杭州单体钢架大棚风灾时空特征

朱兰娟 杨军 范辽生 王俊骄 杨欣洁

(杭州市气象局,杭州 310051)

引言

20世纪80年代开始，设施农业引进我国并得到快速发展。2010年开始，在地方政府补贴政策的扶持下，杭州设施农业发展迅速，尤其是投资较少的单体钢架大棚[1]。相较玻璃温室和连栋钢架大棚，单体钢架大棚的抗灾能力较弱，气象灾害影响大[2]。2008年4月9日，大风造成杭州市480个蔬菜大棚受灾，直接经济损失60余万元[3]；2011年6月9日凌晨，新迪农业有限公司余杭基地出现10级大风，100余个单栋大棚吹倒，经济损失60余万元；2019年受第9号台风利奇马影响，杭州213个自动气象站风力超过8级，96.28 hm2大棚受损，直接经济损失274.9万元。

有关设施大棚的风灾研究，杨再强等[4]通过风洞试验，得出单体钢架大棚抗风能力的最小临界风速为14.5 m/s；Georgia Dougka[5]等采用有限单元方法 (FEM)，对薄膜的抗风能力进行负压试验，得出加固可以提高薄膜抗风能力的结论；Rack-Woo Kim[6]等采用大涡模拟(LES)和雷诺平均方法(RANS)进行单体大棚的风压系数试验对比，认为大涡模拟方法对平均风压系数和峰值风压系数的预测效果更好。范辽生等[7]制订了杭州农业设施风灾地方标准，划定极大风速达到6级、7级、8级及以上时，分别造成单体钢架大棚轻度、中度和重度风灾；刘桂枝[8]通过不同风力等级的大棚成灾率，将大棚受灾分为摧毁性风灾、严重风灾和一般风灾3个等级；陈宇等[9]通过辽宁省农业设施风灾资料分析，认为8级风为北方设施农业致灾的风速指标，9级风则可能导致棚架、后墙坍塌，发生严重灾害。

根据大棚的风灾指标，结合各地台站风速资料，黄川容[10]、麻炳欣[11]、张永红[12]等分析了北京、上海、渭南等地风灾天数的时空特征，研究均基于国家站资料，未考虑自动气象站、风持续时间、各地大棚分布等差异。

本研究依据单体钢架大棚风灾指标和杭州国家基准气候站、自动气象站资料，分析造成杭州单体钢架大棚受损的风力等级年际气候变化规律以及不同风力等级出现天数和时次数的空间分布，结合杭州第3次农业普查的乡镇级设施大棚发展现状资料，提出防范和发展建议，为杭州设施农业发展提供依据。

1 资料来源与处理

1.1 资料来源

风速资料选用极大风速。因天气预报用风力等级表述风速大小，预报要素为平均风力等级和阵风风力等级，实际生产中造成大棚损坏的主要是阵风，因此，本文选用极大风速对应的风力等级作为风灾指标。资料来源于杭州国家基准气候站和杭州区域内经过质控的373个自动气象站的小时风速数据，站点分布如图1。

杭州市国家基准气候站建站于1951年，其中1951—1955年、1969年、1988—2001年只有大风天气现象资料，无极大风速资料，因此，分析大风天数年际变化时，采用天气现象进行大风天数统计。大风天数的计算按照中国气象局《地面气象观测规范》中的大风天气现象标准，以瞬时风速达到或超过17.0 m/s(或目测估计风力达到或超过8级)计1个大风天数[13-14]。

杭州市各区县大棚面积资料来源于第1次和第3次全国农业普查，各乡镇街道大棚面积资料来源于杭州市第3次农业普查，资料由杭州市统计局提供。

1.2 单体钢架大棚风灾指标

参照杭州市地方标准DB 3301T 1023.1 2013《农业设施气象灾害防御第1部分：大风防御》[7]，进行单体钢架大棚风灾等级划分，风力等级参照中华人民共和国国家标准GBT 28591-2012 《风力等级》划分[15]。具体见表1。

表1 单体钢架大棚风灾等级及危害表现

1.3 气候变化分析方法

曼-肯德尔(Mann-Kendall)法是一种非参数统计检验方法，是气候学进行突变检验的一种常用方法[16-17]，具体方法如下：

首先，构造一原始时间序列X的秩序列SK：

其中，Sk:第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数，ri：第i个样本的赋值，Xi、Xj：时间序列为i、j位置的X值，n：样本数。

其次，定义统计变量：

E(Sk)=k(k+1)/4；

var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72

式中,UFk：统计变量，E(Sk):累计数Sk的均值,var(Sk):累计数Sk方差。

UFk为标准正态分布，给定显著性水平α，若|UFk|>Ua,则表明序列存在明显的趋势变化，将时间序列X按逆序排列，再重复上述过程，同时使UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1),UB1=0。

