山西省日光溫室低溫寡照災害分析

李海濤，王志偉，趙永強

（山西省氣候中心，山西太原030002）

山西省日光溫室低溫寡照災害分析

李海濤，王志偉，趙永強

（山西省氣候中心，山西太原030002）

基于山西省108個氣象觀測站1961—2010年近50 a的逐日氣象資料，通過查閱文獻和實地調研，構建了適合山西本地化的日光溫室低溫寡照災害指標，運用IDL編程語言對數據進行篩選，計算出不同等級災害發生的次數；并在此基礎上，構建了低溫寡照災害指數，對災害數據進行標準化處理，利用GIS技術進行克里金插值，得到了山西省低溫寡照氣象災害時空分布特征。結果表明，山西省低溫寡照災害主要發生在冬季，占全年災害的90%之多，以1月份最為頻繁；山西省低溫寡照災害主要分布在大同盆地、忻定原盆地、太原晉中盆地以及長治盆地，其余地區發生較少；山西省低溫寡照災害發生頻率隨時間推移呈不斷增加趨勢，20世紀90年代以后呈幾何指數增長，其中以重度災害增加較為明顯。該研究結果可為山西省設施農業布局、氣候資源利用和防災減災決策服務提供依據。

日光溫室；低溫寡照；時空分布；GIS技術

設施農業已經成為山西省現代農業的主要發展方向之一，到目前為止，山西省設施農業面積超過12萬hm2，而日光溫室面積就達6.7萬多hm2。在山西省日光溫室生產中，低溫寡照災害已經成為影響設施蔬菜正常生長和農民增收的農業氣象災害之一[1]。低溫寡照天氣會對設施蔬菜生長發育和品質產生影響，如植株生長受阻，生長發育不良，品質下降和出現畸形果等癥狀[2-3]，因此，開展山西省日光溫室低溫寡照時空特征分析對設施農業氣候區劃和生產布局，以及相關部門有針對性地開展防災減災具有重要意義。

國內外關于日光溫室低溫寡照災害的研究，主要集中在低溫寡照對蔬菜生理特征[4-6]、需光特性[7-9]、光合作用[10-12]、風險分析[13-14]等方面，而在低溫寡照災害時空分布特征分析方面相對較少。在低溫寡照災害指標研究方面，葉彩華等[15-16]通過探討日光溫室發生連陰寡照的原因，提出了連陰寡照災害氣象預警指標；魏瑞江等[13-17]構建了河北省低溫寡照災害指標，并據此建立了監測預警系統，進行了測試，而且應用到了河北省日光溫室蔬菜生產中，可對低溫寡照所發生的范圍、強度等進行動態監測預警，開展低溫寡照災害影響和氣象服務的定量化評估[18]。但關于山西省日光溫室的低溫寡照災害分布規律的研究尚未見報道。

本研究擬通過構建一個適合山西省的低溫寡照災害指標，探討山西省近50 a日光溫室低溫寡照災害時空分布特征，其結果可為山西省設施農業氣候區劃及防災減災決策服務提供依據。

1 資料和方法

1.1 低溫寡照災害指標的提出

關于低溫寡照災害指標，目前國內學者提出的較少。通過查閱文獻，僅魏瑞江[13，19]從日光溫室外部與內部的氣象要素變化規律入手，以日照時數和最低溫度對蔬菜生長的影響程度為依據，提出了河北省日光溫室生產中低溫寡照災害指標。通過實地調研和試驗研究，將指標進行了山西本地化處理，認為山西省日光溫室低溫寡照災害指標的構建，必須包括日照時數和室外最低氣溫這2個因素。據實地調查顯示，當逐日日照時數在3 h以上時，日光溫室內的溫度一般能夠達到蔬菜生長發育的要求，若小于3 h時，蔬菜生長就會受到影響，且日照時數越少，受到的影響就越大；當溫室內氣溫低于10℃時，蔬菜正常生長就會受到抑制，當溫室內氣溫低于5℃時，蔬菜就會遭受凍害，而此時外界溫度也都在－10℃以下。

通過實地調查研究，山西省日光溫室內種植的蔬菜主要為番茄、黃瓜和西葫蘆等，占到全部蔬菜的90%以上，之所以大面積種植，與這3種蔬菜對氣溫和日照的要求有關。如番茄生長的適宜溫度為20～30℃，黃瓜適宜溫度為25～32℃，西葫蘆適宜溫度為20～25℃，當溫度超過35℃時，同化作用小于呼吸作用，影響干物質的積累；當溫度低于15℃時，停止開花結實；當溫度低于10℃時，停止生長；當溫度低于5℃時，蔬菜生長受到抑制；當溫度低于0℃時，植株死亡[20]。所以，低溫寡照災害對不同蔬菜所造成的危害和影響是不同的，筆者選擇對光、溫、水較敏感且種植最為普遍的番茄等來進行災害等級的劃定，具有很好的代表性。山西省低溫寡照災害指標具體列于表1。

