日光溫室地溫預報技術研究

楊 丹 薛曉萍 李 楠 王洪波 杜海波

（1鶴崗市氣象局，黑龍江鶴崗 154100；2山東省氣候中心，山東濟南 250031）

日光溫室地溫預報技術研究

楊 丹1，2薛曉萍2*李 楠2王洪波1杜海波1

（1鶴崗市氣象局，黑龍江鶴崗 154100；2山東省氣候中心，山東濟南 250031）

根據山東省萊蕪市2007～2011年冬季（12月至翌年2月）日光溫室內、外氣象觀測資料，分析了晴天、多云天、陰天不同天氣條件下日光溫室內地溫變化特征及其與溫室內外氣象要素的關系；以溫室內、外氣象要素為啟動因子，構建了未來3d10cm逐時地溫預報模型。結果表明：溫室內地溫與氣溫關系密切，其中當日及前期室外最高氣溫、最低氣溫對10cm逐時地溫影響較大；未來3d10cm逐時地溫預報模型中，晴天、陰天、多云天預報模型RMSE（均方根誤差）分別為0.7、0.6、0.8℃，陰天預報模型精度較晴天、多云天高；00：00～07：00、08：00～17：00、18：00～23：003個時段預報模型RMSE分別為0.6、0.7、0.6℃，00：00～07：00、18：00～23：00時段預報模型精度較08：00～17：00時段高；未來1、2、3d預報模型RMSE為0.5、0.6、0.8℃，預報精度隨預報時效延長逐漸降低。

日光溫室；地溫；預報模型

日光溫室主要用于園藝作物，尤其是蔬菜的冬季反季節生產，在其生產過程中，地溫是直接影響蔬菜播種、定植、生長發育的重要氣象因子之一，Walker（1969）研究表明，地溫變化1℃就能引起植物生長的明顯變化。若地溫低于作物根系生理活動所需溫度，根系生長將受阻，導致生長不良，甚至死亡（姜會飛 等，2004）。關于溫室內地溫的相關研究國內外已有大量報道，Kurpaska和Slipek（1996）觀測了加熱條件下不同深度土壤的溫度變化規律，為溫室熱環境模擬提供參數；Salomez和Hofman（2007）將溫室內10cm地溫作為輸入量構建了葉用萵苣生長模型；白增森等（1998）基于試驗觀測，對冬季日光溫室氣溫、地溫變化特征進行了描述；趙統利等（2008）對不同天氣條件下日光溫室內不同深度地溫的日變化規律進行了研究；佟國紅等（2010）采用CFD模擬技術，揭示了溫室內地溫邊際效應特征；云興福和張津來（1992）通過揭示太陽高度角與溫室內氣—地間溫度關系，以太陽高度角為驅動因子對溫室旬平均氣溫、地溫進行了預報；張仁祖等（2009）認為5cm地溫與2 h前的室內氣溫存在較好相關關系，基于相鄰時次（以小時為時間間隔）溫室內氣溫建立了地面和5cm地溫的預報模型；何雨等（2005）利用傳熱學理論，建立30min內溫室內、外氣象條件對室內地溫影響的理論預報模型。國外學者的研究基本是針對現代溫室而開展的，國內相關研究大部分集中在對溫室地溫變化特征進行簡單分析，而地溫模型的構建，或者啟動因子單一，預報精度受到限制，或者是預報時效短，無法在氣象保障服務中得到應用。

本試驗擬通過觀測番茄（Lycopersicon esculentummill.）日光溫室不同深度地溫，構建冬季溫室內未來3d10cm地溫動態預報模型，旨在為山東地區日光溫室未來地溫預報技術提供科學依據，對指導設施農業生產活動具有應用和參考價值，對保障區域糧食生產安全等具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

于2007～2011年冬季（12月至翌年2月）在山東省萊蕪市大下農場10號日光溫室內進行觀測。試驗溫室坐北朝南，東西長60m，南北跨度10m，脊高3m，東、西、北3面墻是厚度為1m的實土墻，前屋面覆蓋聚乙烯無滴膜，溫室內種植番茄，10月播種，11～12月定植，翌年3～4月開始采收。

溫室小氣候觀測要素包括室內氣溫、濕度、輻射和地溫（0、5、10、20、40cm），觀測儀器為ZQZ-A自動氣象站，數據采集頻次為1次·h-1。溫室外氣象資料來源于萊蕪市氣象局。

