黃廣斌，李 超

(成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225)

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)系統(tǒng)亦稱為小氣候系統(tǒng)，設(shè)施中作物需要在外界多變的自然氣候條件下，創(chuàng)造一個(gè)適合作物生長(zhǎng)的小氣候環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、高產(chǎn)、低成本、高效益等可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。20世紀(jì)60年代，國(guó)外已有關(guān)于溫室小氣候的研究，Walker[1]等研究了在通風(fēng)溫室下對(duì)溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法，并在1965年全面建立了溫室的能量平衡模型；1971年Iwairi[2]等研究了白天溫室內(nèi)部氣溫的分布以及傳輸；在20世紀(jì)80年代，Pieters[3]等通過建立數(shù)學(xué)模型，研究了溫室覆蓋層水蒸氣凝結(jié)和靜態(tài)熱交換在夜間的進(jìn)行過程。至此，國(guó)外對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)的研究已經(jīng)從初步探索發(fā)展至成熟階段，現(xiàn)今則處于逐漸完善的過程中。中國(guó)日光溫室進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)始于20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者開始對(duì)設(shè)施中的光照、溫度、濕度等特征進(jìn)行大量的研究。楊艷超、劉壽東[4]等探明了冬春季山東萊蕪日光溫室內(nèi)氣溫的變化規(guī)律，并總結(jié)出不同天氣條件下溫室氣溫的差異性；魏瑞江、王春乙[5]等利用相關(guān)和逐步回歸分析，探明了不同天氣狀況下石家莊地區(qū)日光溫室內(nèi)冬季溫度、濕度和太陽(yáng)輻照度等小氣候特征以及與外界的關(guān)系，并建立了日光溫室內(nèi)外氣象要素的相關(guān)模型；王孝卿、李楠[6]等研究了壽光溫室小氣候變化規(guī)律及模擬方法，得出設(shè)施內(nèi)溫度、濕度等要素在不同天氣類型下的日變化規(guī)律，最后通過統(tǒng)計(jì)方法建立了模擬預(yù)報(bào)模型；林瑞坤、楊開甲[7]等探明了不同天氣條件下春季塑料大棚內(nèi)的土壤溫度日變化特征以及對(duì)氣溫的響應(yīng)。上述研究以某一類溫室內(nèi)的溫度要素分析居多，對(duì)要素變化或者日變化的詳細(xì)刻畫較少。文章著重研究了冬季設(shè)施站中氣溫的日變化規(guī)律，通過個(gè)例分析擬建氣溫日變化模型，用統(tǒng)計(jì)分析的方法研究氣溫日變化不同溫度特征變化區(qū)段的差異性，以及氣溫受不同天氣條件(不同云量)影響的情況。

1 數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理

1.1 觀測(cè)資料

山東設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展至今已具有相當(dāng)規(guī)模。設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由單純種植普通蔬菜發(fā)展到種植高檔蔬菜、瓜果、花卉以及家畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域。由簡(jiǎn)易塑料大棚發(fā)展到日光溫室，以及具有人工環(huán)境控制設(shè)施的現(xiàn)代化連棟溫室和植物工廠；由傳統(tǒng)耕作發(fā)展到自動(dòng)化、機(jī)械化作業(yè)[8]。山東省已經(jīng)建成了43個(gè)設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候觀測(cè)站，其中設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候觀測(cè)站的觀測(cè)要素包括：氣溫(單位：℃)、相對(duì)濕度(單位：%)、水汽壓(單位：hPa)、露點(diǎn)溫度(單位：℃)、地表溫度及不同層地溫(單位：℃)(包括0 cm，5 cm，10 cm和20 cm)、輻射輻照度(單位：W/m2)和CO2濃度(單位：ppm)等，觀測(cè)資料的時(shí)間選取為2016—2020年冬季的11月、12月和1月的逐小時(shí)觀測(cè)資料。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候觀測(cè)站建站時(shí)間普遍較短，在研究中去掉了一些觀測(cè)時(shí)間序列較短的觀測(cè)站，最后保留了較為完整的29個(gè)觀測(cè)站的資料進(jìn)行研究。

