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阜康日光温室内温湿度与外界气象要素的相关性分析

2013-11-04马洪亮

沙漠与绿洲气象 2013年3期
关键词:多云最低气温晴天

马 燕,马洪亮,徐 兵,张 君

(1.阜康市气象局,新疆 阜康 831500;2.炮台气象站,新疆 石河子 832066)

阜康有与乌鲁木齐相邻的地缘优势,光热资源丰富等优点,随着产业结构的调整,日光温室产业发展迅猛,截止2012年全市日光温室面积已达166.67 hm2。日光温室生产与气象条件关系密切,日光温室蔬菜、林果生长发育离不开光、温、湿等小气候条件,而以太阳能为热量来源的日光温室内的小气候在很大程度上受外界天气条件的影响。李军等[1]对上海自控玻璃温室冬季气候特征进行分析;孙智辉等[2]对延安日光温室内油桃休眠期的气候特征进行分析;赵鸿、金志凤等分别对黄土高原日光温室和浙江塑料大棚内的温度、湿度的变化特征进行分析[3-4];魏瑞江等[5]建立了阴天状况下河北日光温室内气温与外界同时次气温的关系模型;吴无中等[6]找出了上海三连栋大棚及大型玻璃自控温室内温度的影响因子,并建立了定量相关模型;李军等[7]建立了上海四连栋塑料温室内外温湿度的相关模型;韩勇等分析了温室小气候对哈密无核紫葡萄育苗的影响[8]。这些研究为日光温室蔬菜、林果生产管理提供了理论依据,但目前日光温室内小气候与外界大气候的相关模型中多是温室内温度(或湿度)与外界温度(或湿度)之间单因子的相关模型,而温室内小气候不仅与外界温度、湿度、日照时数等多要素有关,也与温室内自身小气候相关。

设施农业作为“三高一节”农业,需考虑当地气候特点,否则会造成温室投入多,效益不明显。阜康市近50 a日照时数以78.105 h/10 a 的速率显著减少。秋、冬两季日照时数呈下降态势,尤其冬季以66.724 h/10 a 的速率快速减少,以11月至翌年2月减少趋势最为显著,而此时正是设施温室冬季返季节生产的关键期,日照时数的锐减对冬季设施农业生产造成了十分不利的影响;加之阜康冬季阴霾天气较多且呈逐年增多趋势,气候条件不利于日光温室果菜类蔬菜冬季生产,只能生产一些叶菜类蔬菜。因此,阜康日光温室生产主要以春提早和秋延晚为主,春提早(2月底—6月下旬)主要以培育番茄、辣椒为主,秋延晚(7月上旬—11月)主要栽种黄瓜等为主。

本文根据2010年12月—2012年7月日光温室内温度、湿度和附近气象站观测资料,利用相关和逐步回归分析,分别对不同天气状况下阜康地区日光温室内温度和湿度变化特征及其与室内外温度、湿度、日照等气象要素的关系进行研究,以期为阜康日光温室实现精细化生产管理和减小气象灾害损失提供科学依据。

1 资料和方法

小气候资料来源于设在阜康市九运街镇六运村蔬菜日光温室中的小气候观测系统采集到的数据。日光温室坐北朝南,东西长100 m,南北宽7.5 m,脊高2.6 m,后墙高1.8 m,后墙和东西墙为土墙,墙体厚1.2 m,前面为单面弧状,覆盖厚度为11~12 μm的无滴大棚塑料薄膜(聚氯乙烯大棚膜)。温室后墙设有通风口,通风口的开启视温室内的温度而定,当温室内温度过高时开启。

小气候观测仪设在日光温室内的中间位置。观测仪为ZQZ-B 农田小气候观测站,空气温度和空气湿度的观测精度分别为±0.2 ℃和±2%。空气温度和湿度观测高度均为1.5 m。每10 min 采集一次数据,自动通过无线网络传送到昌吉州气象局服务器中。室外气象数据来源于跟观测点7 km 的阜康市气象局。

