典型天氣下三種結構溫室氣溫特征及預報模型研究

孟翠麗 楊文剛 黃永學 王涵 陳鑫 陸鵬程

摘要：選用武漢農業氣象試驗站的單體薄膜大棚、連棟薄膜大棚、PVC溫室為研究對象，分別研究了晴天、多云、陰天室內外氣溫的日變化特征，并構建了不同覆蓋方式下溫室內氣溫的預報模型。結果表明，PVC溫室保溫性能最好;單體薄膜大棚內氣溫升降速度快，升降幅度大。模型值與實測值的相對誤差在2.2%～8.7%之間，均方根介于0.7～1.7 ℃。模型擬合精度較高，可為武漢市不同結構設施蔬菜的溫室內溫度調控提供科學依據。關鍵詞：溫室;氣溫;預測;武漢

中圖分類號：S162.4 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）23-6033-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.061

Research on the Temperature Characteristics and Prediction Model for Different Structure Greenhouse in Typical Weather in Wuhan

MENG Cui-li， YANG Wen-gang， HUANG Yong-xue， WANG Han， LU Peng-cheng

（Wuhan National Agricultural Meteorology Station， Wuhan 430040， China）

Abstract： One-span plastic greenhouse，multi-span plastic greenhouse and PVC greenhouse were selected to study ?the diurnal characteristics of interior and outdoor temperature in sunny， cloudy and dusky day at Wuhan national agro-meteorological stations， and air temperature prediction model for each kind of greenhouse was developed using stepwise regression method. The results indicated that the thermal insulation property of PVC greenhouse was the best. Variety range of air temperature inside one-span plastic greenhouse was higher with quicker ascend and descend of the speed. The corresponding relative error were all between 2.2% to 8.7%，and the root mean square error（RMSE） were all between 0.7 to 1.7 ℃. The models was quite precisely，which could provide scientific basis for control and predication of air temperature inside the greenhouse of facility vegetables in Wuhan city.

Key words：greenhouse;air temperature;prediction;Wuhan city

設施蔬菜上市早、品質好、經濟效益大，已經成為農民增收的重要途徑。武漢市東西湖區位于武漢近郊，是武漢市民“菜籃子”所在地，近年來，武漢市設施蔬菜已成為種植業的主導產業。溫室內溫度直接影響著作物生長發育的全過程，溫度維持在一定范圍內，作物生長良好，溫度低于或高于某一閥值時，作物將停止生長甚至死亡。研究不同結構溫室氣溫的變化特征及預報方法，可為不同結構的設施蔬菜生產環境調控提供科學依據，也可提升氣象為農服務的水平，為農業現代化生產保駕護航。

國內外學者在溫室小氣候方面已有一定的研究[1-4]，符國槐等[5]基于逐步回歸方法構建了草莓的大棚氣溫預測模型;馬承偉等[6]建立了溫室多層覆蓋傳熱的理論模型;余朝剛等[7]基于神經網絡方法，構建了溫室室內溫度預報模型;金志鳳等[8]以楊梅為對象構建了大棚內的最高、最低氣溫BP神經網絡預測模型;陳丹等[9，10]研究了夏季和冬季單棟、三連棟、六連棟3種塑料大棚內外小氣候特征。前人研究多集中在單體薄膜塑料大棚、連棟薄膜大棚、北方日光溫室等，少有單體薄膜、連棟薄膜、PVC溫室3種結構溫室的對比分析。本研究選用冬季（2012年12月至2013年3月）3種結構溫室（單體塑料大棚、連棟塑料溫室、PVC溫室）內逐時的氣溫資料，根據日照百分率將天空狀況劃分為晴天、多云到少云、寡照3種類型，分別求冬季3種典型天氣狀況下逐時室內氣溫平均值，以期全面認識和評價不同結構溫室內的氣溫變化，為溫室環境模擬和預測提供理論基礎。在此基礎上，采用逐步回歸方法，構建了不同結構典型天氣條件下逐時預報模型。本研究可為武漢市設施蔬菜栽培環境管理和氣象服務提供依據。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗時間、地點

試驗觀測時間為2012年12月至2013年2月、2013年12月至2014年2月。小氣候觀測試驗地點位于武漢市東西湖區慈惠農場的武漢農業氣象試驗站，分別選取單棟塑料大棚（以下簡稱單棚）、兩連棟塑料大棚（以下簡稱連棚）、PVC溫室進行觀測。

1.2 ?方法

溫室內氣溫觀測的時間間隔為每10 min一次，觀測儀器為江蘇省無線電科學研究所有限公司生產的ZQZ-II型自動觀測儀;根據當日的日照百分率值劃分不同天氣類型，對比分析不同結構溫室在典型天氣條件下氣溫的日變化特征。采用逐步回歸方法建立不同結構溫室氣溫逐時預報模型，并對模型進行回代檢驗和獨立樣本預報檢驗。