表1 山西省低溫寡照災害指標

1.2 低溫寡照災害指標的驗證

根據表1所確定的低溫寡照指標，隨機選擇了2013年1月份和2014年1月份這2個時間段，依據指標進行篩選、統計和比較，結果顯示，山西省北部3個地市都出現了中度以上災害，其中，大同市最為嚴重，出現了重度災害（表2，3）。經實地調查發現，2013年1月和2014年1月這2個月低溫寡照天氣發生頻繁，對山西省日光溫室內種植的蔬菜如番茄、黃瓜、西葫蘆等造成了嚴重影響，超過90%的溫室內蔬菜產量減少1/2以上，蔬菜品質下降，成熟期延遲，部分蔬菜直接被凍死，絕收現象普遍，僅大同市就損失了上億元。說明依據表1中構建的災害等級指標所判定出的結果與實際情況一致（表2，3）。通過驗證認為，本研究所構建的低溫寡照指標可以用來研究山西低溫寡照災害的時間和空間分布情況。

表2 2013年1月山西省11個市出現低溫寡照次數

表3 2014年1月山西省11個市出現低溫寡照次數

2 資料選取和指數構建

2.1 資料選取和處理

選取山西省108個氣象觀測臺站1961—2010年近50 a的逐日氣象資料，主要包括逐日日照時數和室外最低氣溫，依據所建立的低溫寡照指標，運用IDL（Interactive Data Language）語言[21]編程，對山西省108個氣象觀測站的逐日數據進行篩選、提取和計算，統計出每個氣象觀測站的災害發生次數和程度。全省（市）災害發生次數分別按全省和地市進行了統計。本研究所使用的數據來源于山西省信息中心。

2.2 指數構建

為了實現數據的可比性，就要對災害數據進行標準化處理。

數據標準化處理后，為了直觀地反映低溫寡照災害的時空分布狀況，特構建了一個低溫寡照指數。

式中，k為災害指數；ai為不同等級災害發生頻率；n為年數；hi為不同等級低溫寡照災害所對應地蔬菜減產率的參考值，輕度、中度和重度寡照災害的hi分別對應的是20%，50%和85%。該參考值參考文獻[22]。

計算結果基于ArcGIS軟件中空間分析方法，運用克里金插值法[23-24]對低溫寡照指數進行了空間插值。首先，將低溫寡照災害指數與緯度、經度、海拔高度、坡度和坡向建立了回歸模型；其次，利用克里金插值方法，將殘差進行再次空間內插，得到殘差的空間分布圖；最后，將殘差分布圖與低溫寡照災害指數的空間分布圖進行疊加，得到了經過訂正后的低溫寡照空間分布圖，使得結果的精度更高、更準確。

3 結果與分析

3.1 月變化特征

根據建立的低溫寡照指標，運用IDL語言程序對全省108個氣象觀測站日照時數和最低氣溫進行處理分析，計算出1961—2010年山西省11個地（市）低溫寡照災害發生次數和頻率。

由圖1可知，山西省低溫寡照災害發生時間為每年的11月份到翌年的3月份，其中，以1月份發生最為嚴重，其次是12月和2月，11月和3月發生最少。經過統計可知，11月至翌年3月，山西省低溫寡照災害分別發生了40，567，1 437，401，19次，分別占總次數的1.6%，23.0%，58.3%，16.3%和0.8%。據統計，山西省近50 a共發生了2 916次低溫寡照災害，輕度災害、中度災害和重度災害分別發生了1 788，1 039，89次，分別占總發生次數的61.4%，35.6%和3.0%。發生次數最多的地區主要分布在晉中、忻州、呂梁和長治這4個市，發生次數分別為875，366，331，311次，分別占總發生次數的30.0%，12.6%，11.4%和10.7%。其余縣市的發生次數較少，所占比例都在10%以下。通過計算得出，低溫寡照災害發生頻次從高到低依次為晉中、忻州、呂梁、長治、臨汾、大同、朔州、太原、晉城、運城和陽泉，分別為17.5，7.32，6.62，6.22，5.04，4.00，3.32，2.86，2.16，1.68，1.60次/年（圖1）。

3.2 季節變化特征

將12個月的計算結果，按照春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月）這4個季節進行再次統計，得到低溫寡照災害在不同季節的發生次數和頻率（圖2）。從圖2可以看出，在這4個季節中，冬季的發生頻率最大，平均每年發生4.37次，占全年發生總次數的97%，這與河北省的情況相一致[13]；其次是春、秋季，平均每年分別發生0.03，0.07次，占全年總次數的1%和2%；夏季沒有災害發生。可見，山西省低溫寡照災害發生時段集中在冬季，也就是12月到翌年的2月份。從地區來說，忻州、晉中、呂梁和長治這4個地區的災害發生次數要明顯高于其他7個地區。

