莫索灣墾區(qū)冬棗大棚溫度特征變化及日最低氣溫預(yù)報(bào)研究

嚴(yán)彩虹，周 龍，唐 震，張 明，尹育紅，于瑞波

(1.石河子氣象局，新疆 石河子 832000； 2.大連市氣象局，遼寧 大連 116001； 3.莫索灣氣象站，新疆 石河子 832000；4.烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，新疆 石河子 832000； 5.炮臺(tái)氣象站，新疆 石河子 832000)

新疆大棗又稱為“黃金壽棗”，能補(bǔ)氣養(yǎng)血，是很好的營(yíng)養(yǎng)品。近年來(lái)，隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，紅棗等特色林果種植已成為廣大農(nóng)民增產(chǎn)增收的重要途徑。農(nóng)八師莫索灣墾區(qū)以日照長(zhǎng)、積溫高、晝夜溫差大[1]，為紅棗種植、加工業(yè)發(fā)展提供了極為有利的自然條件，同時(shí)也創(chuàng)造了北疆地區(qū)大面積種植紅棗的成功范例。由于莫索灣地區(qū)冬季天氣寒冷，露地棗樹不能安全越冬，鮮食冬棗樹到冬季需要埋土和平茬等措施才能正常生長(zhǎng)結(jié)果。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展步伐的不斷加快，保溫大棚的興建，使得棗樹不平茬能夠安全越冬。大棚冬棗不但解決了棗樹在該地區(qū)難以越冬的現(xiàn)狀，更具有坐果穩(wěn)定、品質(zhì)優(yōu)良、產(chǎn)量高、上市早的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

溫室環(huán)境特征和模擬在國(guó)內(nèi)外已有一些研究。早在20世紀(jì)60年代，Businger[2]就對(duì)溫室內(nèi)各層穩(wěn)態(tài)能量平衡進(jìn)行了研究，并建立了物理模型。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫室內(nèi)部小氣候變化規(guī)律的研究也更加廣泛，Katsoulas等[3]對(duì)希臘西部沿海地區(qū)使用高壓霧系統(tǒng)對(duì)溫室微氣候和茄子作物影響進(jìn)行了研究；儲(chǔ)長(zhǎng)樹等[4]分析了塑料大棚內(nèi)的溫濕度等小氣候要素變化規(guī)律；李德等[5]利用多元逐步回歸統(tǒng)計(jì)方法，建立了宿州秋季日光溫室內(nèi)部最高與最低氣溫預(yù)報(bào)模型，冬季和春季晴天與非晴天日光溫室內(nèi)部最高與最低氣溫預(yù)報(bào)模型；符國(guó)槐等[6]以大棚外氣溫、地溫及棚內(nèi)氣溫為驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)慈溪草莓塑料大棚溫濕度進(jìn)行了模擬；范遼生等[7]通過(guò)單、雙層棚內(nèi)氣溫變化特征分析，構(gòu)建了適于杭州地區(qū)的棚內(nèi)日最低氣溫預(yù)報(bào)模型；金志鳳等[8]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)方法，以日照時(shí)數(shù)、輻射、風(fēng)速、地溫、棚外氣溫、相對(duì)濕度等氣象要素作為自變量，建立了溫州冬春季楊梅、慈溪草莓生產(chǎn)塑料大棚內(nèi)溫濕度預(yù)報(bào)方程；袁靜等[9-10]對(duì)山東壽光冬季日光溫室內(nèi)溫度變化特征、低溫預(yù)報(bào)及日光溫室小氣候變化規(guī)律進(jìn)行了分析和模擬；孫智輝等[11]利用兩個(gè)冬季日光溫室棚內(nèi)外溫度及安塞和延安氣象資料，分析了延安地區(qū)日光溫室棚內(nèi)溫度和棚外氣象因素的擬合關(guān)系。

