新民市1～3月日光温室温度变化及最低温度预报研究

2015-06-22高淑新李军林孟微

安徽农学通报 2015年11期

高淑新　李军林　孟微

摘要：为了预报新民地区日光温室内最低温度，防御寒冷月份棚内植物冷冻害，在新民市气象局建设日光温室大棚，设立小气候自动监测系统，研究其棚内温度日变化规律，建立相关模式。结果表明：半坡式日光温室温度日变化呈“几”型，随着日照时间延长和外界气温的变化，棚内日最高、最低气温出现的时间和温度速率不同。在不同天气条件、不同时间段，温度变化速率及相关模式差异较大。棚内外温度日变化相关性显著，棚内外温差日变化是随着棚外温度的升高而加大，随着天气变暖而减小。通过棚内温度变化速率建立日最低温度预报模型，相对误差在-7.9%～4.4%。最低温度预报模型对于日光温室生产防御低温冻害提供了气象预测手段，并可降低灾损成本。

关键词：日光温室；温度；速率；预报模型；新民市

中图分类号 P461 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）11-132-05

Abstract：In order to forecast the lowest temperature of heliogreenhouse in Xinmin City and protect plant from freezing injury in greenhouse in cold months，heliogreenhouse is built in Xinmin weather bureau. Microclimate automatic monitoring system is set to research regularity of a change in temperature in heliogreenhouse and to built related pattern. The result shows that the daily temperature changes of Banpo type heliogreenhouse likes type of “Ji”. The highest，lowest temperature and rate of temperature change in heliogreenhouse occurr at different time according to prolonged length of sunshine and outside temperature change. There is a large difference of temperature change rate and related pattern among different weather condition and time. The correlation of the daily temperature changes inside and outside of heliogreenhouse is significant. When outside temperature is high，it increase；when weather warming，it decrease. Through temperature change rate，the lowest temperature forecast model is built，and the relative error is between -7.9% and 4.4%. The lowest temperature forecast model provides weather forecast means for heliogreenhouse to protect plant from freezing injury. At the same time，it can reduce the cost of damage.

Key words：Heliogreenhouse；Temperature；Rate；Forecasting model；Xinmin City

近年来，科技人员从不同角度对日光温室的设计[2-4]、栽培技术管理[5-7]以及棚内小气候变化进行了研究[8-10]，如宗英飞等[11]、吴克等[12]从日光温室外部环境条件入手研究了设施农业生产期光照资源变化和气象灾害种类及发生频率；邹平等[13]则从日光温室跨度变化上研究了棚内光温分布特征；刘可群等[14]、魏瑞江等[15]探讨了日光温室小气候与大气候的关系；李延林等[16]、刘军利等[17]研究了日光温室气温变化规律；赵统利等[18]探讨了晴天、多云、雨天及雪天4种不同类型天气条件下日光温室内外部温度、光照强度等主要环境因子的日变化规律及其内在关系；孙智辉等[19]建立了日光温室揭帘时间农业天气预报指数；钟岩等[20]对沈阳地区冬半年日光温室草苫的揭盖时间进行了模拟，建立了温室草苫揭盖时间的模型。这些研究成果对发展设施农业起到了积极的推动作用，并产生了明显的社会效益和经济效益[20-22]。为了进一步了解和掌握寒冷期日光温室内温度变化特征，防御低温冷冻害，笔者依据新民市气象局棚内实地小气候监测资料，分析了沈阳中部地区1～3月日光温室温度日变化规律、棚外气温对棚内温度的影响，并探索了棚内最低温度的预测方法，为设施农业的发展、防灾减灾提供气象服务措施。

1 资料与方法

1.1 材料来源与实验设计 2011、2012年10月至翌年4月在沈阳市新民市气象局日光温室设立小气候监测试验。日光温室墙体为砖土结构，钢筋骨架，浅棚为混凝土盖板。日光温室面向朝南偏东5°，半坡式抛物面采光，棚内南北宽7m、东西长45m，高3.5m，大棚作业门位于西侧。防老化PVC塑料无滴膜覆盖，保温材料为草帘。自动气象站设在棚内的中央位置，温度感应体距地面1.5m。自动气象站5min间隔取值。棚外气象资料来源于新民市气象局，大棚与地面气象观测场距离80m。