1.2 資料處理與分析

日光溫室主要能量來源于太陽輻射，不同天氣類型對溫室內小氣候影響存在較大差異，按照日照百分率法（P=日照時數/可照時數）將天氣劃分為晴天、多云天和陰天3種類型。其中，P≥0.6為晴天；0.2＜P＜0.6為多云天；P≤0.2視為陰天。預報模型主要采用逐步回歸方法構建。

1.3 模型檢驗

模型精度采用觀測值與預報值之間的均方差根RMSE（rootmean squared error）值進行檢驗，RMSE值越小，表明模型預報精度越高。用觀測值與預報值之間1∶1關系圖顯示模型擬合度和可靠性。

式中，Oi、Si、N分別表示觀測值、預報值和樣本數。

2 結果與分析

2.1 冬季日光溫室內地溫變化特征

2.1.1 日光溫室內地溫時空變化特征 由圖1可知，溫室內不同深度地溫之間變化趨勢基本一致，地溫的變化幅度受天氣類型影響較大，晴天地溫增溫幅度最大，多云天次之，陰天最小，其次無論晴天、陰天還是多云天，隨著土壤深度的加深，地溫變化幅度逐漸減小。

2.1.2 日光溫室內平均最高地溫時空變化特征

由表1可知，溫室內地面溫度平均最高值出現在14：00左右，5、10、20、40cm地溫平均最高溫出現時間較地面分別推遲1、2～3、7～10、9～18 h；隨著土層的加深，地溫變化具有滯后性，且深度越深，滯后時間越長。另外，天氣類型對地溫平均最高值出現時間有一定影響，與晴天相比，多云天、陰天除T0、T5沒有變化，T10提前1 h外，分別推遲1～5、3～9 h。2.1.3 日光溫室內地溫平均日較差變化特征

由表1可知，3種天氣類型下地面溫度、5cm、10cm、20cm、40cm地溫平均日較差分別為9.9、5.6、3.1、1.2、0.2℃，隨著土壤深度的加深，其平均日較差逐漸減小；另外，不同天氣類型下，地溫平均日較差亦存在較大差異，晴天、多云天、陰天不同深度地溫平均日較差分別為5.8、4.2、2.1℃，晴天地溫平均日較差最大，其次為多云天、陰天。

2.2 溫室地溫預報模型構建

按照晴天、多云天和陰天3種天氣類型，分別統計分析2007～2011年冬季溫室內地溫與溫室內外氣象要素觀測數據，充分考慮氣溫對地溫影響的滯后效應和數據的可獲取性，分別構建未來1、2、3d溫室內逐時地溫預報模型。由表2、3、4可見，除未來3d8：00～17：00時段外，其他預報模型決定系數（R2）均大于或等于0.80；其中，未來1d10cm逐時地溫受到當日及前一日室外最高氣溫、最低氣溫和前一日室內10cm地溫的影響較大，未來2、3d10cm逐時地溫預報模型中，預報因子的選取主要為前一日、前兩日室外最高氣溫、最低氣溫及前期不同時段室內10cm逐時地溫，其中前期不同時段室內10cm逐時地溫均為預報值。由于構建的是逐時地溫預報模型，除陰天00：00～07：00、18：00～23：00時段（因陰天、多云天、晴天預報模型較多，未列出陰天及多云天模型，只列出晴天預報模型），其他預報模型中時間均作為啟動因子被引入，取值為未來24 h的時間序數，即x=0，1，2…23。

圖1 2007～2011年冬季不同天氣類型條件下溫室內不同深度地溫日變化

表1 2007～2011年冬季不同天氣類型溫室內不同深度地溫平均最高值及平均日較差

表2 12月至翌年2月晴天溫室內未來1d10cm逐時地溫預報模型

表3 12月至翌年2月晴天溫室內未來2d10cm逐時地溫預報模型

表4 12月至翌年2月晴天溫室內未來3d10cm逐時地溫預報模型

2.3 模型檢驗

將2012年冬季的觀測數據帶入所構建的未來1、2、3d10cm逐時地溫預報模型中，可獲得其預報值，經與實測值相比，未來1、2、3d10cm逐時地溫絕對誤差平均為0.4、0.5、0.8℃，隨著預報時效的延長，誤差呈現為增大趨勢。晴天、多云天、陰天3類天氣條件下的平均誤差分別為0.5、0.7、0.5℃，多云條件下預報誤差較其他天氣類型大（表5）。

