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能力較弱，氣象災害影響大[2]。2008年4月9日，大風造成杭州市480個蔬菜大棚受災，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，100余個單棟大棚吹倒，經(jīng)濟損失60余萬元；2019年受第9號臺風利奇馬影響，杭州213個自動氣象站風力超過8級，96.28 hm2大棚受損，直接經(jīng)濟損失274.9萬元。

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

根據(jù)大棚的風災指標，結合各地臺站風速資料，黃川容[10]、麻炳欣[11]、張永紅[12]等分析了北京、上海、渭南等地風災天數(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)單體鋼架大棚風災指標和杭州國家基準氣候站、自動氣象站資料，分析造成杭州單體鋼架大棚受損的風力等級年際氣候變化規(guī)律以及不同風力等級出現(xiàn)天數(shù)和時次數(shù)的空間分布，結合杭州第3次農(nóng)業(yè)普查的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級設施大棚發(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

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

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

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

表1 單體鋼架大棚風災等級及危害表現(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，是氣候學進行突變檢驗的一種常用方法[16-17]，具體方法如下：

首先，構造一原始時間序列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為標準正態(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，那么交點對應的時刻就是突變開始的時間。

2 結果與分析

2.1 杭州大棚布局

杭州標準鋼架大棚主要有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型鋼棚是杭州市標準鋼架大棚的主推類型[1]。根據(jù)《2011年浙江省設施農(nóng)業(yè)設備補貼項目管理辦法(試行)》中的“設施農(nóng)業(yè)設備建設標準”要求，單棟塑料鋼架大棚GP825的結構參數(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，對大棚長度和抗風標準未做要求，補貼標準是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 風災天數(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，大風天數(shù)較少，為0～3 d；50年代后期至60年代初，大風天數(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)大風天氣。運用MK(Mann-Kendall)方法進行突變分析，結果表明，杭州站的年大風天數(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，大風天數(shù)在21世紀以前UF值波動較大，基本為正值，即大風天數(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，表明杭州大風天數(shù)呈顯著下降趨勢(圖4)。

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

圖3 1951—2018年杭州大風天數(shù)變化趨勢

圖4 1951—2018年杭州大風天數(shù)變化MK檢驗

2.2.2 四季變化

杭州站大風天數(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日大風就是典型的颮線過境大風[20]，這次大風造成浙江瑞德農(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)性風和臺風(熱帶風暴)影響，臺風帶來的大風往往持續(xù)時間較長，破壞力更強。例如2012年8月8日，受臺風?？绊懀贾?級以上大風持續(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)性的大風持續(xù)時間較短，破壞力相對較小。

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

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

圖5 1951—2018年杭州四季大風天數(shù)

2.3 風災的空間分布

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

2.3.1 風災的年空間分布

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?？臻g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)大風天數(shù)和時次數(shù)亦較多。其中杭州灣區(qū)域也是杭州設施大棚分布的主要區(qū)域，兩者疊加，需要加強防御，提高建設標準；杭州西北部也有一定量的設施大棚，其分布與相對低值區(qū)一致；設施大棚最集中的余杭中部，各級風均處于較少區(qū)；杭州中心區(qū)域為低風險區(qū)，設施農(nóng)業(yè)較少。

2.3.2 風災的季節(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，雷雨大風天氣多，持續(xù)時間較短；夏季受臺風和雷雨大風的影響，出現(xiàn)7級及以上風的次數(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級及以上風分布范圍最廣，該區(qū)域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的設施大棚面積均在40 hm2以下，分布面積較多的高虹鎮(zhèn)、板橋鎮(zhèn)、天目山鎮(zhèn)均有大風天數(shù)和頻次數(shù)相對較低區(qū)域。7級及以上風范圍次廣的區(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)設施在20 hm2以下，大風對農(nóng)業(yè)設施影響小；但杭州灣一帶66.67 hm2以上農(nóng)業(yè)設施的街道較多，大風對設施農(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)設施極少，危害較輕；杭州中心區(qū)域是7級及以上風最少的區(qū)域，設施農(nóng)業(yè)相對較少。農(nóng)業(yè)設施最多的余杭中部區(qū)域，7級以上風春夏季節(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級及以上大風天數(shù)(a～d)和時次數(shù)(e～h)空間分布

3 結論和討論

(1)杭州年季大風天數(shù)在波動中下降，2001年之后下降顯著，秋冬季尤為明顯，該結果與前人的研究結果類似[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，中緯度的平均風速和大風日數(shù)減小[24]。

(2)造成設施大棚災害的大風空間分布表現(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，設施大棚發(fā)展迅速，同時大風天數(shù)顯著減少的趨勢有利于設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，但不同區(qū)域設施大棚的風災風險不同，應結合區(qū)域風險水平和設施大棚發(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，設施大棚風災風險高，建議控制發(fā)展；杭州中心地帶，出現(xiàn)大風天氣較少，可進一步發(fā)展設施農(nóng)業(yè)；杭州灣一帶既是風災高風險區(qū)，也是設施農(nóng)業(yè)集中區(qū)，應提高建設標準，加強防范；設施農(nóng)業(yè)最集中的余杭中部，春夏兩季出現(xiàn)7級及以上風相對較多，需要加強季節(jié)性防范。

(4)設施大棚綜合風災風險等級除受大風出現(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)者管理水平和防災意識以及當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展水平等因素影響，綜合評價指標有待進一步深入研究。

(5)風災是造成設施大棚損失的主要災害，加強大風監(jiān)測和預警，能有效降低農(nóng)業(yè)設施的損失。同時隨著數(shù)值預報技術的發(fā)展和遙感監(jiān)測水平的提高，結合設施大棚位置的針對性預警是未來農(nóng)業(yè)設施風災預警的發(fā)展方向。