1.2 分析方法在Excel程序的支持下[23]，应用气候统计诊断分析技术对监测数据进行整理。运用线性趋势变化及相关统计分析方法[24]研究大棚内温度变化规律以及与外界气温变化的相关性，分别建立了不同月份、不同天气类型、不同时间段下的日光温室温度变化模式。按照日照时数将天气分为晴天（≥3h）和阴天（<3h）2种天气类型分别进行研究。

2 结果与分析

2.1 日光温室温度日变化规定0：00～23：00为日周期。图1、图2显示出1～3月份日光温室温度呈“几”字型变化，在日光照射的时间内，白天与夜间温度变化存在较大的差异，晴天与阴天温度变化不同，温度变化幅度晴天大于阴天。日光温室温度日周期变化出现3个拐点，基本遵从“一升二降”变化过程，这与张国林[25]分析的结果相一致。

2.1.1 1月份日光温室温度日变化表1所示，1月份晴天、阴天状况下，不同时段温度随时间变化模型及相关显著性。在晴天状态下，日光温室最低温度出现在08：00，从起帘子开始升温，最高温度出现在13：40，升温过程5h40min，速率为1.623℃/20min，每小时升高4.87℃。降温阶段从13：40起，止于翌日08：00，降温过程18h20min；其中，第一次降温称为急速降温阶段在13：40～16：40，用3h，速率为-1.513℃/20min，每小时下降4.54℃；第二次降温称为缓慢降温阶段在16：40～翌日08：00，用15h20min，速率为-0.165℃/20min，每小时下降0.50℃。在阴天状态下，起帘子较晴天晚，日光温室最低温度出现在09：00，之后开始升温，最高温度出现在14：00，升温过程5h，升温速率为0.875℃/20min，每小时升高1.92℃。降温阶段从14：00起，止于翌日09：00，降温过程19h；其中，急速降温阶段在14：00～16：40，用2h40min，降温速率为-0.773℃/20min，每小时下降2.63℃；缓慢降温阶段在16：40～翌日09：00，用16h20min，速率为-0.047℃/20min，每小时下降0.14℃。

2.1.2 2月份日光温室温度日变化表2所示，2月份晴天、阴天状况下，不同时段温度随时间变化模型及相关显著性。随着日照时间的延长，2月份日光温室温度变化的拐点相对1月份有所不同，升温、降温的速率也存在着较大的差异。在晴天状态下，上午07：40起开始升温，13：20温度达到最高，升温过程5h40min，速率为1.297℃/20min，每小时升高3.89℃。降温阶段从13：20起，止于翌日07：40，降温过程18h20min；其中，急速降温阶段在13：20～17：20，用4h，速率为-0.927℃/20min，每小时下降2.78℃；缓慢降温阶段在17：20～翌日07：40，用14h20min，速率为

-0.182/20min，每小时下降0.55℃。在阴天状态下，上午08：20时起开始升温，13：20温度达到最高，升温过程5h，速率为0.67℃/20min，每小时升高2.01℃。降温阶段从13：20起，止于翌日08：20，降温过程19h；其中，急速降温阶段在13：20～17：20，用4h，速率为-0.638℃/20min，每小时下降1.91℃；缓慢降温阶段在17：20～翌日08：20，用15h，速率为-0.067℃/20min，每小时下降0.20℃。

2.1.3 3月份日光温室温度日变化表3所示，3月份晴天、阴天状况下，不同时段温度随时间变化模型及相关显著性。3月份温变的3个拐点与1月、2月存在时间位移和速率的不同。在晴天状态下，上午07：00起开始升温，13：00温度达到最高，升温过程6h，速率为1.130℃/20min，每小时升高3.39℃。降温阶段从13：00时起，止于翌日07：00，降温过程18h；其中，急速降温阶段在13：00～17：40，用4h40min，速率为-0.677℃/20min，每小时下降2.03℃；缓慢降温阶段在17：40～翌日07：00，用13h20min，速率为-0.168℃/20min，每小时下降0.50℃。在阴天状态下，上午07：40起开始升温，13：00温度达到最高，升温过程5h20min，速率为0.531℃/20min，每小时升高1.59℃。降温阶段从13：00起，止于翌日07：40，降温过程18h40min；其中，急速降温阶段在13：00～17：40，用4h40min，速率为-0.493℃/20min，每小时下降1.48℃；缓慢降温阶段在17：40～翌日07：40，用14h，速率为-0.039℃/20min，每小时下降0.12℃。

