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(jì)80年代開始，設(shè)施農(nóng)業(yè)引進(jìn)我國(guó)并得到快速發(fā)展。2010年開始，在地方政府補(bǔ)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(gè)蔬菜大棚受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失60余萬(wàn)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(jí)大風(fēng)，100余個(gè)單棟大棚吹倒，經(jīng)濟(jì)損失60余萬(wàn)元；2019年受第9號(hào)臺(tái)風(fēng)利奇馬影響，杭州213個(gè)自動(dòng)氣象站風(fēng)力超過(guò)8級(jí)，96.28 hm2大棚受損，直接經(jīng)濟(jì)損失274.9萬(wàn)元。

有關(guān)設(shè)施大棚的風(fēng)災(zāi)研究，楊再?gòu)?qiáng)等[4]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，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(duì)薄膜的抗風(fēng)能力進(jìn)行負(fù)壓試驗(yàn)，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(jìn)行單體大棚的風(fēng)壓系數(shù)試驗(yàn)對(duì)比，認(rèn)為大渦模擬方法對(duì)平均風(fēng)壓系數(shù)和峰值風(fēng)壓系數(shù)的預(yù)測(cè)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(dá)到6級(jí)、7級(jí)、8級(jí)及以上時(shí)，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(guò)不同風(fēng)力等級(jí)的大棚成災(zāi)率，將大棚受災(zāi)分為摧毀性風(fēng)災(zāi)、嚴(yán)重風(fēng)災(zāi)和一般風(fēng)災(zāi)3個(gè)等級(jí)；陳宇等[9]通過(guò)遼寧省農(nóng)業(yè)設(shè)施風(fēng)災(zāi)資料分析，認(rèn)為8級(jí)風(fēng)為北方設(shè)施農(nóng)業(yè)致災(zāi)的風(fēng)速指標(biāo)，9級(jí)風(fēng)則可能導(dǎo)致棚架、后墻坍塌，發(fā)生嚴(yán)重災(zāi)害。

根據(jù)大棚的風(fēng)災(zāi)指標(biāo)，結(jié)合各地臺(tái)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(shí)空特征，研究均基于國(guó)家站資料，未考慮自動(dòng)氣象站、風(fēng)持續(xù)時(shí)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(guó)家基準(zhǔn)氣候站、自動(dòng)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(jí)年際氣候變化規(guī)律以及不同風(fēng)力等級(jí)出現(xiàn)天數(shù)和時(shí)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(jí)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(lái)源與處理

1.1 資料來(lái)源

風(fēng)速資料選用極大風(fēng)速。因天氣預(yù)報(bào)用風(fēng)力等級(jí)表述風(fēng)速大小，預(yù)報(bào)要素為平均風(fēng)力等級(jí)和陣風(fēng)風(fēng)力等級(jí)，實(shí)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(duì)應(yīng)的風(fēng)力等級(jí)作為風(fēng)災(zāi)指標(biāo)。資料來(lái)源于杭州國(guó)家基準(zhǔn)氣候站和杭州區(qū)域內(nèi)經(jīng)過(guò)質(zhì)控的373個(gè)自動(dòng)氣象站的小時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)，站點(diǎn)分布如圖1。

杭州市國(guó)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(wú)極大風(fēng)速資料，因此，分析大風(fēng)天數(shù)年際變化時(shí)，采用天氣現(xiàn)象進(jìn)行大風(fēng)天數(shù)統(tǒng)計(jì)。大風(fēng)天數(shù)的計(jì)算按照中國(guó)氣象局《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》中的大風(fēng)天氣現(xiàn)象標(biāo)準(zhǔn)，以瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)17.0 m/s(或目測(cè)估計(jì)風(fēng)力達(dá)到或超過(guò)8級(jí))計(jì)1個(gè)大風(fēng)天數(shù)[13-14]。

杭州市各區(qū)縣大棚面積資料來(lái)源于第1次和第3次全國(guó)農(nóng)業(yè)普查，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道大棚面積資料來(lái)源于杭州市第3次農(nóng)業(yè)普查，資料由杭州市統(tǒng)計(jì)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(jìn)行單體鋼架大棚風(fēng)災(zāi)等級(jí)劃分，風(fēng)力等級(jí)參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 28591-2012 《風(fēng)力等級(jí)》劃分[15]。具體見表1。