2 ?結果與分析

2.1 ?典型天氣狀況下不同結構溫室內氣溫特征

2.1.1 ?晴天氣溫的日變化 ?大棚內的氣溫主要受太陽輻射的影響，晴朗天氣，3種覆蓋條件下氣溫日變化特征相似，均有明顯的上升和下降過程，且變化趨勢基本相同。日出之前，溫度呈緩慢下降趨勢，3種覆蓋條件下溫度均在7：00左右出現最低值，其中，連棚室內日最低值為0.008 ℃，單棚為-0.411 ℃，PVC溫室為1.572 ℃，室內氣溫日最低值從大到小的順序為PVC溫室、連棚、單棚;日出后，隨著太陽輻射的增加，棚內氣溫急速升高，連棚室內的日最高氣溫17.369 ℃出現在14：00，單棚28.863 ℃出現在13：00，PVC溫室18.976 ℃出現在14：00，室內氣溫日最高值從大到小為單棚、PVC溫室、連棚，連棚與PVC溫室氣溫達到峰值的時間接近，而單棚則較早達到日氣溫極大值;隨后溫度呈下降趨勢。連棚室內溫度的日較差為17.36 ℃，單棚為29.27 ℃，PVC溫室為17.40 ℃，單棚的日較差值最高，連棚與PVC溫室的日較差值較為接近（圖1）。

2.1.2 ?多云氣溫的日變化 ?由圖2可見，3種覆蓋條件下室內氣溫的日變化趨勢基本相似，日出之前，室內氣溫呈緩慢下降趨勢，三者均在7：00左右出現最低值，連棚日最低氣溫為1.40 ℃，單棚為1.62 ℃，PVC溫室為2.90 ℃，單棚與連棚較為接近，而PVC溫室則明顯高于其余兩者;隨后呈先升后降趨勢，至日落時分基本趨于平穩。連棚條件下，其峰值14.61 ℃出現在14：00，單棚峰值25.4 ℃出現在13：00，PVC溫室峰值16.5 ℃出現在14：00。室內氣溫日最高值從大到小為單棚、PVC溫室、連棚。連棚條件下氣溫日較差為13.21 ℃，單棚為23.85 ℃，PVC溫室為13.60 ℃，單棚的日較差值最高，連棚與PVC溫室較為接近。

2.1.3 ?陰天氣溫的日變化 ?如圖3所示，陰天太陽輻射較弱，溫度的上升和下降趨勢不明顯。陰天狀況下，連棚室內氣溫最高值8.24 ℃出現在14：00，最低值4.05 ℃出現在7：00，氣溫日較差4.18 ℃;單棚室內氣溫最高值12.59 ℃出現在13：00左右，最低值4.61 ℃出現在7：00，氣溫日較差7.98 ℃;PVC溫室室內氣溫最高值9.57 ℃出現在14：00左右，最低值4.97 ℃出現在7：00，氣溫日較差4.60 ℃;室內氣溫日最低值差異不大，出現時間一致。

2.2 ?典型天氣狀況下不同結構溫室模型構建及驗證

2.2.1 ?相關分析 ?為全面了解室外各氣象因子與溫室內氣溫變化的關系，選用逐時室外氣溫、室外相對濕度、室外風速、室外太陽輻射值與不同結構溫室內氣溫作相關分析，篩選出相關程度較高的因子作為模型因子。由相關分析的結果（表1）可知，室外氣溫與不同結構溫室內氣溫均有較高的相關性，說明室外空氣通過熱傳導與室內空氣進行熱交換直接影響室內氣溫變化。由于水汽的比熱容較空氣中其他氣體的大很多，濕度較大時，氣溫升高1 ℃所需的熱量就多，因此，室外空氣的相對濕度間接影響著室內氣溫，相關分析表明室外相對濕度與室內氣溫呈顯著負相關。風速表示空氣的流動速率，風速越大，空氣流動就越快，空氣的熱量交換速率就快。晴天、多云狀況下呈正相關，室外風速越大，室內氣溫值越高，陰天狀況下呈負相關，室外風速愈大，室內氣溫值愈低;太陽輻射是室內氣溫升高的直接熱量來源，3種覆蓋條件下晴天的相關系數最大，其次為多云，陰天最小，且3種天氣狀況下，單棚的相關系數較大，連棚和PVC溫室的較小。