阜康日光温室生产一年两茬,第一茬从12月下旬末开始育苗,翌年2月底到3月初移栽至6月下旬结束;第二茬从7月上旬到11月底。因为气候原因,冬季(1月—3月10日)温室内需要生火增温,而到了7月10日以后,温室基本将棚布全部揭开,到育苗前一个月才再次扣棚覆膜。阜康冬季多阴雾天气,气候寒冷,温室多采取覆帘保温措施,而春夏季外界气温升高要适时通风降温,因此选取3月10日—7月10日温室内温、湿度资料与室外同期气象资料做春夏季对比分析;选取温室内覆膜但未生火增温的温室内温、湿度资料与室外同期气象资料做冬季对比分析。

为了分析不同天气状况下日光温室内的温、湿度与外界气象要素的相关关系,按照气象上按日照量别分类的分类标准,即日照百分率S≥60%为晴天、20%

从日光温室每日的观测数据中挑选出气温的日平均值、日最高值、日最低值,空气相对湿度的日平均值、日最小值,分别作为当天日光温室内的平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、最小相对湿度。采用相关分析法,计算温室内前一天及外界当天和前一天的气象条件与温室内各要素的相关性。选取通过0.05 水平显著性检验的气象条件为入选因子,应用逐步回归分析方法,建立回归模型,并进行检验。

2 温室内温湿度变化特征

2.1 温室内温度变化特征

晴天时温室内气温有明显的日变化,白天升高,夜间下降。日光温室内日最高气温一般在30 ℃以上,有时会达到35 ℃以上;日最低气温则保持在10~20 ℃之间,偶尔会低于10 ℃(图1)。

图1 晴天时日光温室内气温变化曲线

少云—多云天气和寡照天气时,温室内气温也有明显的日变化,只是变化幅度较晴天时小,日最高气温低于晴天时的值,日最低气温的变化与晴天时相似。

根据不同天气状况下日光温室内气温日变化对比可知(图2),三种天气状况下同一时次的气温值从24:00—09:00 差异很小,其他时间同一时次的数值寡照<少云—多云<晴天,日最高值出现时差值最大。

2.2 日光温室内湿度变化特征

图2 不同天气状况下日光温室内温度对比

晴天时日光温室内空气相对湿度夜间升高,白天下降,有明显的日变化,最小值一般在20%~30%,最大值在80%~90%之间(图3)。

图3 晴天时日光温室内空气相对湿度变化曲线

少云—多云天气和寡照天气时,日光温室内相对湿度变化趋势与晴天相似,只是最小值较晴天时大,最大值与晴天时接近。

根据不同天气状况下日光温室内空气相对湿度对比可知(图4),不同天气状况下从22:00—09:00时温室内空气相对湿度比较接近,其他时间同一时次的数值寡照>少云—多云>晴天,三者均在18 时左右达到最小值。

图4 不同天气状况下日光温室内空气相对湿度对比

3 日光温室内气象要素相关模型的建立

3.1 相关性分析

日光温室以太阳能为热量来源与外界进行着热量交换,但又是一个相对封闭的系统,冬季生火增温阶段,日光温室需根据天气变化及时加盖保温帘,而春夏季当室内温湿度过高则需要通风降温降湿。通过分别对春夏季及冬季日光温室内的日平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度和最小相对湿度与外界当天和前一天的日平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、最小相对湿度、平均总云量、平均低云量、日照时数以及前一天温室内平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、最小相对湿度的相关统计分析,得出其相关程度。

3.1.1 春夏季相关性分析

春夏季温室内平均气温在三种天气状况下均与外界当天和前一天的平均气温、最高气温、最低气温呈显著正相关,晴天和少云—多云天气时还与室内前一天的平均气温、最高气温、最低气温呈显著正相关,寡照时则与室内前一天的平均气温和最低气温呈显著正相关。此外,晴天时还与外界当天和前一天的日照时数呈显著正相关;与当天的低云量呈一般正相关;与外界当天和前一天及室内前一天的平均相对湿度和最小相对湿度呈显著负相关。少云—多云天气时还与室内前一天的平均相对湿度和最小相对湿度呈显著负相关;与外界前一天的日照时数呈一般正相关。寡照天气时与外界当天低云量呈一般正相关;与外界当天的平均相对湿度、前一天的平均相对湿度和最小相对湿度及室内前一天的平均相对湿度呈显著负相关。