圖2、3、4為晴天條件下溫室內未來1、2、3d10cm逐時地溫預報值與實測值1∶1對比效果。通過圖2、3、4可以直觀清晰地進行模型檢驗。RMSE是2012年萊蕪冬季未來1、2、3d10cm逐時地溫預報模型的檢驗結果值。晴天、多云、陰天3類天氣條件下的RMSE平均值分別為0.7、0.8、0.6℃，00：00～07：00、08：00～17：00、18：00～23：003 個時段的RMSE平均值為0.6、0.7、0.6℃，未來1、2、3d10cm逐時地溫的RMSE平均為0.5、0.6、0.8℃，RMSE值均低于最高地溫25℃的10%，預報效果理想。

表5 2012年冬季不同天氣類型溫室內未來1、2、3d10cm逐時地溫預報誤差

圖2 萊蕪市2012年12月至2013年2月晴天條件下溫室內未來1d10cm地溫實測值與預報值1∶1對比效果圖

圖3 萊蕪市2012年12月至2013年2月晴天條件下溫室內未來2d10cm地溫實測值與預報值1∶1對比效果圖

圖4 萊蕪市2012年12月至2013年2月晴天條件下溫室內未來3d10cm地溫實測值與預報值1∶1對比效果圖

3 結論與討論

3.1 溫室內地溫變化規律

不同天氣類型，溫室內地溫平均日較差為晴天最大，多云天次之，陰天最小；不同深度地溫平均日較差為地面最大，依次為5、10、20、40cm地溫，這是由于晴天土壤吸收太陽輻射儲存熱量多，溫度升高快，陰天外界氣溫低，溫室生產管理者開棚時間短甚至不開棚，白天基本沒有太陽輻射，地溫升溫緩慢；同時地面向地下傳輸熱量是一個緩慢的過程，使得深層地溫變化存在滯后性。

3.2 預報模型誤差分析

溫室內地溫在不同天氣類型、一天中不同時段受到太陽輻射影響、溫室生產管理等因素的影響，變化規律也存在較大差異；另外，鑒于溫室內作物根系的生理活動多在地下深度10cm左右（劉可群 等，2008），因此本試驗根據不同天氣類型、一天中不同時段的日光溫室內、外氣象因子（張仁祖 等，2009）及地溫間的相關關系構建對溫室內10cm地溫預報模型。

檢驗結果表明，陰天條件下預報精度較多云天、晴天高，主要是在缺乏太陽輻射情況下，溫室內由于得不到能量補充而氣溫偏低，為了保溫，生產者常縮短溫室通風時間甚至不通風，避免了過多的人為干擾；同樣，一天3個時段中，00：00～07：00、18：00～23：00時段預報效果較08：00～17：00好，主要也是由于白天通風等生產管理干擾了其自身的溫度變化特征，而在夜間蓋苫到清晨揭苫前，溫室內處于封閉狀態，影響室內地溫變化的因子相對較少，故預報準確率較高。不同天氣類型條件、不同時段，未來1、2、3d10cm地溫預報值具有較高的精度，且未來1d模型預報準確率最高，其次是2、3d，隨預報時效的延長，預報準確率降低，這是由于預報獲得的未來2、3d溫室內10cm逐時地溫與實測值存在一定的誤差，將其作為預報因子，會降低模型的準確率。

影響地溫變化的因素很多，本試驗在模型構建過程中主要是采用統計方法，未考慮不同深度間土壤熱傳導等物理過程（吳德讓 等，1994；楊麗中 等，2010），使模型的預報存在一定誤差，需進一步完善。

3.3 設施農業地溫研究展望

由于影響地溫變化的因素很多，不同日光溫室薄膜材料、透光率、通風管理，以及種植作物的種類與種植面積的差異直接影響著地面接收太陽輻射的多少及近地層大氣與土壤的熱量交換程度（巴彥，2005），溫室內能量平衡存在差異，有待于在今后的科研工作中進一步研究，以提高溫室地溫預報精度。

本試驗針對晴天、多云天、陰天3種天氣類型分別構建地溫預報模型，在正常的天氣條件下預報準確率較高，但在大風、降雨、降雪等極端天氣條件下，其預報精度受到制約，需要加強災害性天氣（李強和章芳，2007）條件下的預報模型構建。

巴彥.2005.草地不同蓋度條件下地溫變化規律初探.內蒙古氣象，（4）：27-29.

白增森，郭秀芳，丁玉川，張敬中.1998.日光溫室嚴冬季節氣溫與地溫的變化特征.中國蔬菜，（3）：31-32.

