大长度日光温室东西方向的温度变化特征

乐章燕， 石茗化， 魏渠成， 宫志宏， 李雪杉

(1.廊坊市气象局， 河北 廊坊 065000； 2.天津市气候中心， 天津 300074)

0 引言

【研究意义】20世纪80年代开始，日光温室因结构简单，保温性能好，成为北方地区生产反季节果蔬的重要设施，为解决农村剩余劳动力、农民增产创收提供了一条可行之路[1]。日前，设施农业是现代农业的重要组成部分，也是河北省乡村振兴的重要途径之一。在日光温室生产中，温度是作物生长发育过程中的重要环境因素，直接影响作物的生理生态与品质。随着大长度日光温室的发展，温室内温度分布不均衡，不同方位的温度分布差异很大，不利于作物的生长发育。探究大长度日光温室内温度变化规律和不同方位的温度差异，对温室温度的智能调控和农业生产的科学管理具有重要意义。【前人研究进展】杜海涛等[2]对揭/盖保温被时间对日光温室气温的影响进行了研究。肖雪朋等[3]报道了基于插值方法的温室温度场可视化仿真分析。针对各地日光温室的小气候变化特征均有研究报道[4-7]。佟国红等[8-11]对不同后墙、不同棚型和不同天气类型日光温室的温度变化规律进行了研究。孙丽等[12]研究了日光温室边界区域的温度环境。随着大跨度日光温室的发展，也有学者对大跨度保温型塑料大棚小气候环境进行了研究[13-14]。近年来，随着仿真技术在日光温室中的应用，以CFD技术[15-17]应用最为广泛，能动态模拟太阳辐射在温室中的分布与变化，也可结合温室结构等因子实现温室内温度整体变化规律[18]。但由于日光温室结构复杂，参数不易获得，且受外界气象条件、墙体蓄热、覆盖材料类型、生产管理方式等多种因素的影响，温室内温度变化模拟相对比较复杂，在实际监测调控中仍存在一定的误差。已有研究多用单点或少数监测点数据分析温室内整体温度变化规律，容易忽略因太阳辐射变化、农业生产管理等因素产生的影响。【研究切入点】采用单点或少数监测点数据分析温室内整体温度变化规律存在一定的局限性，且鲜有大长度日光温室东西方向温度变化差异的研究报道。【拟解决的关键问题】通过对大长度日光温室的东西方向上布点，全天候实时监测温度数据，探明其不同气候类型下的温度变化规律，以期为大长度日光温室的温度智能调控和农业生产的科学管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 日光温室概况

试验于2020年冬季在河北省廊坊市兆丰农业草莓采摘园区南1号温室(116.6°N， 39.5°E)内进行，属于温带大陆性季风气候。温室坐北朝南，耳房建在东侧，温室内东西长100 m，南北跨度10 m，脊高5 m，后墙和东西两侧的墙体材料是草砖(苇草压制)+1层无纺布+棉被，后墙总厚度0.2 m，冬季温室内后墙附加一层塑料薄膜，前屋面夜间有草裙围挡，拱架为钢架结构，透光材料为聚乙烯塑料膜，覆盖物为6层棉被，上下均有通风口，一般冬季只打开上通风口，但通风口的开启由人工操作，致使风口开启不均匀。种植作物为草莓，于2020年9月12日定植，整个生育期采用滴灌方式进行灌溉，试验草莓处于花果期。

1.2 方法

1.2.1 不同方位温度监测点的布设 U23-001A温湿度记录仪(美国HOBO公司生产)设在温室东西和南北方向上离地面1.5 m，东西向每隔10 m设10组监测点，南北向分别隔3.2 m、3.3 m和3.5 m布设(图1)，监测时间为2020年12月1日至2021年2月28日，每隔10 min采集一组数据。

图1 日光温室内温度监测点的布设

1.2.2 日光温室温湿度监测 采用U23-001A温湿度记录仪记录，温度的监测精度±0.21℃，每个仪器都罩有专用的小百叶箱。

1.2.3 天气类型的划分 参照文献[9]的方法，将逐日日照时数为8 h以上视为晴天，≤3 h视为阴天，其余时段视为多云。

1.3 不同天气类型温室气温随时间的演变及空间分布

以冬季的实测数据为基础，通过反距离权重法(IDW)计算二维水平面温度场数据，探寻不同天气类型温室气温随时间的演变及空间分布。反距离权重[19]是一种局部插值法，其假设前提是未知值的点受较近控制点的影响比远控制点的影响更大。以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样品点赋予的权重越大。