2.2 日光温室内外温度的关系大棚内、外同一时间平均温度相关系数达到极显著水平，在晴天状况下1～3月棚内、外温度相关系数分别为0.958 2、0.964 7、0.961 5（P<0.01），在阴天状况下1～3月棚内、外温度相关系数分别为0.876 0、0.829 6、0.932 8（P<0.01），说明棚内温度随着大气温度的变化而变化，并受大气温度变化所控制。棚内、外日平均、日最高、日最低特征温度的相关系数并不显著，这与张索铁[26]研究的结果相悖。从图3、图4可以看出，日光温室内、外温度差的日变化随着温度的升高而增大，晴天与阴天有着相同的变化趋势。在晴天状况下18：00～翌日07：00没有光照的情况下日光温室内、外温差变化幅度较小，1月份在20.0～21.7℃，2月份在19.2～21.1℃，3月份在15.0～16.2℃，在有光照情况下07：00～18：00温差变化呈抛物线型分布。寒冷的1月份日光温室内、外温差大于2月和3月。1～3月份室内、外温差最小值出现在08：00左右，分别为17.6℃，17.5℃和12.8℃。

2.3 最冷1月份日光温室最低温度预报模式初探通过日光温室内温度变化速率预测翌日08：00棚内最低温度。根据以上分析1月份20：00～翌日08：00棚内温度变化趋势稳定，可建立棚内温度多项式拟合模型（19）：

拟合模型复相关系数为0.997 6（P<0.01）达到极显著水平，模型中时间（h）节点为20min间隔，取值范围为1≤h≤38；T为时间节点棚内温度。通过（19）式计算得出20：00～翌日08：00棚内温度变化模拟预测值（Ti）及20：00预测值（T1）至每个节点（Ti）的温变速率（ai）（见表4）。模拟值与实测值通过F0.01值检验，相关系数达到0.997 8（P<0.01）极显著，绝对误差在-0.26～0.12℃，平均相对误差为-0.6%。通过h1至hi+1各个时间点间的模拟温度变化速率（ai），建立棚内20：00至翌日08：00各个时间节点温度预报模式（20）：

式中：Ti为棚内节点温度，T1为棚内19：40（起点）温度，ai为棚内模拟温度速率，hi+1为时间节点序列2，3……38。

应用式（20）对2012年1月26日至31日进行回代检验，绝对误差在-0.2～0.3℃，相对误差在-7.9%～4.4%。

例如：2012年1月30日T1=9.0℃，hi=38时，ai=-0.112℃/20min，通过（20）式预报得到翌日08：00T38=4.7℃，比实测值4.5℃偏高0.2℃，相对误差为4.4%。2012年1月31日T1=7.8℃，hi=38时，ai=-0.112℃/20min，通过（20）式预报得到翌日08：00T38=3.5℃，比实测值3.8℃偏低0.3℃，相对误差为-7.9%。

3 结论与讨论

（1）新民地区日光温室内最高、最低温度出现时间各月不同，在晴天状况下，1月份日最高温度出现在13：40，日最低温度出现在08：00，2月份最高在13：20，最低在07：40，3月份最高在13：00，最低在07：00。在阴天状况下，1月份日最高温度在14：00，最低温度出现在09：00，2月份最高在13：20，最低在08：20，3月份最高在13：00，最低在07：40。棚内最低温度出现时间与日出时间的早晚有直接关系。1月日出时间和起帘子时间较2～3月晚，所以最低温度出现时间相对滞后。

