(duì)大棚內(nèi)氣溫有直接或間接的影響。白天，太陽輻射以短波透過覆蓋薄膜照進(jìn)大棚，入射的太陽輻射在接觸到各種表面時(shí)轉(zhuǎn)換為熱能，這些熱能又通過對(duì)流、長波輻射等方式散布到大棚空氣中；夜間，存儲(chǔ)在土壤中的熱量以長波輻射形式向四周散發(fā)，補(bǔ)償大棚所散失的熱量，以保證棚內(nèi)氣溫高于棚外氣溫[20-21]。在建立模型的樣本中，選取大棚外前1 d平均氣溫、前2 d的平均氣溫、相對(duì)濕度、地表溫度5、10、20、40 cm地溫平均值、最高值、最低值等氣象要素作為自變量，大棚內(nèi)氣溫、濕度作為因變量，應(yīng)用數(shù)理計(jì)算方法建立大棚內(nèi)氣溫、濕度的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，結(jié)果見表1。

表1 不同季節(jié)大棚內(nèi)日平均氣溫、濕度預(yù)測方程

2.2.2 逐步回歸方法模擬結(jié)果 采用逐步回歸方法模擬冬季、春季、夏季日平均氣溫，結(jié)果見圖5，模擬冬季、春季、夏季日平均氣溫基于1 ∶1線的決定系數(shù)(r2)分別為0.957、0.934、0.967，均方根誤差(RMSE)分別為0.590、0.580、0.432 ℃。采用逐步回歸法模擬冬季、春季、夏季日平均濕度，結(jié)果見圖6，模擬冬季、春季、夏季日平均濕度基于 1 ∶1 線的決定系數(shù)分別為0.840、0.814、0.958，均方根誤差分別為2.07%、3.12%、1.30%。

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)以南京盤城現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園設(shè)施葡萄大棚為對(duì)象，研究大棚內(nèi)外日平均氣溫、日平均濕度、逐時(shí)氣溫、逐時(shí)濕度、日最高溫度、日最低溫度的變化特征，以揭示設(shè)施葡萄塑料大棚的小氣候變化規(guī)律。結(jié)果表明，晴天時(shí)，白天大棚內(nèi)氣溫明顯高于棚外，08：00后棚內(nèi)氣溫迅速升高，13：00左右達(dá)到最高值，最低溫度出現(xiàn)在06：00，棚內(nèi)、外的氣溫最高值和最低值出現(xiàn)時(shí)刻基本相同；10：00—11：00時(shí)氣溫上升較快，為防止氣溫上升過高，12：00農(nóng)戶會(huì)開棚通風(fēng)，氣溫轉(zhuǎn)為緩慢上升或下降，晴天時(shí)氣溫會(huì)先下降再上升，呈現(xiàn)出“雙峰型”；陰天，棚內(nèi)氣溫升幅較小，最高溫度出現(xiàn)在13：00—15：00。溫室內(nèi)氣溫的變化主要受太陽輻射影響，氣溫日變化趨勢與太陽輻射變化相同。從氣溫日變化看，晴天氣溫的日變化幅度大于陰天，這與符國槐等的研究結(jié)果[13]基本一致。對(duì)大棚內(nèi)、外日平均濕度變化而言，晴天時(shí)，隨著氣溫的升高，濕度逐漸下降，13：00—16：00出現(xiàn)較低值，之后濕度逐漸增加；晴天天氣條件下，濕度日較差大，濕度的變化主要集中在08：00—18：00，夜間濕度基本無變化；陰天全天棚內(nèi)濕度明顯高于棚外，主要是因?yàn)殛幪齑笈锵鄬?duì)密閉，通風(fēng)少；陰天時(shí)，大棚濕度變化幅度相對(duì)較小，大棚內(nèi)、外濕度變化日較差較小。

逐步回歸方法能夠較好地反映常態(tài)條件下溫室內(nèi)、外氣象要素間的相互關(guān)系。本研究采用逐步回歸法對(duì)溫室大棚冬季、春季、夏季棚內(nèi)日平均氣溫、日平均濕度建立預(yù)測模型，模擬冬季、春季、夏季日均氣溫均方根誤差分別為0.590、0.580、0.432 ℃，模擬冬季、春季、夏季日均濕度均方根誤差分別為 2.07%、3.12%、1.30%，這與王萍等的研究結(jié)論[22]一致。

本研究的保溫大棚為南方標(biāo)準(zhǔn)塑料大棚，對(duì)于連棟溫室、日光溫室及玻璃溫室等其他溫室類型而言，其小氣候預(yù)報(bào)模型可能會(huì)有所不同，在應(yīng)用上存在一定的局限性，因此，在應(yīng)用其他溫室類型時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證。