式中，Z是估计值，Zi是第i(i=1，…,n)个样本值，di是估计点与插值点的距离，p是距离的幂，选择标准是最小平均绝对误差最低的幂值视为最佳幂指，幂指越高，插值效果越平滑，通常认为，幂的合理范围为0.5～3.0。

2 结果与分析

2.1 不同天气类型大长度日光温室东西方向的温度变化

大长度日光温室不同月份各时刻东西方向的温度变化存在差异。在试验监测期间的晴天较多，2020年12月有20 d，约占65%；2021年1月有14 d，约占45%；2021年2月有21 d，约占75%。阴天天气较少，2020年12月和2021年1月均为1 d；2021年2月有3 d。

2.1.1 晴天

1) 2020年12月。从图2看出，2020年12月晴天温室东西长度方向温度高值区与低值区的分布位置与概率的变化。高值区：揭开和盖上棉被的时间分别为8:00-8:30和16:30-17:00，9:00最高温度点主要集中在温室东西长度方向50 m处，原因是此时温室棉被刚揭开，温室内还未接受到阳光的照射，因而最高温度仍位于中间区域。随着太阳升起，阳光直射温室西侧，温度呈西高东低的变化趋势，东侧温度较低的原因是受耳房和东墙遮挡所至。10:00有66.7%的最高温度点出现在50 m处，有20.6%的最高温度点出现在90 m处，随着太阳辐射角增大，11:00有44.7%的最高温度点出现在90 m处，有21.4%出现在10 m处；12:00分别有39.2%和35.3%的最高温度点出现在10 m和90 m处，13:00-15:00有60%左右最高温度点出现在10 m处，20%左右的最高温度点出现在90 m处，16:00有63%的最高温度点出现在10 m处，但西侧的最高温度点已开始向中间移动。原因是试验观测期间10 m处的上通风口有12 d未打开或打开过晚或未完全打开，致使最高温度点出现在10 m处。17:00棉被放下后最高温度点开始向中间区域移动，直至在棉被揭开前，有50%以上的最高温度点在50 m处。低值区：揭开棉被前至11:00有59%的最低温度点在东侧10 m处，随着太阳高度角的减小，最低温度点逐渐向中西侧移动，16:00温室西侧被西墙遮挡，使其附近温度迅速下降，有70.5%最低温度点出现在90 m处，16:30盖上棉被后，温室内的最低温度点逐渐向东侧移动，18:00最低温度点70%以上出现在东侧10 m处，直至揭开棉被前。原因是东侧的蓄热量较西侧少，且东侧有耳房，无缓冲长廊，因而降温速度较快。

注：在高值区和低值区中，底色越深表示温度越高，反之温度越低，下同。

2) 2021年1月。从图3看出，2021年1月晴天温室东西长度方向温度高值区与低值区的分布位置与概率的变化。高值区：1月揭开棉被时间为7:50-8:50，部分时段棉被揭开时间较晚，9:00最高温度点主要出现在温室东西长度方向50 m处。太阳初升时，直射温室中西部，最高温度点向90 m处移动，呈西高东低的变化趋势。其中，10:00-13:00有60.0%以上的温度高值区出现在90 m处，13:00后随着太阳高度角的变化，直射东部，最高温度点逐渐向东侧移动，16:00后墙体向外散热快，致使温室东西两侧较中部温度低，温度高值区向中间区域移动，直至揭开棉被前，高值区位于50 m处。低值区：1月温度低值区和12月分布基本一致，但不尽相同。尤其是盖上棉被至揭开棉被前，低值区主要位于东侧10 m处， 23:00其分布概率达90%，部分时段温度低值区出现在90 m处，午夜过后，分布概率最大仍在10 m处，但分布概率下降， 90 m的分布概率增加。原因是东西两侧蓄热量少，保温时间较短，但盖上棉被后向外界散热较快，因此低值区出现在东西两侧;但由于1月外界温度较低，且冬季主导风向为西北风，若风速较大时西墙散热较东墙快，致使夜间部分时段出现在西侧90 m处。

