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      連陰天氣下溫棚內(nèi)逐時降溫模型研究

      2017-05-12 00:37:10趙兔祥李劍萍官景得黃冬陳國蔡江
      現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技 2017年6期
      關(guān)鍵詞:溫棚氣溫

      趙兔祥+李劍萍+官景得+黃冬+陳國+蔡江宏+王文娟+蔣國勇

      摘要 以永寧縣主栽瓜果蔬菜的二代節(jié)能日光溫棚為研究對象,利用自動氣象站實時監(jiān)測的溫棚內(nèi)溫濕度、總輻射以及棚外溫度氣象要素數(shù)據(jù),分析各氣象要素之間的關(guān)系,得到連陰天氣下夜間棚內(nèi)溫度的逐時變化規(guī)律,建立基于外界氣溫、輻射、時間等要素的棚內(nèi)氣溫預報方程,以服務(wù)于設(shè)施溫棚生產(chǎn)管理,結(jié)合天氣預報,指導農(nóng)戶科學合理、及時地開展溫棚增溫措施,從而實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)防災減災、農(nóng)民保收的目的。

      關(guān)鍵詞 溫棚;氣溫;降溫模型;連陰天氣

      中圖分類號 S161.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739(2017)06-0242-02

      設(shè)施農(nóng)業(yè)是以園藝作物高效生產(chǎn)和反季節(jié)栽培為主的產(chǎn)業(yè)定向,利用工程技術(shù)和可控手段,創(chuàng)造出使作物可以四季生長發(fā)育的條件,實現(xiàn)集約、高效、可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,單位面積產(chǎn)值一般可達大田的7~10倍[1-2]。第二代節(jié)能日光溫棚已成為永寧縣主要的農(nóng)業(yè)設(shè)施,截至2015年,全縣發(fā)展面積已達4 813.33 hm2。主要種植芹菜、西紅柿、香瓜、黃瓜、葡萄、李子等蔬菜瓜果,成為當?shù)剞r(nóng)民增收的主要產(chǎn)業(yè)。

      日光溫棚作物的生長受溫室內(nèi)溫度、濕度、光照等小氣候的影響,而溫棚內(nèi)小氣候的變化在很大程度上受外界天氣的影響[3-5]。20世紀60年代開始,國外有很多學者先后開展了溫棚氣溫模型、溫棚內(nèi)各層穩(wěn)態(tài)能量平衡方程等方面研究。國內(nèi)儲長樹、劉克長、錢劍銳等[6-8]對日光溫棚溫光性能、棚內(nèi)溫濕度變化規(guī)律等進行了研究分析,對推進當?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。但目前研究的預報模型多為統(tǒng)計模型,溫室類型、結(jié)構(gòu)和氣候地域性差異等因素使不同地區(qū)的預報模型難以直接應用。此外,針對本地溫室大棚,尤其是連陰天氣低溫凍害的預報模型尚未開展。

      本文擬選永寧縣設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣最多的第二代節(jié)能日光溫棚為研究對象,在溫棚內(nèi)外建立自動氣象站收集氣象要素資料。選擇冬季典型連陰天氣,結(jié)合棚內(nèi)外氣溫、輻射等氣象要素,建立基于連陰天溫棚內(nèi)氣溫的逐時降溫模型,以期為永寧縣冬季日光溫棚夜間低溫預報防御工作提供決策依據(jù),開展設(shè)施農(nóng)業(yè)防凍減災氣象服務(wù)。

      1 資料與方法

      1.1 資料來源

      供試日光溫棚位于永寧縣永清設(shè)施園區(qū)內(nèi)(106.27°E,38.32°N),距離永寧國家基準氣象站8 km,大棚為東西走向,東西長50 m,南北跨度8 m,后墻為土夯墻(高3.8 m),兩側(cè)為磚墻,棚膜為0.08 mm厚的聚乙烯塑料薄膜,棚膜架為鋼管材質(zhì)。大棚在冬季9:00以后拉苫,17:00以后放苫。氣象數(shù)據(jù)來源于溫棚內(nèi)、外安裝的小氣候自動站(華云CAWS600),可實時監(jiān)測棚內(nèi)溫度、濕度、總輻射和棚外溫度。自動站為此項目的研究提供了完善的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)為每小時整點采集。該站自建站以來,數(shù)據(jù)穩(wěn)定,可用性非常強。

      1.2 統(tǒng)計方法

      采用數(shù)理統(tǒng)計、趨勢擬合等方法,分析連陰天氣溫棚內(nèi)氣溫與總輻射、棚外氣溫的變化規(guī)律,得出棚內(nèi)逐時降溫模型;并運用SPSS軟件進行顯著性檢驗,計算了標準差(SE)、均方差根值(RMSE),對模型可用性進行檢驗。