（2）日光温室内的温度日变化，为“一升二降”变化过程。晴天状况下，1月份升温用5h40min，棚内温度可升高27.6℃，降温用18h20min，棚内温度可下降21.3℃；2月升温用5h40min，棚内温度可升高22.1℃，降温用18h20min，棚内温度可下降19.0℃；3月升温用6h，棚内温度可升高20.3℃，降温用18h，棚内温度可下降16.1℃。阴天状况下，1月份升温用5h，棚内温度可升高9.6℃，降温用19h，棚内温度可下降9.5℃；2月升温用5h，棚内温度可升高10.1℃，降温用19h，棚内温度可下降10.4℃；3月升温用5h20min，棚内温度可升高8.5℃，降温用18h40min，棚内温度可下降9.2℃。在不同天气条件、不同时间段温度变化速率及相关模式差异较大。寒冷一月份大棚内温度升高迅速，而较暖的2～3月份升温则较慢，这是因为在大棚管理过程中，为了蔬菜正常生长限制棚内高温伤害，进行降温排湿处理所致，并非棚内最高温度的真实反映；随着天气逐渐变暖，棚内温度上升、下降逐渐减缓这是正常反响。

（3）日光温室内温度受外界气温变化的制约，温度日变化具有显著地相关性。在有光照（08：00～18：00）情况下，棚内、外温差日变化随着外界气温的升高而加大，在无光照（18：00～翌日07：00）情况下，棚内、外温差日变化较稳定，日出起帘子时（07：00～09：00）棚内、外温差最小。同一时间棚内、外温度相关性显著，棚内、外温差日变化是随着棚外温度的升高而加大，随着天气变暖而减小。

（4）在日光温室生产过程中，棚内最低温度是生产上的限制因子，因此最低温度预测预报对生产管理具有实际意义。张索铁[26]运用棚内外温度相关性建立了最低温度预报模式，而袁静[27]则通过筛选相关因子建立了棚内最低温度预报模型，均有一定的实用价值。本研究是通过分析棚内温度日变化速率建立了最冷月（1月）最低温度预报模型，绝对误差在-0.2～0.3℃，相对误差在-7.9%～4.4%。预报模型是建立在棚内温度观测基础上，运用温度变化速率来完成的，所以此最低温度预报模型适用于大棚专业户使用，如果作为气象预报服务手段还应考虑环境气候因子，如棚内外温差、风速、天气状况等，还需进一步对模型订正与研究。为了防御日光温室生产中低温冻害的发生，开展棚内最低温度监测与诊断预报研究非常必要。建立最冷月（旬）棚内最低温度预测预报模式，以便于专业户在生产管理上应用，可在减少灾损方面体现出一定的经济价值。

参考文献

[1]方伟，李思远，王霖野，等.沈阳市设施农业发展现状及主要模式探析[J].辽宁农业科学，2014（5）：49-52.

[2]樊平声，冯伟民，卢昱宇，等.复合异质墙体日光温室建设技术要求[J].江苏农业科学，2014，42（7）：400-401.

[3]樊平声，冯伟民，苗彩霞，等.淮北地区新型材料日光温室设计及使用技术[J].江苏农业科学，2012，40（11）：382-384.

[4]火玉洁，张成荣，李桃，等.日光温室优化设计原理及标准建立研究[J].山西农业科学，2014，42（1）：69-73.

[5]李文红，张敏，张朝显，等.家庭农场设施蔬菜一年三收高效种植模式[J].江苏农业科学，2014，42（8）：155-157.

[6]聂国伟，戴桂林，杨晓华，等.日光温室甜樱桃早期丰产栽培技术研究[J].山西农业科学，2013，41（9）：941-944.

[7]王益明，孔维.温室大棚甜瓜丰产关键栽培技术[J].安徽农学通报，2012，18（2）：45-45，47.

[8]吉中礼，崔鸿文.塑料大棚小气候变化规律分析[J].西北农业学报，1997，6（1）：61-64.

[9]吴明兴，夏月明，洪贞铨.蔬菜大棚内小气候变化规律及其应用[J].上海农业科技，2006（4）：92-94.

[10]于盛楠，闫立奇，肖锋.不同天气背景下大棚小气候变化分析[J].农业现代化研究，2010，31（2）：254-256.

[11]宗英飞，张国林，谢华光.辽西霜期光照资源变化对设施农业的影响[J].江苏农业科学，2013，41（9）：355-357.