研究冬季不同天氣條件下設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)小氣候氣象要素日變化規(guī)律，對(duì)人工調(diào)控大棚內(nèi)環(huán)境變化具有重要意義，同時(shí)亦可根據(jù)大棚內(nèi)小氣候要素變化規(guī)律，佐證大棚構(gòu)架材料合理性，對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)起到一定指導(dǎo)作用[12-13]。冬季低溫冷害是威脅棗類越冬的主要?dú)庀鬄?zāi)害，得到塑料大棚內(nèi)冬季最低氣溫預(yù)報(bào)方程對(duì)棚內(nèi)種植管理具有重要意義[14-16]。溫室類型、結(jié)構(gòu)和氣候地域性差異等因素使不同地區(qū)的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方程難以直接適用不同地區(qū)的設(shè)施農(nóng)業(yè)種植分析。因此，建立適用于本地最低氣溫預(yù)報(bào)的方程，在強(qiáng)冷空氣來(lái)臨之前，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)及時(shí)發(fā)布溫室內(nèi)低溫預(yù)報(bào)預(yù)警，對(duì)提高設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)水平，具有重要的社會(huì)意義和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

試驗(yàn)地點(diǎn)塑料大棚位于新疆石河子150團(tuán)良1連，距離莫索灣國(guó)家一般氣象站2.0 km，主體為鍍鋅鋼管結(jié)構(gòu)的單體標(biāo)準(zhǔn)塑料大棚。大棚為東西走向，長(zhǎng)度60 m，東西寬度8 m，脊高2.5 m，棚內(nèi)種植作物為冬棗。利用溫濕度記錄儀開展塑料大棚種植冬棗的溫濕度特征連續(xù)觀測(cè)，大棚中央位置1.5 m處布設(shè)儀器自動(dòng)采集溫度、相對(duì)濕度，觀測(cè)頻率5 min。大棚外環(huán)境數(shù)據(jù)采用與大棚附近氣候條件相近的莫索灣國(guó)家一般氣象站逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)。

大棚內(nèi)外氣象數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2016—2017年冬季。按照地面氣象觀測(cè)規(guī)范[17]的劃分標(biāo)準(zhǔn)確定日界，對(duì)采集的氣溫、日照數(shù)據(jù)進(jìn)行日值統(tǒng)計(jì)，剔除異常值，共計(jì)獲取143 d逐日氣溫、日照時(shí)數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 方法

1.2.1 天氣類型劃分

依據(jù)氣象上的分類標(biāo)準(zhǔn)[18-20]和棚外日照時(shí)數(shù)觀測(cè)結(jié)果，按日照百分率≥60%、20%～<60%、0～<20%將所有資料分為晴天、多云和陰天3種天氣類型，對(duì)大棚內(nèi)3種天氣下的氣溫、濕度要素變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.2 大棚最低氣溫預(yù)報(bào)方程分析與檢驗(yàn)

將試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)分為建立方程的樣本和檢驗(yàn)方程的樣本，采用相關(guān)分析法，計(jì)算大棚內(nèi)最低氣溫與棚外氣溫的最高值、最低值及大棚內(nèi)前一天的溫、濕度要素的相關(guān)性。應(yīng)用逐步回歸分析方法，建立大棚內(nèi)最低氣溫預(yù)報(bào)方程。

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel軟件進(jìn)行分析。根據(jù)棚內(nèi)小氣候形成的物理機(jī)理，分析影響棚內(nèi)日最低氣溫的因子，采用相關(guān)分析法進(jìn)行因子初選，計(jì)算棚內(nèi)日最低氣溫與大棚內(nèi)相關(guān)因子的相關(guān)性，選取通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn)的所有因子作為初選因子，并考慮初選因子是否可被預(yù)報(bào)及預(yù)報(bào)的精度。以初選因子作為預(yù)報(bào)變量，采用逐步回歸方法，建立多元回歸預(yù)報(bào)方程。