3.3 年際變化特征

對全省108個站1961—2010年近50 a的輕度、中度和重度災害進行逐年統計，將每年的值與50 a的平均值進行比較，計算出逐年距平百分率，利用5階多項式進行擬合，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，輕度、中度、重度和累計低溫寡照災害都隨時間推移呈不斷增長的趨勢，1975年前，輕度和中度低溫寡照災害發生頻率呈增加趨勢，在1975年出現峰值；1975—1990年，輕度和中度低溫寡照災害發生頻率都呈下降趨勢，在1990年出現了極值；1990年后，輕度和中度，特別是重度低溫寡照災害發生頻率呈顯著上升趨勢，呈幾何增長態勢，在2008年達到極值。該結果與郝智文等[25]對山西省的近50 a日照日數的分析結果相符合：山西省在20世紀90年代以后，日照時數呈明顯下降趨勢，特別是冬季，表現尤為明顯。

3.4 空間分布特征

按照公式（2）對山西省108個站點的低溫寡照災害次數進行統計和計算，得到108個站點的低溫寡照災害指數值，并進行空間插值[26]，結果如圖4所示。從圖4可以看出，從空間上來看，山西省低溫寡照災害發生程度東部大于西部、北部大于南部。從北到南的大同盆地、忻定原盆地、太原晉中盆地以及長治盆地是低溫寡照災害發生的重災區，其中，忻州的原平、定襄和忻府區，以及太原的清徐、晉中的平遙、介休，呂梁的汾陽、文水表現尤為明顯。晉北、晉中和晉東南較晉南地區低溫寡照災害年發生頻率及程度均顯著增加。這與范曉輝等[27-28]的研究結果相一致，證明了近50 a山西省年平均日照時數呈顯著減少趨勢以及自20世紀90年代以來減少更為明顯的結論。

4 討論與結論

本研究表明，在1961—2010年，山西省低溫寡照災害發生變化可以分為2個階段，第1個階段為1990年之前，輕度、中度和重度低溫寡照災害發生頻率和程度增幅較小；第2個階段為1990年之后，不同程度低溫寡照災害發生頻率和程度增幅較大，特別是重度低溫寡照災害，增幅尤為明顯，呈幾何增長態勢。山西低溫寡照災害主要發生在每年的11月至翌年3月，其中以1月和12月為主；以季節來說，災害主要發生在冬季，幾乎占全年寡照災害的90%之多，其次是春季和秋季，夏季不發生。這與范曉輝等[27]對山西近50 a日照時數的時間序列變化特征研究結果相一致。從災害空間分布上看，山西省東部地區要多于西部地區，從北向南的大同盆地、忻定原盆地、太原晉中盆地以及長治盆地是低溫寡照災害發生的重災區，該研究結果與郝智文等[25]研究的山西省日照時數的空間分布趨勢一致。該研究結果形成的低溫寡照空間分布圖，可以為設施農業布局、氣候區劃以及相關部門開展防災減災提供技術支持。

本研究所構建的低溫寡照指標，綜合了低溫和寡照2個概念，由于受低溫的影響，把研究時段重點局限到了冬季，若僅從寡照這個因素考慮，山西的臨汾、運城盆地寡照災害發生頻率也較高，今后應該單獨對寡照災害進行分析研究，以彌補該研究的不足。

本研究的低溫寡照災害指標是在前人研究基礎上構建的，然而受所處地區、作物種類、種植方式等因素影響，其對低溫寡照天氣的反映也不同，不同區域、不同省份低溫寡照災害指標也不同，今后需要進一步開展試驗和實地調查，系統開展不同蔬菜所對應的低溫寡照災害指標研究，以豐富蔬菜指標體系。

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Analysis of Low Temperature and Sparse Sunlight Disaster of Solar Greenhouse in Shanxi Province

LI Hai-tao，WANG Zhi-wei，ZHAO Yong-qiang
（Shanxi Climate Center，Taiyuan 030002，China）

Based on the daily data at 108 meteorological stations in Shanxi province from 1961 to 2010,after a review of the literature and field research,the paper constructed a suitable localized Shanxi greenhouse low temperature and spare sunlight disaster index,used IDL programming language to filter data,calculated the number of different levels of disaster.On this basis,a low temperature and few sunshine disaster index was built in the paper,the data were normalized to the disaster,the time and space distribution of low temperature and few sunshine disasters in Shanxi province was obtained by the use of GIS technology Kriging.The results showed that: the most and heaviest disaster occurred in winter,making up 90%of a year,while January was the most frequently;a low temperature and few sunshine disaster were mainly in Datong basin,Xindingyuan basin,Taiyuan,Jinzhong basin and Changzhi basin,the rest occurred less;the frequency of low temperature and few sunshine changed more and more before 1990,while after 1990,the frequency and intensity were showing a tendency to increase,the severe disasters increase was more obvious.The results could be used to provide a basis for the adjustment of distribution of facility agriculture,the utilization of climatic resource and the disaster prevention and reduction in greenhouse.

solar greenhouse;low temperature and few sunshine;spatiotemporal distribution;GIS technology

S625.2

A

1002-2481（2016）02-0212-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.02.22

2015-10-15

國家公益性行業（氣象）科研專項（GYHY201306039）

李海濤（1984-），男，山西左權人，工程師，碩士，主要從事農業氣象及設施農業研究工作。