温室内最高气温在晴天时与外界当天及前一天的平均气温、最高气温、最低气温、前一天的日照时数及室内前一天的平均气温及最高气温呈显著正相关;与外界当天和前一天的平均相对湿度、室内前一天的平均相对湿度和最小相对湿度呈显著负相关;与外界当天和前一天的最小相对湿度呈一般负相关。在少云—多云时与外界当天的最小相对湿度呈一般正相关;与当天的总云量呈一般负相关。在寡照时与外界当天的平均气温、最高气温、最低气温及室内前一天的平均气温呈一般正相关;与外界当天的平均相对湿度和室内前一天的平均相对湿度呈一般负相关。

温室内最低气温在三种天气状况下均与外界当天和前一天的平均气温、最高气温、最低气温呈显著正相关;晴天和少云—多云天气时还与室内前一天的平均气温、最高气温、最低气温呈显著正相关;寡照时与室内前一天的平均气温和最低气温呈显著正相关。此外,晴天时还与当天低云量呈一般正相关;与外界前一天的平均相对湿度及室内前一天的平均相对湿度和最小相对湿度呈显著负相关。少云—多云时与前一天的日照时数呈一般正相关;与室内前一天的平均相对湿度呈显著负相关。寡照时与外界当天的平均相对湿度和室内前一天的平均相对湿度呈显著负相关。

温室内平均相对湿度在晴天和少云—多云时与外界当天和前一天的平均气温、最高气温、最低气温呈显著负相关;寡照时与外界当天和前一天的平均气温、最低气温呈显著负相关,和最高气温呈一般负相关;在三种天气状况下均与室内前一天的平均气温呈显著负相关。此外,晴天时还与外界当天和前一天及室内前一天的平均相对湿度和最小相对湿度呈显著正相关;与外界当天的低云量、当天和前一天的日照时数及室内前一天的最高气温呈显著负相关。少云—多云时与外界当天的最小相对湿度、外界和室内前一天的平均相对湿度和最小相对湿度呈显著正相关;与外界当天平均相对湿度呈一般负相关;与外界前一天的日照时数、室内前一天的最高气温呈显著负相关;与当天的总云量呈一般负相关。寡照时与外界当天和室内前一天的平均相对湿度呈显著正相关;与室内前一天的最低气温呈显著负相关;与当天的低云量呈一般负相关;与前一天的低云量呈显著负相关。

温室内最小相对湿度在晴天和寡照时与外界当天的平均气温、最高气温、最低气温呈显著负相关;在晴天时与外界前一天的平均气温、最高气温、最低气温呈显著负相关,寡照时呈一般负相关;在三种天气状况下均与外界当天的平均相对湿度和最小相对湿度呈显著正相关;在晴天和少云—多云时与外界前一天的平均相对湿度和最小相对湿度呈显著正相关,寡照时呈一般正相关。晴天和寡照时与室内前一天的平均相对湿度和最小相对湿度呈显著正相关。此外,晴天时还与外界当天及前一天的日照时数、室内前一天的平均气温呈显著负相关;与室内前一天的最高气温呈一般负相关。少云-多云时与外界当天的最高气温呈一般负相关。寡照时与室内前一天的平均气温呈显著负相关;与当天的低云量呈一般负相关。

3.1.2 冬季相关性分析

冬季温室内平均气温在三种天气状况下均与室内前一天的最高气温、最低气温呈显著正相关。晴天时还与外界当天的日照时数呈显著正相关;和外界当天最小相对湿度呈一般正相关。少云-多云时与外界当天总云量呈一般正相关,与室内前一天平均相对湿度呈显著负相关。寡照时与外界当天和前一天的平均气温、最高气温、最低气温及室内前一天的平均气温呈显著正相关;与室内前一天的最小相对湿度呈显著负相关;与外界当天的低云量及室内前一天的平均相对湿度呈一般负相关。

