山東省設施農業氣象要素日變化特征分析

黃廣斌，李 超

(成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225)

0 引言

設施農業系統亦稱為小氣候系統，設施中作物需要在外界多變的自然氣候條件下，創造一個適合作物生長的小氣候環境，以實現高品質、高產、低成本、高效益等可持續發展的目標。20世紀60年代，國外已有關于溫室小氣候的研究，Walker[1]等研究了在通風溫室下對溫度進行預測的方法，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部氣溫的分布以及傳輸；在20世紀80年代，Pieters[3]等通過建立數學模型，研究了溫室覆蓋層水蒸氣凝結和靜態熱交換在夜間的進行過程。至此，國外對設施農業的研究已經從初步探索發展至成熟階段，現今則處于逐漸完善的過程中。中國日光溫室進行大規模生產始于20世紀90年代，國內學者開始對設施中的光照、溫度、濕度等特征進行大量的研究。楊艷超、劉壽東[4]等探明了冬春季山東萊蕪日光溫室內氣溫的變化規律，并總結出不同天氣條件下溫室氣溫的差異性；魏瑞江、王春乙[5]等利用相關和逐步回歸分析，探明了不同天氣狀況下石家莊地區日光溫室內冬季溫度、濕度和太陽輻照度等小氣候特征以及與外界的關系，并建立了日光溫室內外氣象要素的相關模型；王孝卿、李楠[6]等研究了壽光溫室小氣候變化規律及模擬方法，得出設施內溫度、濕度等要素在不同天氣類型下的日變化規律，最后通過統計方法建立了模擬預報模型；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的土壤溫度日變化特征以及對氣溫的響應。上述研究以某一類溫室內的溫度要素分析居多，對要素變化或者日變化的詳細刻畫較少。文章著重研究了冬季設施站中氣溫的日變化規律，通過個例分析擬建氣溫日變化模型，用統計分析的方法研究氣溫日變化不同溫度特征變化區段的差異性，以及氣溫受不同天氣條件(不同云量)影響的情況。

1 數據與數據處理

1.1 觀測資料

山東設施農業發展至今已具有相當規模。設施農業生產由單純種植普通蔬菜發展到種植高檔蔬菜、瓜果、花卉以及家畜禽、水產養殖等領域。由簡易塑料大棚發展到日光溫室，以及具有人工環境控制設施的現代化連棟溫室和植物工廠；由傳統耕作發展到自動化、機械化作業[8]。山東省已經建成了43個設施農業小氣候觀測站，其中設施農業小氣候觀測站的觀測要素包括：氣溫(單位：℃)、相對濕度(單位：%)、水汽壓(單位：hPa)、露點溫度(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，觀測資料的時間選取為2016—2020年冬季的11月、12月和1月的逐小時觀測資料。由于設施農業小氣候觀測站建站時間普遍較短，在研究中去掉了一些觀測時間序列較短的觀測站，最后保留了較為完整的29個觀測站的資料進行研究。

山東省觀測總云量的測站共計23個，均為國家地面觀測站，每天的觀測時次為08：00，11：00，14：00，17：00和20：00(北京時間)，時間段同樣選取2016—2020年的冬季(11月—次年1月)；山東省地面氣象站的觀測資料包括123個國家站和1743個區域站，所有資料均來自山東省氣象局。

1.2 設施農業小氣候觀測站的地面站匹配處理方法

設施農業氣象觀測站數據代表的是設施內部環境的氣象要素變化[9-11]，而設施內氣象要素的變化主要受設施外部環境的氣象條件影響，為了方便后續研究，需要得到對應設施站外部環境氣象數據，因此需要進行設施站與地面站的匹配處理。

設Pi(i=1，2，…，n)表示山東省任一設施農業小氣候觀測站，Qj(j=1，2，…，m)表示山東省任一地面自動觀測站，Dij表示任意兩個測站Pi和Qj之間的歐式距離，其中n=29表示山東省設施農業氣象觀測站的總數，m=1866表示山東省氣象觀測網地面觀測站的總數(含國家站和區域站)，則：

(1)

Si=min{Dij，j=1，m}

(2)

由于地面站中國家站的觀測資料比區域站更為精確，因此在采用公式(2)計算Si時應遵循以下幾個原則：1)若匹配結果中的國家站和區域站的距離相等或者距離≤10 km時，優先采用國家站；2)若匹配結果為多個區域站，則采用海拔差最小的區域站。從山東省29個設施農業小氣候觀測站的地面觀測站的匹配結果可知，11個是國家地面站，18個是區域地面站。設施農業小氣候觀測站的匹配站為區域站間的距離均≤6 km，設施站與匹配站為國家站間的距離均≤10 km，即可以為設施農業小氣候觀測站找到相關的匹配站。