2.2.2 ?典型天氣狀況下不同結構溫室內氣溫預報模型的構建 ?基于以上相關分析結果，選用多元逐步回歸方法，在SPSS 16.0軟件中構建不同結構溫室在典型天氣狀況下的預測預報模型。模型結果見表2，模型的復相關系數均大于0.9，表明模型擬合效果良好。

2.2.3 ?模型回代檢驗 ?為了驗證模型的可靠性，將典型天氣狀況下的逐時數據分別代入相應的模型，檢驗模型的擬合效果，模型值與實測值對比圖見圖4。

單棚晴天條件下，模擬的相對誤差7.2%，均方根誤差1.77 ℃，誤差絕對值<1.0 ℃的達59%、<2.0 ℃達85%;多云，模擬的相對誤差5.0%，均方根誤差1.6 ℃，誤差絕對值<1.0 ℃的達58%、<2.0 ℃達81%;陰天，模擬的相對誤差4.3%，均方根誤差1.36 ℃，誤差絕對值<1.0 ℃的達70%、<2.0 ℃達91%。

連棚晴天條件下，模擬的相對誤差7.9%，均方根誤差1.15 ℃，誤差絕對值<1.0℃的達74%、<2.0 ℃達91%;多云，模擬的相對誤差7.2%，均方根誤差1.05℃，誤差絕對值<1.0 ℃的達76%、<2.0 ℃達96%;陰天，模擬的相對誤差2.7%，均方根誤差0.70 ℃，誤差絕對值<1.0 ℃的達89%、<2.0 ℃達98%。

PVC溫室晴天條件下，模擬的相對誤差5.9%，均方根誤差1.65 ℃，誤差絕對值<1.0 ℃的達62%、<2.0 ℃達85%;多云，模擬的相對誤差4.8%，均方根誤差1.48 ℃，誤差絕對值<1.0 ℃的達56%、<2.0 ℃達87%;陰天，模擬的相對誤差2.2%，均方根誤差0.85 ℃，誤差絕對值<1.0 ℃的達87%、<2.0 ℃達97%。

2.2.4 ?模型預報檢驗 ?為了進一步驗證模型的可靠性，選取2013年12月24日作為典型晴天、2014年1月12日作為典型多云天，2014年1月28日作為典型陰天，對不同結構溫室模型進行獨立樣本預報驗證。模型預報值與實測值對比見圖5。

單棚在晴天條件下，預測值與實測值的變化特征大體趨于一致，最大為2.8 ℃;模擬的相對誤差6.1%，均方根誤差為1.49 ℃;多云誤差絕對值0.28～2.86，模擬的相對誤差6.0%，均方根誤差1.22 ℃;陰天誤差絕對值0.06～2.1，模擬的相對誤差6.1%，均方根誤差1.23 ℃。

連棚晴天條件下，室內氣溫模型值與實測值更為接近，更能夠準確反映其隨時間的變化規律。其誤差絕對值0.06～2.40，模擬的相對誤差8.7%，均方根誤差1.19 ℃;多云誤差絕對值0.02～1.70，模擬的相對誤差4.4%，均方根誤差0.91 ℃，陰天誤差絕對值0.11～0.92，模擬的相對誤差6.0%，均方根誤差0.55 ℃。

PVC溫室晴天條件下，誤差絕對值0.45～2.70，模擬的相對誤差9.0%，均方根誤差1.7 ℃，多云誤差絕對值0.15～2.10，模擬的相對誤差8.4%，均方根誤差1.05 ℃。陰天誤差絕對值0.01～1.01，模擬的相對誤差2.0%，均方根誤差0.65 ℃。

3 ?小結

本文研究了武漢地區不同結構溫室典型天氣狀況下氣溫的日變化特征。結果表明，晴天與多云條件下室內氣溫最低值單棚與連棚較為接近，PVC溫室明顯高于其余兩者;日較差單棚最為劇烈，而連棚與PVC溫室則較為接近;3種覆蓋條件下陰天室內氣溫日變化幅度明顯小于晴天、多云，尤其是陰天日最低氣溫值非常接近。

本研究選用通過90%以上顯著性檢驗的因子作為模型因子，采用多元逐步回歸方法構建預測模型，模型的復相關系數均大0.9，模擬值與實測值在1∶1線附近，離散程度低，模型的擬合效果良好。模型回代結果表明，誤差絕對值單棚晴天及多云、PVC溫室晴天及多云在81%～87%之間，其他模型均在90%以上。連棚、PVC溫室的擬合優度高于單棚，陰天時的擬合優度較其余兩種天氣。選取典型天氣對所建模型進行預測檢驗，3種覆蓋方式典型天氣條件下模型預測值與實測值變化趨勢一致，PVC溫室、連棚各模型的誤差絕對值小于單棚。晴天狀況下擬合的最大誤差均發生在午后的峰值處。

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