通过统计序列UFk和UBk，分析序列X的趋势变化和突变的时间。若UFk>0，则表明序列呈上升趋势；UFk<0则表明呈下降趋势；当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。如果UFk和UBk这两条曲线出现交点，且交点在临界直线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时间。

2 结果与分析

2.1 杭州大棚布局

杭州标准钢架大棚主要有2种类型，即622装配式钢架大棚和825提高型钢架大棚。2001年以后，825型钢棚是杭州市标准钢架大棚的主推类型[1]。根据《2011年浙江省设施农业设备补贴项目管理办法(试行)》中的“设施农业设备建设标准”要求，单栋塑料钢架大棚GP825的结构参数要求是：跨度8 m、顶高≥3.3 m、肩高≥1.8 m，拱间距0.6～0.8 m，钢管采用带钢先成型再热浸镀锌的生产工艺，单根长度6.2 m，每根单重5.39±0.15 kg，材质Q235，卡槽采用热镀锌钢板冷弯成型，厚度0.7 mm，塑料薄膜采用防老化防雾滴聚乙烯农膜，厚度不少于0.07 mm，对大棚长度和抗风标准未做要求，补贴标准是8元/m2。

图1 373个自动气象站的位置及海拔高度

在地方政府补贴政策的激励下，杭州设施大棚面积从1997年第一次农业普查的1078.8 hm2激增到2017年第3次农业普查的4495.7 hm2，各区县(市)除江干区因城市化减少外，其它区县(市)均快速增长，其中余杭区增加了近60倍[18-19]，如表2。

根据第3次农业普查资料，杭州设施大棚的空间分布不均，表现为东北部多、西南部少(图2)。其中余杭设施大棚最多，尤其是余杭中部的良渚、仁和、瓶窑等街道；其次是萧山区，尤其是杭州湾一带；再次是建德市，该市是草莓主产区，设施大棚发展早，种植面积较大。

表2 杭州市主要区县农业普查大棚面积

图2 杭州市第3次农业普查大棚面积空间分布

2.2 风灾天数的时序变化

2.2.1 年际变化

造成杭州单体钢架大棚重度损坏的大风天数近20 a呈明显下降趋势(图3)。20世纪50年代前期，大风天数较少，为0～3 d；50年代后期至60年代初，大风天数呈增多趋势，在3～14 d之间；60年代中后期较少，在1～5 d之间；70—80年代前中期波动较大，最多的1981年有18 d，最少的1978年仅2 d；80年代后期开始，在波动中有所下降，90年代后期开始，处于较少阶段，其中1999年、2001年、2003年和2008年未出现大风天气。运用MK(Mann-Kendall)方法进行突变分析，结果表明，杭州站的年大风天数2001年发生突变，呈明显的减少趋势，之后没有突变点。UF曲线表明，大风天数在21世纪以前UF值波动较大，基本为正值，即大风天数呈上升趋势；21世纪之后，UF值为负值，最小值达-3.37，超过2.56临界值，通过0.001的显著性检验，表明杭州大风天数呈显著下降趋势(图4)。

在有极大风速监测的年份，6级风和7级风出现天数的年际变化趋势与8级风的变化趋势一致。

图3 1951—2018年杭州大风天数变化趋势

图4 1951—2018年杭州大风天数变化MK检验

2.2.2 四季变化

杭州站大风天数四季变化为春夏季较多，平均天数分别为1.5 d和2.0 d；秋冬季较少，平均天数分别为1.0 d和0.8 d(图5)。

春季大风天数在波动中下降，变化趋势与年变化趋势类似，春季大风主要形成在冷空气过境或者冷锋前形成的飑线过境时，例如2018年3月4日大风就是典型的飑线过境大风[20]，这次大风造成浙江瑞德农业科技有限公司单体钢架大棚棚架损坏25个，薄膜撕裂53个，损失几十万元。

夏季大风天数也在波动中下降，但其变化趋势不如年际变化明显，主要是强烈的对流作用引起的突发性风和台风(热带风暴)影响，台风带来的大风往往持续时间较长，破坏力更强。例如2012年8月8日，受台风海葵影响，杭州7级以上大风持续时间在10 h以上，余杭多地单体钢架大棚重度受损；而突发性的大风持续时间较短，破坏力相对较小。