图3 2021年1月晴天温室东西长度方向温度高值区与低值区的分布位置与概率

3) 2021年2月。从图4看出，2021年2月晴天温室东西长度方向温度高值区与低值区的分布位置与概率的变化。高值区：2月由于温度回升，棉被揭开时间较早，为7:30-8:00。盖上棉被时间为17:00左右，夜间温度较高的时候不盖棉被，因而其温度变化与12月和1月不同。揭开棉被后温度高值区变化与12月较一致，8:00的最高温度点出现在50 m处。9:00开始向西部移动，呈中西侧高东侧低的变化趋势，11:00-18:00的最高温度点出现在10 m处，原因是10 m处的上通风口未打开或打开过晚或未完全打开。由于2月的部分时段未覆盖棉被，18:00后高值区逐渐向中部移动，午夜至揭开棉被前高值区位于40 m处。低值区：温度低值区分布与12月和1月不同，8:00揭开棉被后主要分布在10 m处，9:00出现在10 m处，但随着风口打开，直至17:00盖上棉被后低值区移动至50～60 m处，随后向东西两侧移动，且西侧出现的概率大于东侧，原因是随着日照时数的增加，东侧的蓄热量较西侧多，且室外的温度增高，温差减小，向外释放热量的速度减小。

图4 2021年2月晴天温室东西长度方向温度高值区与低值区的分布位置与概率

2.1.2 多云天气

1) 2020年12月。从图5看出，2020年12月多云天气温室东西长度方向温度高值区与低值区的分布位置与概率的变化。高值区：12月多云天气有9 d，除了28日的日照时数为5.5 h外，其余时间段均在7 h以上。温度高值区变化规律和12月的晴天变化规律基本一致，揭开棉被后温度开始回升，9:00-10:00高值区主要分布在50 m处，随着太阳高度角增大，直射温室西部，直至13:00高值区集中在中西侧。随后直至15:00移至东侧。随后随着太阳辐射能量的减少，最高温度点逐渐向中部移动，直至揭棉被前。低值区：揭开棉被后9:00的温度低值区分布在10 m处，随着太阳光辐射的变化，10:00-12:00在东西两侧均有分布，但主要在东侧10～30 m处，10 m处的分布概率最大。13:00后太阳直射东侧，低值区在西侧60～90 m处，90 m的分布概率最大。17:00盖上棉被后，低值区主要分布在东侧10 m处和西侧90 m处，东侧10 m处的分布概率最大，直至揭开棉被前最低温度主要分布在东侧10 m处。

图5 2020年12月多云天气温室东西长度方向温度高值区与低值区的分布位置与概率

2) 2021年1月。从图6看出，2020年12月多云天气温室东西长度方向温度高值区与低值区的分布位置与概率的变化。高值区：1月多云天气有15 d，日照时数均在6 h以上，与12月多云天气温度变化一致。9:00-10:00高值区主要分布在50 m处，11:00-13:00高值区分布在中西侧，但主要在中间50 m处和西侧90 m处，整体上西侧的分布概率较大。14:00-16:00高值区逐渐向中东侧移动，14:00-15:00东侧分布的概率最大，16:00中部分布概率最大，直至9:00揭开棉被高值区出现在中间50 m处。低值区：盖上棉被至次日11:00，温度低值区分布在东侧10m处，12:00后温度低值区除了中间50 m处，在其余方位均有出现。12:00在10 m处分布概率最大，13:00在40 m处分布概率最大，14:00在10 m和40 m处分布概率最大，15:00-16:00在东西两侧的10 m和90 m处分布概率最大。原因是多云天气太阳辐射无规律变化及外界温度变化所致。

图6 2021年1月多云天气温室东西长度方向温度高值区与低值区的分布位置与概率

3) 2021年2月。从图7看出，2021年2月多云天气温室东西长度方向温度高值区与低值区的分布位置与概率的变化。高值区：2月多云天气有4 d，且室外温度较高，上下风口均打开，其中21日未盖棉被。8:00—9:00温度高值区出现在温室中间50 m处，10:00-17:00主要分布在东西两侧的10 m和90 m处，18:00后主要分布在温室东侧20～30 m和西侧70 m处，可能是由于2月上下风口都开启，风口大小不均所致。低值区：刚揭开棉被时，8:00-9:00温度低值区出现在温室东侧10m处，随后向中间60m处移动，10:00-16:00在60 m处分布概率最大，是由于2月多云天气的温室外温度较高，夜间只压住上通风口，棉被未放下。17:00后逐渐向90 m移动，午夜过后最低温度点主要分布在东西两侧10 m和90 m处，最大分布概率在90 m处，与2月晴天温度低值区变化趋势一致。