山東省觀測(cè)總云量的測(cè)站共計(jì)23個(gè)，均為國(guó)家地面觀測(cè)站，每天的觀測(cè)時(shí)次為08：00，11：00，14：00，17：00和20：00(北京時(shí)間)，時(shí)間段同樣選取2016—2020年的冬季(11月—次年1月)；山東省地面氣象站的觀測(cè)資料包括123個(gè)國(guó)家站和1743個(gè)區(qū)域站，所有資料均來自山東省氣象局。

1.2 設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候觀測(cè)站的地面站匹配處理方法

設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)代表的是設(shè)施內(nèi)部環(huán)境的氣象要素變化[9-11]，而設(shè)施內(nèi)氣象要素的變化主要受設(shè)施外部環(huán)境的氣象條件影響，為了方便后續(xù)研究，需要得到對(duì)應(yīng)設(shè)施站外部環(huán)境氣象數(shù)據(jù)，因此需要進(jìn)行設(shè)施站與地面站的匹配處理。

設(shè)Pi(i=1，2，…，n)表示山東省任一設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候觀測(cè)站，Qj(j=1，2，…，m)表示山東省任一地面自動(dòng)觀測(cè)站，Dij表示任意兩個(gè)測(cè)站Pi和Qj之間的歐式距離，其中n=29表示山東省設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的總數(shù)，m=1866表示山東省氣象觀測(cè)網(wǎng)地面觀測(cè)站的總數(shù)(含國(guó)家站和區(qū)域站)，則：

(1)

Si=min{Dij，j=1，m}

(2)

由于地面站中國(guó)家站的觀測(cè)資料比區(qū)域站更為精確，因此在采用公式(2)計(jì)算Si時(shí)應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：1)若匹配結(jié)果中的國(guó)家站和區(qū)域站的距離相等或者距離≤10 km時(shí)，優(yōu)先采用國(guó)家站；2)若匹配結(jié)果為多個(gè)區(qū)域站，則采用海拔差最小的區(qū)域站。從山東省29個(gè)設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候觀測(cè)站的地面觀測(cè)站的匹配結(jié)果可知，11個(gè)是國(guó)家地面站，18個(gè)是區(qū)域地面站。設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候觀測(cè)站的匹配站為區(qū)域站間的距離均≤6 km，設(shè)施站與匹配站為國(guó)家站間的距離均≤10 km，即可以為設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候觀測(cè)站找到相關(guān)的匹配站。

2 設(shè)施農(nóng)業(yè)觀測(cè)站氣溫日變化特征分析

2.1 氣溫日變化個(gè)例分析

溫度條件是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中最重要的外界環(huán)境氣象因子，是作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要條件。設(shè)施內(nèi)的氣溫主要受設(shè)施外的氣溫和太陽(yáng)輻射的影響，設(shè)施外氣溫分布和變化對(duì)設(shè)施內(nèi)氣溫起至關(guān)重要的作用[12]。日常業(yè)務(wù)工作中將山東劃分為4個(gè)區(qū)：東部半島、魯西北、魯中和魯南。文章從4個(gè)分區(qū)中各選取1個(gè)設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候觀測(cè)站作為個(gè)例分析參考站。從2019-01-01—2019-01-05(連續(xù)5 d)不同分區(qū)的設(shè)施站的氣溫變化情況和D0702站不同天氣條件設(shè)施內(nèi)氣溫日變化特征曲線(圖1)可知：1)設(shè)施內(nèi)的平均氣溫具有明顯的日變化周期性特征；2)設(shè)施內(nèi)的平均氣溫日變化幾乎呈現(xiàn)為單峰型變化曲線，并且日變化可以分為顯著變化階段和緩慢變化階段；3)由于不同的設(shè)施站內(nèi)小氣候環(huán)境差異較大，雖然氣溫日變化的趨勢(shì)具有一致性特征，但其不同站的日氣溫變化幅度大小是具有差異的；4)對(duì)同一站而言，氣溫受天氣條件影響日變化較大，尤其是在白天時(shí)段氣溫差異較明顯，表現(xiàn)為晴>多云>陰。其中不同天氣條件按日均總云量大小進(jìn)行劃分[13-15]：日均云量Cd<0.3為晴，0.30.8為陰。