表1 單體鋼架大棚風(fēng)災(zāi)等級(jí)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(jì)檢驗(yàn)方法，是氣候?qū)W進(jìn)行突變檢驗(yàn)的一種常用方法[16-17]，具體方法如下：

首先，構(gòu)造一原始時(shí)間序列X的秩序列SK：

其中，Sk:第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)，ri：第i個(gè)樣本的賦值，Xi、Xj：時(shí)間序列為i、j位置的X值，n：樣本數(shù)。

其次，定義統(tǒng)計(jì)變量：

E(Sk)=k(k+1)/4；

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

式中,UFk：統(tǒng)計(jì)變量，E(Sk):累計(jì)數(shù)Sk的均值,var(Sk):累計(jì)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(shì)變化，將時(shí)間序列X按逆序排列，再重復(fù)上述過(guò)程，同時(shí)使UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1),UB1=0。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)序列UFk和UBk，分析序列X的趨勢(shì)變化和突變的時(shí)間。若UFk>0，則表明序列呈上升趨勢(shì)；UFk<0則表明呈下降趨勢(shì)；當(dāng)它們超過(guò)臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。如果UFk和UBk這兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)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(bǔ)貼項(xiàng)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(zhǎng)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(duì)大棚長(zhǎng)度和抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)未做要求，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)是8元/m2。

圖1 373個(gè)自動(dòng)氣象站的位置及海拔高度

在地方政府補(bǔ)貼政策的激勵(lì)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(zhǎng)，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(shí)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(shì)(圖3)。20世紀(jì)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(shì)，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(dòng)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(dòng)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(yùn)用MK(Mann-Kendall)方法進(jìn)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(shì)，之后沒(méi)有突變點(diǎn)。UF曲線表明，大風(fēng)天數(shù)在21世紀(jì)以前UF值波動(dòng)較大，基本為正值，即大風(fēng)天數(shù)呈上升趨勢(shì)；21世紀(jì)之后，UF值為負(fù)值，最小值達(dá)-3.37，超過(guò)2.56臨界值，通過(guò)0.001的顯著性檢驗(yàn)，表明杭州大風(fēng)天數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)(圖4)。

在有極大風(fēng)速監(jiān)測(cè)的年份，6級(jí)風(fēng)和7級(jí)風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)的年際變化趨勢(shì)與8級(jí)風(fēng)的變化趨勢(shì)一致。

圖3 1951—2018年杭州大風(fēng)天數(shù)變化趨勢(shì)

圖4 1951—2018年杭州大風(fēng)天數(shù)變化MK檢驗(yàn)

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(dòng)中下降，變化趨勢(shì)與年變化趨勢(shì)類似，春季大風(fēng)主要形成在冷空氣過(guò)境或者冷鋒前形成的颮線過(guò)境時(shí)，例如2018年3月4日大風(fēng)就是典型的颮線過(guò)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(gè)，薄膜撕裂53個(gè)，損失幾十萬(wàn)元。

夏季大風(fēng)天數(shù)也在波動(dòng)中下降，但其變化趨勢(shì)不如年際變化明顯，主要是強(qiáng)烈的對(duì)流作用引起的突發(fā)性風(fēng)和臺(tái)風(fēng)(熱帶風(fēng)暴)影響，臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的大風(fēng)往往持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，破壞力更強(qiáng)。例如2012年8月8日，受臺(tái)風(fēng)?？绊懀贾?級(jí)以上大風(fēng)持續(xù)時(shí)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(shí)間較短，破壞力相對(duì)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(guò)大風(fēng)天氣。