温室内最高气温在三种天气状况下均与外界当天及前一天的平均气温、最高气温、最低气温呈显著正相关。晴天时还与室内前一天的平均气温呈显著正相关;与外界当天日照时数和室内前一天平均相对湿度呈一般正相关。少云—多云时与室内前一天的平均气温呈一般正相关;与外界前一天的低云量呈一般负相关。寡照时与室内前一天的平均气温、最高气温、最低气温和外界前一天的平均相对湿度呈显著正相关;与外界当天平均相对湿度呈一般正相关;与室内前一天的最小相对湿度呈一般负相关。

温室内最低气温在三种天气状况下均与室内前一天的最高气温和最低气温呈显著正相关。晴天时还与外界当天的最小相对湿度呈显著正相关。少云—多云时与外界当天的总云量呈显著正相关;与室内前一天的平均相对湿度呈显著负相关;寡照时还与外界当天和前一天的平均气温、最高气温、最低气温及室内前一天的平均气温呈显著正相关;与外界当天低云量和室内前一天的平均相对湿度和最小相对湿度呈一般负相关。

温室内平均相对湿度在晴天时与室内前一天的平均相对湿度呈一般正相关;与外界当天日照时数呈显著负相关;与外界前一天总云量呈一般负相关。少云—多云时与室内前一天的平均相对湿度和最小相对湿度呈显著正相关;与外界当天的日照时数呈显著负相关。寡照时与外界当天平均气温和室内前一天平均相对湿度呈显著正相关;与外界当天低云量和室内前一天最小相对湿度呈一般正相关;与室内前一天最高气温和最低气温呈一般负相关。

温室内最小相对湿度在晴天时与外界当天和前一天的平均气温、最高气温、最低气温及室内前一天的最高气温和最低气温呈显著正相关。在少云—多云和寡照时与外界当天和前一天的平均气温、最高气温、最低气温呈显著正相关。此外少云—多云时还与外界当天和前一天的平均相对湿度及室内前一天的平均气温、最低气温、平均相对湿度呈显著正相关。寡照时还与外界当天和前一天的平均相对湿度和最小相对湿度呈显著正相关;与室内前一天的平均气温呈一般正相关。

3.2 相关模型的建立

利用逐步回归方法,以通过0.05 显著性水平检验的因子为自变量,分别建立春夏季和冬季日光温室内日平均气温、最高气温、最低气温、平均空气相对湿度、最小空气相对湿度与温室内外气象要素的相关模型。春夏季除少云—多云和和寡照天气下日最高气温模型通过了0.05 的显著性水平检验,其它模型均通过了0.01 的显著性水平检验(表1);冬季所有模型均通过了0.01 的显著性水平检验(表2)。

由表1 可以看出,春夏季晴天时温室内平均气温、最高气温、最低气温均与温室内前一天的平均气温有关,除此之外还与外界当天和前一天的平均气温、最低气温及前一天温室内的最高气温、最低气温中的某一项或两项或三项有关;平均相对湿度及最小相对湿度则主要与外界当天和前一天的平均气温和最小相对湿度及室内前一天的平均湿度和最小湿度有关。少云—多云天气时,温室内日平均气温只与温室内前一天的平均气温有关;日最高气温与外界当天总云量有关;日最低气温则与温室内前一天的平均气温和最小相对湿度有关;平均相对湿度与室内前一天的平均相对湿度和外界当天及前一天的平均相对湿度有关;最小相对湿度则只与前一天外界的最小相对湿度有关。寡照天气时,温室内日平均气温、最低气温分别与外界当天平均气温和最低气温有关;最高气温与外界当天平均相对湿度和室内前一天最高气温有关;平均相对湿度和最小相对湿度分别与前一天温室内的平均湿度和外界当天的平均湿度有关。