圖1 不同天氣條件下設(shè)施內(nèi)氣溫日變化曲線

2.2 氣溫日變化概念化模型擬建

在設(shè)施內(nèi)氣溫日變化過程中，不管天氣條件如何，其白天時(shí)段的氣溫變化相對(duì)于夜間氣溫變化通常更為劇烈。所以可以根據(jù)不同的變化特征將氣溫日變化過程分為顯著變化區(qū)和平緩變化區(qū)，因此會(huì)存在兩個(gè)分界點(diǎn)，即顯著變化起點(diǎn)和顯著變化終點(diǎn)，其設(shè)施內(nèi)氣溫日變化概念化模型如圖2所示。通過對(duì)逐日的氣溫變化統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，顯著變化起點(diǎn)大頻率出現(xiàn)在09：00或10：00，而顯著變化終點(diǎn)則通常出現(xiàn)在日落前后。

2.3 不同區(qū)段氣溫日變化溫度值統(tǒng)計(jì)特征

根據(jù)D0702設(shè)施站213 d的氣溫?cái)?shù)據(jù)可以分別繪制氣溫日變化顯著變化區(qū)(白天段)和平緩變化區(qū)(夜間段)中的氣溫最高值(Tmax)和氣溫最低值(Tmin)。從整體上看，氣溫日變化顯著變化區(qū)中的Tmax變化趨勢(shì)較大，最大可達(dá)39.2 ℃，最小為8.8 ℃；平緩變化區(qū)段中的Tmax變化趨勢(shì)較為平緩，最大為20.9 ℃，最小為8.4 ℃；顯著變化區(qū)不同日期的最高氣溫變化差異較大，但平緩變化區(qū)中的最高氣溫差異較??；顯著變化區(qū)和平緩變化區(qū)中的Tmin變化曲線相對(duì)較為重合，其變化趨勢(shì)具有一致性，且溫度值差異較小。其中氣溫日變化顯著變化區(qū)中的Tmin最大達(dá)20.2 ℃，最小為5 ℃；平緩變化區(qū)中Tmin最大為16.6 ℃，最小為3.6 ℃。

為了更好地了解顯著變化區(qū)與平緩變化區(qū)中溫度變化的差異性，對(duì)該站213 d日氣溫?cái)?shù)據(jù)按氣溫變化的不同特征段所出現(xiàn)的頻數(shù)(天數(shù))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3)，可以得出：1)最高氣溫在顯著變化區(qū)中的跨度大，在5～40 ℃均有不同程度的頻數(shù)占比，其頻數(shù)占比較多的集中在20～40 ℃；平緩變化區(qū)中的跨度較小，基本以10～20 ℃為主要頻數(shù)占比。2)最低氣溫在顯著變化區(qū)和平緩變化區(qū)中的占比情況較為一致，均以5～20 ℃為主要頻數(shù)占比。

圖3 最低氣溫統(tǒng)計(jì)情況

3 設(shè)施內(nèi)其他要素日變化特征分析

與分析氣溫的方法相同，對(duì)設(shè)施內(nèi)其他各個(gè)要素進(jìn)行分析，分析結(jié)果繪制成表格(表1)。

表1 各要素日變化特征分析

1)“√”表示存在或明顯；2)“×”表示不存在或不明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候相關(guān)研究不斷受到各國(guó)學(xué)者關(guān)注。設(shè)施農(nóng)業(yè)中設(shè)施以其建造方便、造價(jià)低和使用壽命較長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，成為中國(guó)農(nóng)業(yè)小氣候發(fā)展的主要類型。文章以山東省單站為例，著重研究了設(shè)施內(nèi)氣溫日變化過程中不同時(shí)段的差異性，研究結(jié)果不僅為后續(xù)質(zhì)量控制過程中確立要素的閾值，從而建立山東省各個(gè)設(shè)施站內(nèi)不同要素、不同日變化時(shí)段的多閾值標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)，而且有助于人工調(diào)控小氣候內(nèi)要素，為制造設(shè)施內(nèi)作物最適宜的生長(zhǎng)發(fā)育條件、充分發(fā)揮設(shè)施溫室和大棚的生產(chǎn)優(yōu)越性提供依據(jù)。