方程檢驗(yàn)采用從全部日氣溫?cái)?shù)據(jù)中每隔10個(gè)數(shù)據(jù)抽取1個(gè)數(shù)據(jù)，形成預(yù)報(bào)方程檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)不參與方程構(gòu)建。共12 d(其中晴天日為2017年2月8日和2月28日；多云日為2016年12月28日、2017年1月18日和2月10日；陰天日為2016年11月19日、12月3日、12月13日、12月27日及2017年1月15日、2月13日、3月9日)。利用檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集對(duì)模型進(jìn)行擬合精度和預(yù)報(bào)精度檢驗(yàn)，利用大棚內(nèi)日最低氣溫預(yù)報(bào)方程對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集中每日最低氣溫進(jìn)行預(yù)報(bào)，將預(yù)報(bào)值和實(shí)測(cè)值采用平均絕對(duì)誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)進(jìn)行精度分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季不同天氣條件下棚內(nèi)氣溫變化特征

自動(dòng)氣象站共獲取大棚內(nèi)143 d氣象數(shù)據(jù)，其中晴天、多云、陰天的日數(shù)分別為25、39、79 d，對(duì)棚內(nèi)外氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

如表1所示，所有觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，棚內(nèi)平均溫度-1.1 ℃左右，3種天氣類型比較結(jié)果相差不大。平均最高氣溫表現(xiàn)為晴天>多云>陰天，晴天和多云相差10 ℃左右，陰天時(shí)比晴天偏低14 ℃左右。平均最低氣溫表現(xiàn)為陰天>晴天>多云，晴天和多云時(shí)平均最低氣溫比陰天偏低3～4 ℃，可見晴天和多云時(shí)容易出現(xiàn)低溫危害。這可能與晴天夜間缺少云層阻擋，地面輻射強(qiáng)烈，從而更易出現(xiàn)強(qiáng)烈降溫有關(guān)，而陰天時(shí)則正好相反。

二是通過(guò)活動(dòng)提升綜合素質(zhì)。舉辦“學(xué)思踐悟，與你分享”主題交流分享會(huì)，交融心靈、取長(zhǎng)補(bǔ)短；組織青年員工分組采訪整理10位勞模代表的先進(jìn)事跡，形成學(xué)習(xí)勞模、崇尚勞模、爭(zhēng)當(dāng)勞模的良好氛圍。定期召開青年員工座談會(huì)，及時(shí)了解掌握其思想、工作、學(xué)習(xí)和生活等方面的情況，深入交流，互相探討，共同提高。現(xiàn)今，公司8個(gè)部門中已任用了4名80后中層副職以上干部。

表1 觀測(cè)時(shí)段內(nèi)3種天氣條件下大棚內(nèi)外的日氣溫

由圖1可見，日出后棚內(nèi)溫度會(huì)迅速上升，每小時(shí)最快上升5～6 ℃，增溫速率遠(yuǎn)高于棚外，在14：00～15：00達(dá)到最高，比太陽(yáng)輻射最大值出現(xiàn)時(shí)間提前約2 h。之后隨著太陽(yáng)總輻射的減少而迅速降溫，日落后降溫趨于緩慢，早上8：00左右達(dá)到最低，與棚外最低溫度出現(xiàn)時(shí)間基本一致。陰雨時(shí)(2016-11-8)日變化較晴天和多云時(shí)平緩。

圖1 典型天氣類型下棚內(nèi)外氣溫日變化

2.2 不同天氣類型下棚內(nèi)外氣溫對(duì)比

如表2所示，所有觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，晴天時(shí)棚內(nèi)外日平均氣溫溫差為10.1 ℃，比多云和陰天時(shí)分別偏高1 ℃和3 ℃；晴天和多云時(shí)棚內(nèi)外日最高氣溫溫差均在20 ℃以上，陰天時(shí)僅為14 ℃左右；棚內(nèi)外日最低氣溫溫差3種天氣類型下相差較小，均在5 ℃左右。