表1 阜康春夏季日光温室内温湿度与室外气象要素的相关模型

表2 阜康冬季日光温室内温湿度与室外气象要素的相关模型

由表2 可以看出,冬季晴天时温室内平均气温和最高气温除与外界当天日照时数有关外,还与温室内前一天平均气温、最高气温及外界当天平均气温的某一项或两项有关;日最低气温只与温室内前一天的最低气温有关;日平均相对湿度和最小相对湿度则与外界当天日照时数、最高气温及室内前一天的平均相对湿度、最低气温中的某两项有关。少云—多云时温室内平均气温、最高气温、最低气温分别与外界当天最高气温、日照时数和前一天的平均气温及室内前一天的最低气温和最小相对湿度中的某一项或两项或三项有关;平均相对湿度与外界当天日照时数及室内前一天的平均相对湿度和最小相对湿度有关;最小相对湿度则与外界当天最低气温、当天和前一天平均相对湿度及室内前一天平均相对湿度、平均气温和最高气温有关。寡照时温室内平均气温只与前一天室内平均气温有关;最高气温与外界当天最高气温、当天和前一天最低气温、前一天平均相对湿度及室内前一天平均气温和最小相对湿度有关;最低气温与外界当天最低气温、前一天最高气温及室内前一天平均气温有关;平均相对湿度只与室内前一天平均相对湿度有关;最小相对湿度则与外界当天平均气温、平均相对湿度及前一天平均相对湿度有关。

4 日光温室内相关模型的检验

4.1 拟合检验

利用表1 中的相关模型分别对2011年3月10日至7月10日不同天气状况下日光温室内的日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度和日最小相对湿度5个要素进行拟合检验。得到日光温室内日平均气温拟合平均绝对误差0.7~1.0 ℃,平均相对误差3.3%~5.5%;日最高气温拟合平均绝对误差1.7~2.4 ℃,平均相对误差5.9%~8.9%;日最低气温拟合平均绝对误差1.0 ℃,平均相对误差6.4%~7.4%;日平均相对湿度拟合平均绝对误差2.6%~6.4%,平均相对误差4.3%~9.6%;日最小相对湿度拟合平均绝对误差3.2%~8.5%,平均相对误差12.0%~19.6%(表3)。由表3 可知,除日最小相对湿度拟合平均相对误差超过10%外,其他拟合平均相对误差均在10%以内,具有较好的精度。

表3 春夏季不同天气状况下日光温室内气象要素拟合检验

利用表2 中的相关模型分别对2010年12月1日至2011年1月31日不同天气状况下日光温室内的日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度和日最小相对湿度5个要素进行拟合检验。得到日光温室内日平均气温拟合平均绝对误差0.7~0.9 ℃;日最高气温拟合平均绝对误差0.2~1.1℃;日最低气温拟合平均绝对误差0.5~1.3 ℃;日平均相对湿度拟合平均绝对误差0.2%~0.4%;日最小相对湿度拟合平均绝对误差1.8%~3.2%(表4)。因资料段温室内尚未生火增温,也未浇水,低温低湿,平均相对误差均较大,在这里未列出。

表4 冬季不同天气状况下日光温室内气象要素拟合检验

4.2 应用检验

利用表1 中的相关模型,分别对2012年3月1日至7月10日日光温室内的日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度和日最小相对湿度5个要素进行计算,并与实测值进行对比检验。得出不同天气状况下温室内日平均气温平均绝对误差0.9~1.5 ℃,平均相对误差4.6%~7.6%;日最高气温平均绝对误差2.2~2.6 ℃,平均相对误差7.2%~9.8%;日最低气温平均绝对误差1.2~2.0 ℃,平均相对误差7.2%~12.8%;日平均相对湿度平均绝对误差4.6%~6.2%,平均相对误差8.9%~9.5%;日最小相对湿度平均绝对误差2.4%~9.6%,平均相对误差11.4%~20.1%(表5)。由表5 可知,除日最小相对湿度及晴天和少云—多云天气下最低气温平均相对误差超过10%外,其他要素平均相对误差均在10%以内,效果较好。

表5 春夏季不同天气状况下日光温室内相关模型的应用检验

利用表2 中的相关模型,分别对2011年12月1日至12月31日日光温室内的日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度和日最小相对湿度5个要素进行计算,并与实测值进行对比检验。得出不同天气状况下温室内日平均气温平均绝对误差0.8~1.0 ℃;日最高气温平均绝对误差0.4~1.3 ℃;日最低气温平均绝对误差0.7~2.0 ℃;日平均相对湿度平均绝对误差0.4%~0.6%;日最小相对湿度平均绝对误差2.0%~3.5%(表6)。