秋季大风近20年下降明显，基本未出现大风天气，仅2005年、2007年、2017年、2018年出现过大风天气。

冬季大风天数下降的趋势与秋季类似，近20年基本未出现大风天气，仅1991—1993年、2016年出现大风天气。

图5 1951—2018年杭州四季大风天数

2.3 风灾的空间分布

应用杭州区域内373个自动气象站近5年逐小时的极大风速资料，统计分析杭州单体钢架大棚风灾的空间分布特征。

2.3.1 风灾的年空间分布

造成杭州单体钢架大棚轻度、中度、重度受损的6级、7级和8级及以上风力等级的年天数，临安西北部、富阳安顶山、杭州湾等地分别在80 d、20 d和6 d以上；时次数分别在120时次、40时次、10时次以上。空间分布特征明显(图6)，均表现为临安西北部、富阳安顶山、杭州湾较多，中心区域较少。主要原因是临安西北部有天目山、大明山等高山，测站高度普遍在400 m以上，最高的雷达站高达1484 m；富阳安顶山主峰790 m，测站高度628 m，因此，临安西北部和富阳安顶山等地风力强、持续时间长。低海拔的杭州湾一带因靠近大海，地势空阔，出现大风天数和时次数亦较多。其中杭州湾区域也是杭州设施大棚分布的主要区域，两者叠加，需要加强防御，提高建设标准；杭州西北部也有一定量的设施大棚，其分布与相对低值区一致；设施大棚最集中的余杭中部，各级风均处于较少区；杭州中心区域为低风险区，设施农业较少。

2.3.2 风灾的季节空间分布

分季节来看，造成杭州单体钢架大棚中重度受损的7级及以上风出现天数春夏秋冬分别为2.4 d、2.9 d、1.0 d和1.3 d，时次数分别为4.5时次、5.8时次、2.3时次、3.3时次，均为夏季最多、春季其次、秋季最少(图7)；每次大风的持续时间冬季最长、秋季次之、春季最短。春季主要是受强对流天气影响，雷雨大风天气多，持续时间较短；夏季受台风和雷雨大风的影响，出现7级及以上风的次数多，持续时间相对较短；秋季是杭州秋高气爽的季节，出现7级及以上风的天数最少，但主要是受冷空气影响，持续时间相对较长；冬季主要是受北方冷空气影响，次数虽不多，但持续时间长[21]。

四季7级及以上风表现为春夏季节分布范围广于秋冬季节，中心区域为低值区。各季分布均表现为临安西北部地区7级及以上风分布范围最广，该区域各乡镇的设施大棚面积均在40 hm2以下，分布面积较多的高虹镇、板桥镇、天目山镇均有大风天数和频次数相对较低区域。7级及以上风范围次广的区域是杭州东北部，包含富阳安顶山、西湖天竺山以及杭州湾一带，其中安顶山、天竺山区域的乡镇农业设施在20 hm2以下，大风对农业设施影响小；但杭州湾一带66.67 hm2以上农业设施的街道较多，大风对设施农业影响较大，是需要重点防范的区域。再次是千岛湖湖区一带，该区域以水域为主，农业设施极少，危害较轻；杭州中心区域是7级及以上风最少的区域，设施农业相对较少。农业设施最多的余杭中部区域，7级以上风春夏季节相对较多，秋冬季节较少。

图6 杭州6、7、8级风年出现天数(a、b、c)和时次数(d、e、f)空间分布

图7 杭州四季出现7级及以上大风天数(a～d)和时次数(e～h)空间分布

3 结论和讨论

(1)杭州年季大风天数在波动中下降，2001年之后下降显著，秋冬季尤为明显，该结果与前人的研究结果类似[22-23]。这是因为近50 a北半球温带气旋路径向高纬度方向移动，造成高纬度气旋增加和温带地区气旋减少，中纬度的平均风速和大风日数减小[24]。

(2)造成设施大棚灾害的大风空间分布表现为高山和沿海区域出现天数多、频次高，低海拔区域出现天数少、频次低；季节差异表现为春夏季多、秋冬季少。

(3)近20 a来，设施大棚发展迅速，同时大风天数显著减少的趋势有利于设施农业的发展，但不同区域设施大棚的风灾风险不同，应结合区域风险水平和设施大棚发展现状，进行针对性地发展和防范。就杭州而言，临安西北部山区、富阳安顶山等高山区域，设施大棚风灾风险高，建议控制发展；杭州中心地带，出现大风天气较少，可进一步发展设施农业；杭州湾一带既是风灾高风险区，也是设施农业集中区，应提高建设标准，加强防范；设施农业最集中的余杭中部，春夏两季出现7级及以上风相对较多，需要加强季节性防范。

(4)设施大棚综合风灾风险等级除受大风出现天数、持续时间、大棚分布影响外，还受大棚新旧程度、劳动力成本、生产者管理水平和防灾意识以及当地经济发展水平等因素影响，综合评价指标有待进一步深入研究。

(5)风灾是造成设施大棚损失的主要灾害，加强大风监测和预警，能有效降低农业设施的损失。同时随着数值预报技术的发展和遥感监测水平的提高，结合设施大棚位置的针对性预警是未来农业设施风灾预警的发展方向。