2 設施農業觀測站氣溫日變化特征分析

2.1 氣溫日變化個例分析

溫度條件是農業生產過程中最重要的外界環境氣象因子，是作物生長發育的重要條件。設施內的氣溫主要受設施外的氣溫和太陽輻射的影響，設施外氣溫分布和變化對設施內氣溫起至關重要的作用[12]。日常業務工作中將山東劃分為4個區：東部半島、魯西北、魯中和魯南。文章從4個分區中各選取1個設施農業小氣候觀測站作為個例分析參考站。從2019-01-01—2019-01-05(連續5 d)不同分區的設施站的氣溫變化情況和D0702站不同天氣條件設施內氣溫日變化特征曲線(圖1)可知：1)設施內的平均氣溫具有明顯的日變化周期性特征；2)設施內的平均氣溫日變化幾乎呈現為單峰型變化曲線，并且日變化可以分為顯著變化階段和緩慢變化階段；3)由于不同的設施站內小氣候環境差異較大，雖然氣溫日變化的趨勢具有一致性特征，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，尤其是在白天時段氣溫差異較明顯，表現為晴>多云>陰。其中不同天氣條件按日均總云量大小進行劃分[13-15]：日均云量Cd<0.3為晴，0.30.8為陰。

圖1 不同天氣條件下設施內氣溫日變化曲線

2.2 氣溫日變化概念化模型擬建

在設施內氣溫日變化過程中，不管天氣條件如何，其白天時段的氣溫變化相對于夜間氣溫變化通常更為劇烈。所以可以根據不同的變化特征將氣溫日變化過程分為顯著變化區和平緩變化區，因此會存在兩個分界點，即顯著變化起點和顯著變化終點，其設施內氣溫日變化概念化模型如圖2所示。通過對逐日的氣溫變化統計可以發現，顯著變化起點大頻率出現在09：00或10：00，而顯著變化終點則通常出現在日落前后。

2.3 不同區段氣溫日變化溫度值統計特征

根據D0702設施站213 d的氣溫數據可以分別繪制氣溫日變化顯著變化區(白天段)和平緩變化區(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中的Tmax變化趨勢較大，最大可達39.2 ℃，最小為8.8 ℃；平緩變化區段中的Tmax變化趨勢較為平緩，最大為20.9 ℃，最小為8.4 ℃；顯著變化區不同日期的最高氣溫變化差異較大，但平緩變化區中的最高氣溫差異較小；顯著變化區和平緩變化區中的Tmin變化曲線相對較為重合，其變化趨勢具有一致性，且溫度值差異較小。其中氣溫日變化顯著變化區中的Tmin最大達20.2 ℃，最小為5 ℃；平緩變化區中Tmin最大為16.6 ℃，最小為3.6 ℃。

為了更好地了解顯著變化區與平緩變化區中溫度變化的差異性，對該站213 d日氣溫數據按氣溫變化的不同特征段所出現的頻數(天數)進行統計(圖3)，可以得出：1)最高氣溫在顯著變化區中的跨度大，在5～40 ℃均有不同程度的頻數占比，其頻數占比較多的集中在20～40 ℃；平緩變化區中的跨度較小，基本以10～20 ℃為主要頻數占比。2)最低氣溫在顯著變化區和平緩變化區中的占比情況較為一致，均以5～20 ℃為主要頻數占比。

圖3 最低氣溫統計情況

3 設施內其他要素日變化特征分析

與分析氣溫的方法相同，對設施內其他各個要素進行分析，分析結果繪制成表格(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 結束語

隨著設施農業的迅速發展，設施農業小氣候相關研究不斷受到各國學者關注。設施農業中設施以其建造方便、造價低和使用壽命較長的優點，成為中國農業小氣候發展的主要類型。文章以山東省單站為例，著重研究了設施內氣溫日變化過程中不同時段的差異性，研究結果不僅為后續質量控制過程中確立要素的閾值，從而建立山東省各個設施站內不同要素、不同日變化時段的多閾值標準奠定了基礎，而且有助于人工調控小氣候內要素，為制造設施內作物最適宜的生長發育條件、充分發揮設施溫室和大棚的生產優越性提供依據。