表6 冬季不同天气状况下日光温室内相关模型的应用检验

5 温室气象服务指标确定

根据对阜康日光温室小气候观测站资料与外界气象要素分别进行春夏季和冬季相关关系分析,确定本地日光温室气象服务指标。

(1)生火增温指标:秋冬季在外界平均气温降至4~5 ℃、育苗棚内平均气温降到20 ℃以下时需在温室内开始生火增温,既可保证温室作物正常生长,又避免了温室用煤的浪费。

(2)移栽定植指标:当外界平均气温在-10 ℃左右,室内通过适量生火增温,生产棚内平均气温在25 ℃以上、最低气温在15 ℃以上时移栽定植。

(3)通风指标:当外界气温≥20 ℃或棚内湿度≥90%时应及时通风降温降湿。

(4)覆盖保温指标:春秋季夜晚当棚内温度≤20℃时,应做覆盖保温,一般17—18 时是加盖保温帘的最佳时段。

6 小结

(1)不同天气状况下日光温室内的气温和空气相对湿度均有明显日变化。不同天气状况下日最低气温变化不明显,但最高气温差异较大,09:00—24:00 晴天>少云—多云>寡照,在最高值时差异最大;日空气相对湿度最大值差异不大,最小值则有明显差异,09:00—22:00 时寡照>少云—多云>晴天,均在18 时左右达到最小。

(2)不同天气状况下,春夏季日光温室内的温湿度与内外气象要素的相关程度不同。晴天时主要影响因子为室内前一天的气温和空气相对湿度和外界的平均气温、最低气温、前一天平均气温、平均湿度、最小湿度及日照时数等;少云—多云时主要影响因子为温室内前一天的平均气温、平均湿度和外界日照时数、最低气温、平均湿度等;寡照时主要影响因子为外界当天平均气温、平均湿度、最低气温、平均湿度及温室内前一天的平均湿度等。

(3)不同天气状况下,冬季日光温室内的温湿度与内外气象要素的相关程度不同。晴天时主要影响因子为外界日照时数、平均气温、最高气温及室内前一天的气温和空气相对湿度等;少云—多云时主要影响因子为温室内前一天的平均气温、平均湿度和外界日照时数、最高气温、最低气温、平均湿度及外界前一天的平均气温和平均湿度等;寡照时主要影响因子为外界当天和前一天的气温、平均湿度及温室内前一天的温度和湿度等。

(4)应用相关及逐步回归方法建立阜康春夏季日光温室内气象要素的相关模型,通过了显著性检验。经拟合检验,不同天气状况下,日平均气温拟合平均绝对误差在1.0 ℃内,日最高气温拟合平均绝对误差在2.4 ℃内,日最低气温拟合平均绝对误差在1.0 ℃内,日平均空气相对湿度拟合平均绝对误差在6.4%内,日最小空气相对湿度拟合平均绝对误差在8.5%内。除日最小空气相对湿度拟合平均相对误差超过10%外,其他拟合平均相对误差均在10%以内,具有较好的精度。

(5)用春夏季日光温室内气象要素相关模型分别对试验点2012年3月10日至7月10日日光温室内的温湿度进行计算。不同天气状况下温室内日平均气温平均绝对误差在1.5 ℃内,日最高气温平均绝对误差在2.6 ℃内,日最低气温平均绝对误差在2.0 ℃内,日平均相对湿度平均绝对误差在6.2%内,日最小相对湿度平均绝对误差在9.6%内。除日最小相对湿度及晴天和少云—多云天气下最低气温平均相对误差超过10%外,其他均在10%以内,效果较好。

(6)建立阜康冬季日光温室内气象要素的相关模型,通过了显著性检验。根据春夏季和冬季相关模型确定了日光温室气象服务指标。

(7)本文在建立日光温室内温湿度与外界气象要素的相关模型时仅用了两年的数据,所以结论仍存在一定的局限性。

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