图7 2021年2月多云天气东西长度方向温度高值区与低值区的分布位置与概率

2.1.3 阴天 从图8看出，阴天温室东西长度方向温度高值区(2020年12月与2021年2月)与低值区(2021年2月)的分布位置与概率的变化。2020年12月有阴天1 d，温度的高值区主要集中在温室中间区域的50～60 m处。2月13日和14日为阴天，即有阴天2 d。揭开棉被时间7:50-8:00，盖棉被时间为16:30。揭棉被前温度的高值区主要集中在30～50 m处，揭棉被后温度高值区出现在50 m处，温度低值区主要集中在90 m处。

图8 阴天温室东西长度方向温度高值区(2020年12月与2021年2月)与低值区(2021年2月)的分布位置与出现概率

2.2 冬季晴天与多云天气温室内不同时刻的温度变化

从图9可知，冬季晴天与多云天气温室内不同时刻的温度变化。

图9 冬季晴天与多云天气温室内不同时刻的温度变化

2.2.1 晴天 12月和1月的变化趋势基本一致，9:00揭开棉被后，温度迅速回升，9:00-10:00温度增速最快，东西方向增速为10℃/h以上，呈西部大于东部的变化趋势，因为太阳初升时直射温室西部。晴天一般10:30打开上通风口，因而10:00-11:00的变化幅度下降。随着太阳辐射的减弱和室外温度的下降，14:00时温室内温度呈下降趋势，直至17:00变化幅度达最大，这是因为冬季一般16:00-17:00盖棉被，室内外温差较大。由于棉被的保温作用，随后温室内的温度呈缓慢下降趋势，温度变化幅度减小。2月夜间温度变化幅度趋势与12月和1月相同，但白天的变化趋势与其不同，可能因为2月温度回升，夜间只覆盖2/3的棉被或不覆盖棉被，上下通风口都打开，白天温度变化趋势较为复杂。因而在温室快速降温阶段应盖上棉被，可有效阻止温室热量散失，提高夜间的温室温度。

2.2.2 多云天气 夜间温室内温度的变化基本一致，温度变化幅度较小。由于太阳辐射的原因，白天各月温室内温度存在差异，12月和1月的增温和降温速度均最快，分别出现在9:00-10:00和16:00-17:00。但2月白天温度变化幅度较12月和1月小，增温和和降温速度最快的时间出现在7:00-8:00和15:00-16:00。阴天由于太阳辐射较少的原因，温度变化较小，基本在1℃/h以下。

3 讨论

温度是日光温室内作物生长的重要环境因素，随着大长度日光温室的发展，不同方位的温度时空分布不均。研究结果表明，晴天和多云天气的夜间及阴天天气的全天东西方向上的温度差值较小，基本在1℃以下。温度高值区出现在中间40～50 m处，低值区在温室的东西两侧(10 m或90 m处)。晴天和多云的白天温度的高值区存在差异，揭棉被后温室内温度呈上升趋势，太阳初升时温室内温度呈中西侧高东侧低的趋势，13:00后随着太阳辐射的变化，温度高值区主要在中东侧，与宿文[20]的研究结果相近。晴天与多云天12月和1月气温室内温度变化基本一致，温度快速升温和降温的时段均在9:00-10:00和16:00-17:00，晴天天气状况下变化幅度较多云天气大，与张军华等[21]的研究结果一致。2月由于生产管理方式的不同，温度快速增温和降温的时段为7:00-8:00和15:00-16:00。阴天温度随时间的变化幅度较小，为1℃/h左右。目前，大长度日光温室东西方向温度差异方面的研究报道较少，由于通风口开闭时间、通风口的大小等管理方式的不同，温室内不同方位的温度差异较大，对温室内作物生长发育和品质有一定的影响。在今后的研究中，增加监测点的密度，通过观测数据和仿真技术相结合的方式，从而更加精细地分析温室内温度变化规律，以更好地为日光温室小气候环境优化甚至棚型设计提供参考依据。

4 结论

大长度日光温室内东西方向上温度时空分布不均，对作物生长有一定的影响。夜间温度低值区主要集中在温室的东侧或西侧的区域，因而若有低温冻害天气发生时，应在东侧或西侧采取增温措施；白天温室内由于太阳辐射和生产管理方式等因素的影响，在温室的高温时段，可以根据作物的生长气象指标，适当在温室内增设风机，以增强温室内气流流速，避免温度极度不均性对作物生长的影响。