何雨，須暉，李天來.2005.遼沈Ⅰ型日光溫室環境特性的研究Ⅲ——冬季溫室氣溫、地溫變化規律及其相關性研究.農村實用工程技術：綠色食品，（6）：26-28.

姜會飛，廖樹華，葉爾克江，阿帕爾.2004.地面溫度與氣溫關系的統計分析.中國農業氣象，25（3）：1-4.

李強，章芳.2007.天氣預報節目中災害天氣預報服務的初步思考.氣象，33（1）：66-69.

劉可群，黎明鋒，楊文剛.2008.大棚小氣候特征及其與大氣候的關系.氣象，34（7）：101-107.

佟國紅，王鐵良，白義奎，劉文合，于威，趙榮飛.2010.日光溫室土壤溫度分布邊際效應的數值模擬.北方園藝，（15）：65-68.

吳德讓，李元哲，于竹.1994.日光溫室地下熱交換系統的理論研究.農業工程學報，10（1）：137-143.

楊麗中，陳菲菲，梅麗峰.2010.應用地溫數據的相關特征分析傳感器故障.氣象，36（5）：123-127.

云興福，張津來.1992.冬季太陽高度與日光溫室內氣地溫度關系的研究.內蒙古農牧學院學報，13（4）：74-79.

張仁祖，徐為根，張利華，王少平.2009.徐州地區日光溫室小氣候研究.江西農業學報，21（11）：74-79.

趙統利，朱朋波，邵小斌，陳翠竹，劉興滿.2008.4種天氣條件下日光溫室主要環境因子的日變化比較.江蘇農業科學，（2）：217-220.

Kurpaska S，Slipek Z.1996.Mathematicalmodel of heat andmass exchange in agarden subsoilduring warm-air heating.J Agric Eng Res，65（4）：305-312.

Salomez J，Hofmang.2007.A soil temperature/short-wave radiationgrowthmodel for butterhead lettuce under protected cultivation in Flanders.Journal of Plant Nutrition，30（3）：397-410.

Walker Jm.1969.One-degree increment in soil temperature affectsmaize seedling behavior.American Society Soil Science，33：729-736.

Studies ongeothermal Temperature Forecasting Technology in Solargreenhouse

YANGdan1，2，XUE Xiao-ping2*，LI Nan2，WANG Hong-bo1，DU Hai-bo1
（1Metrology Bureau of Hegang City，Hegang154100，Heilongjiang，China；2Climate Center of Shandong Province，Jinan250031，Shandong，China）

According to themeteorologicaldata observed inside and outside the solargreenhouse（December to next February）from2007 to2011，this paper analyzes thegeothermal temperature changing characteristic inside and outside the solargreenhouse，and its relationship withmeteorological elements inside and outside the solargreenhouse underdifferent weather conditions：sunny，overcast and cloudydays.Taking themetrological factors inside and outside of solargreenhouse as promoter，we constructed a hourlygeothermal temperature of10cm forecastmodel for3days in the future.The results indicated that thegeothermal temperature inside the solargreenhouse was closely related to the temperature.Thegeothermal temperature of10cm inside thegreenhouse was highly correlated with the lowest and highest temperatures outside the solargreenhouse on thatday and theday before；and in the3days hourlygeothermal temperature of10cm forecastmodel，the forecastmodel RMSE for sunny，overcast and cloudydays were0.7，0.6，0.8℃，respectively. The forecastmodel accuracy for overcastday is higher than that for sunny and cloudydays.The forecastmodel RMSE of00：00-07：00，08：00-17：00 and18：00-23：00 were0.6，0.7，0.6℃，respectively.And the forecastmodel accuracy of00：00-07：00，18：00-23：00 were higher than that of08：00-17：00.The forecastmodel RMSE for the nextday，the next2days and the next3days were0.5，0.6，0.8℃，and the forecast accuracy wasgraduallydecreased with the prediction time extension.

Solargreenhouse；Geothermal temperature；Forecastmodel

S625.5+1

A

1000-6346（2013）20-0054-07

2013-04-16；接受日期：2013-06-23

公益性行業（氣象）科研專項〔GYHY（QX）201006028，GYHY（QX）2010200906023〕

楊丹，女，助理工程師，專業方向：農業氣象預報與服務，E-mail：yang1859@126.com

* 通訊作者（Corresponding author）：薛曉萍，女，研究員，碩士生導師，專業方向：農業氣象預報與服務，E-mail：xxpdhy@163.com