表2 3種天氣大棚內(nèi)外的氣溫差

2.3 不同天氣條件下棚內(nèi)外日最低氣溫預(yù)報(bào)方程

2.3.1 因子選擇

分析棚內(nèi)外氣象要素相互影響機(jī)理，同時(shí)考慮常規(guī)天氣預(yù)報(bào)中氣象要素及預(yù)報(bào)精度，大棚內(nèi)外日最低氣溫預(yù)報(bào)方程的初選因子有：棚外最低氣溫(Td-out)、棚外前日最高氣溫(Tg-out)、棚內(nèi)前日最高氣溫(Tg-in)3個(gè)因子。計(jì)算3個(gè)因子與棚內(nèi)日最低氣溫的相關(guān)性(表3)。

表3 棚內(nèi)日最低氣溫與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

2.3.2 預(yù)報(bào)方程

以初選因子為自變量，采用逐步回歸方法進(jìn)行篩選，分別建立3種天氣情況下大棚內(nèi)日最低氣溫多元回歸方程，其中晴天時(shí)Td-in=0.528Td-out-1.618，(n=23，R2=0.871，P<0.01)；多云時(shí)Td-in=0.599Td-out-0.042，(n=36，R2=0.907，P<0.01)；陰天時(shí)Td-in=0.633Td-out+0.77，(n=72，R2=0.924，P<0.01)，方程均通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。

2.3.3 方程檢驗(yàn)

利用棚內(nèi)日最低預(yù)報(bào)方程，對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集(共計(jì)12 d)中每日棚內(nèi)最低氣溫進(jìn)行預(yù)報(bào)，將預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值采用平均絕對(duì)誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)進(jìn)行精度分析，見圖2、表4所示。

圖2 大棚內(nèi)日最低溫度實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)值對(duì)比

由表4可以看出，預(yù)報(bào)方程的平均絕對(duì)誤差為1.3 ℃，均方根誤差平均為1.6 ℃，晴天和陰天的預(yù)報(bào)精度優(yōu)于多云天。3種天氣類型預(yù)報(bào)精度比較為晴天>陰天>多云，方程具有較好的預(yù)報(bào)精度。

3 小結(jié)

本文利用2016年12月至2017年3月莫索灣墾區(qū)冬季塑料大棚內(nèi)外氣象資料，對(duì)種植冬棗小氣候環(huán)境溫度和相對(duì)濕度連續(xù)觀測(cè)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析及回歸分析，得出以下結(jié)論。

莫索灣墾區(qū)冬季大棚在晴天、多云時(shí)日變化劇烈，陰雨時(shí)較平緩。晴天和多云時(shí)平均最低氣溫比陰天偏低3～4 ℃，更易出現(xiàn)低溫危害。

晴天時(shí)棚內(nèi)外日平均氣溫溫差為10.1 ℃，比多云和陰天是分別偏高1 ℃和3 ℃；晴天和多云時(shí)棚內(nèi)外日最高氣溫溫差均在20 ℃以上，陰天僅為14 ℃左右。

利用回歸分析法建立適用于莫索灣墾區(qū)的大棚內(nèi)日最低氣溫預(yù)報(bào)方程。在方程構(gòu)建時(shí)，選擇距離棚外2.0 km的氣象站數(shù)據(jù)，把距離對(duì)預(yù)報(bào)模型影響降到更小，更有利于預(yù)報(bào)方程的推廣和業(yè)務(wù)應(yīng)用。實(shí)際預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果為平均RMSE<2°，多云時(shí)預(yù)報(bào)精度較晴天和陰天時(shí)低。

本文所構(gòu)建的棚內(nèi)日最低氣溫預(yù)報(bào)方程適用于莫索灣墾區(qū)大棚，在模型預(yù)報(bào)應(yīng)用時(shí)，需要將常規(guī)預(yù)報(bào)結(jié)果訂正到大棚所在位置，由于數(shù)據(jù)短缺，結(jié)論具有一定局限性，需要進(jìn)一步累計(jì)資料進(jìn)行深入研究。

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