山东省设施农业气象要素日变化特征分析

黄广斌，李 超

(成都信息工程大学大气科学学院，成都 610225)

0 引言

设施农业系统亦称为小气候系统，设施中作物需要在外界多变的自然气候条件下，创造一个适合作物生长的小气候环境，以实现高品质、高产、低成本、高效益等可持续发展的目标。20世纪60年代，国外已有关于温室小气候的研究，Walker[1]等研究了在通风温室下对温度进行预测的方法，并在1965年全面建立了温室的能量平衡模型；1971年Iwairi[2]等研究了白天温室内部气温的分布以及传输；在20世纪80年代，Pieters[3]等通过建立数学模型，研究了温室覆盖层水蒸气凝结和静态热交换在夜间的进行过程。至此，国外对设施农业的研究已经从初步探索发展至成熟阶段，现今则处于逐渐完善的过程中。中国日光温室进行大规模生产始于20世纪90年代，国内学者开始对设施中的光照、温度、湿度等特征进行大量的研究。杨艳超、刘寿东[4]等探明了冬春季山东莱芜日光温室内气温的变化规律，并总结出不同天气条件下温室气温的差异性；魏瑞江、王春乙[5]等利用相关和逐步回归分析，探明了不同天气状况下石家庄地区日光温室内冬季温度、湿度和太阳辐照度等小气候特征以及与外界的关系，并建立了日光温室内外气象要素的相关模型；王孝卿、李楠[6]等研究了寿光温室小气候变化规律及模拟方法，得出设施内温度、湿度等要素在不同天气类型下的日变化规律，最后通过统计方法建立了模拟预报模型；林瑞坤、杨开甲[7]等探明了不同天气条件下春季塑料大棚内的土壤温度日变化特征以及对气温的响应。上述研究以某一类温室内的温度要素分析居多，对要素变化或者日变化的详细刻画较少。文章着重研究了冬季设施站中气温的日变化规律，通过个例分析拟建气温日变化模型，用统计分析的方法研究气温日变化不同温度特征变化区段的差异性，以及气温受不同天气条件(不同云量)影响的情况。

1 数据与数据处理

1.1 观测资料

山东设施农业发展至今已具有相当规模。设施农业生产由单纯种植普通蔬菜发展到种植高档蔬菜、瓜果、花卉以及家畜禽、水产养殖等领域。由简易塑料大棚发展到日光温室，以及具有人工环境控制设施的现代化连栋温室和植物工厂；由传统耕作发展到自动化、机械化作业[8]。山东省已经建成了43个设施农业小气候观测站，其中设施农业小气候观测站的观测要素包括：气温(单位：℃)、相对湿度(单位：%)、水汽压(单位：hPa)、露点温度(单位：℃)、地表温度及不同层地温(单位：℃)(包括0 cm，5 cm，10 cm和20 cm)、辐射辐照度(单位：W/m2)和CO2浓度(单位：ppm)等，观测资料的时间选取为2016—2020年冬季的11月、12月和1月的逐小时观测资料。由于设施农业小气候观测站建站时间普遍较短，在研究中去掉了一些观测时间序列较短的观测站，最后保留了较为完整的29个观测站的资料进行研究。

山东省观测总云量的测站共计23个，均为国家地面观测站，每天的观测时次为08：00，11：00，14：00，17：00和20：00(北京时间)，时间段同样选取2016—2020年的冬季(11月—次年1月)；山东省地面气象站的观测资料包括123个国家站和1743个区域站，所有资料均来自山东省气象局。

1.2 设施农业小气候观测站的地面站匹配处理方法

设施农业气象观测站数据代表的是设施内部环境的气象要素变化[9-11]，而设施内气象要素的变化主要受设施外部环境的气象条件影响，为了方便后续研究，需要得到对应设施站外部环境气象数据，因此需要进行设施站与地面站的匹配处理。

设Pi(i=1，2，…，n)表示山东省任一设施农业小气候观测站，Qj(j=1，2，…，m)表示山东省任一地面自动观测站，Dij表示任意两个测站Pi和Qj之间的欧式距离，其中n=29表示山东省设施农业气象观测站的总数，m=1866表示山东省气象观测网地面观测站的总数(含国家站和区域站)，则：

(1)

Si=min{Dij，j=1，m}

(2)