冬季大風(fēng)天數(shù)下降的趨勢(shì)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(gè)自動(dòng)氣象站近5年逐小時(shí)的極大風(fēng)速資料，統(tǒng)計(jì)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(jí)、7級(jí)和8級(jí)及以上風(fēng)力等級(jí)的年天數(shù)，臨安西北部、富陽(yáng)安頂山、杭州灣等地分別在80 d、20 d和6 d以上；時(shí)次數(shù)分別在120時(shí)次、40時(shí)次、10時(shí)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(yáng)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(cè)站高度普遍在400 m以上，最高的雷達(dá)站高達(dá)1484 m；富陽(yáng)安頂山主峰790 m，測(cè)站高度628 m，因此，臨安西北部和富陽(yáng)安頂山等地風(fēng)力強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。低海拔的杭州灣一帶因靠近大海，地勢(shì)空闊，出現(xiàn)大風(fēng)天數(shù)和時(shí)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(qiáng)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(duì)低值區(qū)一致；設(shè)施大棚最集中的余杭中部，各級(jí)風(fēng)均處于較少區(qū)；杭州中心區(qū)域?yàn)榈惋L(fēng)險(xiǎn)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(lái)看，造成杭州單體鋼架大棚中重度受損的7級(jí)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(shí)次數(shù)分別為4.5時(shí)次、5.8時(shí)次、2.3時(shí)次、3.3時(shí)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(shí)間冬季最長(zhǎng)、秋季次之、春季最短。春季主要是受強(qiáng)對(duì)流天氣影響，雷雨大風(fēng)天氣多，持續(xù)時(shí)間較短；夏季受臺(tái)風(fēng)和雷雨大風(fēng)的影響，出現(xiàn)7級(jí)及以上風(fēng)的次數(shù)多，持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短；秋季是杭州秋高氣爽的季節(jié)，出現(xiàn)7級(jí)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(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；冬季主要是受北方冷空氣影響，次數(shù)雖不多，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)[21]。

四季7級(jí)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?yàn)榈椭祬^(qū)。各季分布均表現(xiàn)為臨安西北部地區(qū)7級(jí)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(duì)較低區(qū)域。7級(jí)及以上風(fēng)范圍次廣的區(qū)域是杭州東北部，包含富陽(yáng)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(duì)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(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)影響較大，是需要重點(diǎn)防范的區(qū)域。再次是千島湖湖區(qū)一帶，該區(qū)域以水域?yàn)橹?，農(nóng)業(yè)設(shè)施極少，危害較輕；杭州中心區(qū)域是7級(jí)及以上風(fēng)最少的區(qū)域，設(shè)施農(nóng)業(yè)相對(duì)較少。農(nóng)業(yè)設(shè)施最多的余杭中部區(qū)域，7級(jí)以上風(fēng)春夏季節(jié)相對(duì)較多，秋冬季節(jié)較少。

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

圖7 杭州四季出現(xiàn)7級(jí)及以上大風(fēng)天數(shù)(a～d)和時(shí)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(dòng)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?yàn)榻?0 a北半球溫帶氣旋路徑向高緯度方向移動(dòng)，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(lái)，設(shè)施大棚發(fā)展迅速，同時(shí)大風(fēng)天數(shù)顯著減少的趨勢(shì)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(xiǎn)不同，應(yīng)結(jié)合區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)水平和設(shè)施大棚發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)行針對(duì)性地發(fā)展和防范。就杭州而言，臨安西北部山區(qū)、富陽(yáng)安頂山等高山區(qū)域，設(shè)施大棚風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)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(xiǎn)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(qiáng)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(jí)及以上風(fēng)相對(duì)較多，需要加強(qiáng)季節(jié)性防范。

(4)設(shè)施大棚綜合風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)除受大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)、持續(xù)時(shí)間、大棚分布影響外，還受大棚新舊程度、勞動(dòng)力成本、生產(chǎn)者管理水平和防災(zāi)意識(shí)以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素影響，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)有待進(jìn)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(qiáng)大風(fēng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，能有效降低農(nóng)業(yè)設(shè)施的損失。同時(shí)隨著數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展和遙感監(jiān)測(cè)水平的提高，結(jié)合設(shè)施大棚位置的針對(duì)性預(yù)警是未來(lái)農(nóng)業(yè)設(shè)施風(fēng)災(zāi)預(yù)警的發(fā)展方向。