朱蘭娟 楊軍 范遼生 王俊驕 楊欣潔
(杭州市氣象局,杭州 310051)
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)。
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。
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)
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。
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
2.2.1 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)
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
(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。