由于地面站中国家站的观测资料比区域站更为精确，因此在采用公式(2)计算Si时应遵循以下几个原则：1)若匹配结果中的国家站和区域站的距离相等或者距离≤10 km时，优先采用国家站；2)若匹配结果为多个区域站，则采用海拔差最小的区域站。从山东省29个设施农业小气候观测站的地面观测站的匹配结果可知，11个是国家地面站，18个是区域地面站。设施农业小气候观测站的匹配站为区域站间的距离均≤6 km，设施站与匹配站为国家站间的距离均≤10 km，即可以为设施农业小气候观测站找到相关的匹配站。

2 设施农业观测站气温日变化特征分析

2.1 气温日变化个例分析

温度条件是农业生产过程中最重要的外界环境气象因子，是作物生长发育的重要条件。设施内的气温主要受设施外的气温和太阳辐射的影响，设施外气温分布和变化对设施内气温起至关重要的作用[12]。日常业务工作中将山东划分为4个区：东部半岛、鲁西北、鲁中和鲁南。文章从4个分区中各选取1个设施农业小气候观测站作为个例分析参考站。从2019-01-01—2019-01-05(连续5 d)不同分区的设施站的气温变化情况和D0702站不同天气条件设施内气温日变化特征曲线(图1)可知：1)设施内的平均气温具有明显的日变化周期性特征；2)设施内的平均气温日变化几乎呈现为单峰型变化曲线，并且日变化可以分为显著变化阶段和缓慢变化阶段；3)由于不同的设施站内小气候环境差异较大，虽然气温日变化的趋势具有一致性特征，但其不同站的日气温变化幅度大小是具有差异的；4)对同一站而言，气温受天气条件影响日变化较大，尤其是在白天时段气温差异较明显，表现为晴>多云>阴。其中不同天气条件按日均总云量大小进行划分[13-15]：日均云量Cd<0.3为晴，0.30.8为阴。

图1 不同天气条件下设施内气温日变化曲线

2.2 气温日变化概念化模型拟建

在设施内气温日变化过程中，不管天气条件如何，其白天时段的气温变化相对于夜间气温变化通常更为剧烈。所以可以根据不同的变化特征将气温日变化过程分为显著变化区和平缓变化区，因此会存在两个分界点，即显著变化起点和显著变化终点，其设施内气温日变化概念化模型如图2所示。通过对逐日的气温变化统计可以发现，显著变化起点大频率出现在09：00或10：00，而显著变化终点则通常出现在日落前后。

2.3 不同区段气温日变化温度值统计特征

根据D0702设施站213 d的气温数据可以分别绘制气温日变化显著变化区(白天段)和平缓变化区(夜间段)中的气温最高值(Tmax)和气温最低值(Tmin)。从整体上看，气温日变化显著变化区中的Tmax变化趋势较大，最大可达39.2 ℃，最小为8.8 ℃；平缓变化区段中的Tmax变化趋势较为平缓，最大为20.9 ℃，最小为8.4 ℃；显著变化区不同日期的最高气温变化差异较大，但平缓变化区中的最高气温差异较小；显著变化区和平缓变化区中的Tmin变化曲线相对较为重合，其变化趋势具有一致性，且温度值差异较小。其中气温日变化显著变化区中的Tmin最大达20.2 ℃，最小为5 ℃；平缓变化区中Tmin最大为16.6 ℃，最小为3.6 ℃。

为了更好地了解显著变化区与平缓变化区中温度变化的差异性，对该站213 d日气温数据按气温变化的不同特征段所出现的频数(天数)进行统计(图3)，可以得出：1)最高气温在显著变化区中的跨度大，在5～40 ℃均有不同程度的频数占比，其频数占比较多的集中在20～40 ℃；平缓变化区中的跨度较小，基本以10～20 ℃为主要频数占比。2)最低气温在显著变化区和平缓变化区中的占比情况较为一致，均以5～20 ℃为主要频数占比。

图3 最低气温统计情况

3 设施内其他要素日变化特征分析

与分析气温的方法相同，对设施内其他各个要素进行分析，分析结果绘制成表格(表1)。

表1 各要素日变化特征分析

1)“√”表示存在或明显；2)“×”表示不存在或不明显。

4 结束语

随着设施农业的迅速发展，设施农业小气候相关研究不断受到各国学者关注。设施农业中设施以其建造方便、造价低和使用寿命较长的优点，成为中国农业小气候发展的主要类型。文章以山东省单站为例，着重研究了设施内气温日变化过程中不同时段的差异性，研究结果不仅为后续质量控制过程中确立要素的阈值，从而建立山东省各个设施站内不同要素、不同日变化时段的多阈值标准奠定了基础，而且有助于人工调控小气候内要素，为制造设施内作物最适宜的生长发育条件、充分发挥设施温室和大棚的生产优越性提供依据。