      2 結(jié)果與分析

      通過整理、記錄、分析2014年、2015年冬季氣象數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)2014年2月4—8日為最具代表性的連陰天氣(7日輻射較強,屬多云間晴天氣,夜間棚內(nèi)溫度仍然走低,而8日又是全陰天,為便于建模,故保留7日數(shù)據(jù))。其連陰天數(shù)最長,且溫棚內(nèi)氣溫后續(xù)降到1 ℃左右,影響到棚內(nèi)作物的正常生長,故本文選取這段時間的數(shù)據(jù)為研究對象做降溫段模型。圖1為棚內(nèi)外氣溫、棚內(nèi)總輻射的5 d變化規(guī)律??梢钥闯?,棚外受自然環(huán)境影響溫度變化比較劇烈,溫度波峰和波谷比較明顯,呈明顯的日周期變化;而棚內(nèi)溫度變化相對比較平穩(wěn),溫度波峰明顯,波谷不明顯,這是由于溫棚內(nèi)環(huán)境相對穩(wěn)定,升溫快、降溫慢的原因。從連續(xù)5 d的棚內(nèi)數(shù)據(jù)來看,大約從每日0:00—10:00(2月4日11:00—14:00數(shù)據(jù)跳變,在考慮中舍棄)棚內(nèi)溫度變化幅度較小,變幅為0~3 ℃,且5 d內(nèi)該時段數(shù)據(jù)連續(xù)性較好、差異小。但隨著陰天的持續(xù),同時段溫度變幅逐漸變大,氣溫逐漸降低,棚內(nèi)溫度也在該時間段出現(xiàn)全天最低氣溫。10:00以后,即便微弱的輻射,棚內(nèi)溫度也明顯上升。凍害主要在夜間發(fā)生,研究白天氣溫變化對研究凍害意義不是太大,所以本文遴選2月4—9日夜間0:00—10:00的數(shù)據(jù)開展模型研究。

      2.1 模型建立

      將選取的數(shù)據(jù)放在連續(xù)時序圖(圖2)上,發(fā)現(xiàn)氣溫數(shù)據(jù)呈指數(shù)規(guī)律下降,即y=aexpx,經(jīng)分析模擬得到具體的降溫方程為T=8.702 1exp(-0.015i)。其中,T為棚內(nèi)溫度,i為時序,相關(guān)系數(shù)R2=0.857 2,相關(guān)性較好。

      當時序為0時,起始溫度始終為8.702 1 ℃,當連陰天前的白天輻射強時,起始溫度會變高;白天輻射弱,起始溫度會降低。因此,起始溫度與當天的總輻射累計值有關(guān),與夜間0:00的棚外氣溫也有關(guān)(溫度差導致熱傳遞速度不同),指數(shù)前的系數(shù)由白天總輻射累計值和夜間0:00棚外溫度共同決定(這里不考慮溫棚保溫性能和材質(zhì)等因素)。1月1日至2月20日為溫棚低溫凍害的多發(fā)時段,從2014年該段時期選擇出具有代表性的34組晴天數(shù)據(jù)綜合分析白天總輻射累計值和當日夜間0:00棚外溫度(選擇數(shù)據(jù)時舍棄了該段時間陰天數(shù)據(jù),因為該段模型主要是模擬晴天情況下夜間0:00的棚內(nèi)溫度)。用SPSS統(tǒng)計分析軟件進行多元回歸分析,得出夜間0:00的棚內(nèi)氣溫(指數(shù)系數(shù))關(guān)系式為a=7.599+0.000 24 f+0.41t(式中,f為當日總輻射累計值,t為當日夜間0:00棚外氣溫),顯著性值<0.005,說明模型非常顯著;R2=0.867,說明模擬效果非常好,93.1%的預測可以用此模型。將實測值與模擬值生成1∶1相關(guān)圖(圖3),離散點都在y=x附近,該回歸方程可信。結(jié)合降溫段方程和系數(shù)確定方程,總模型為2段方程的乘積,即

      T=(7.599+0.000 24f+0.41t)exp(-0.015i)

      式中, f為當日白天的總輻射累計值,t為當日夜間0:00的棚外氣溫,i為時序(以當日夜間0:00為0)。由于方程選取夜間降溫數(shù)據(jù)模擬得出,所以方程在使用時是有條件的,必須將有效時序與實際有效時間對應起來,最終總模型如下:

      T=(7.599+0.000 24f+0.41t)exp(-0.015i)

      0≤i≤10,對應于5日0:00—10:0024≤i≤34,對應于6日0:00—10:0048≤i≤58,對應于7日0:00—10:0096≤i≤106,對應于8日0:00—10:00120≤i≤130,對應于9日0:00—10:00

      在業(yè)務(wù)應用中,可將天氣預報、當天溫棚實況信息與該模型結(jié)合起來,以天氣預報的實際晴陰天情況來預報大棚內(nèi)的夜間溫度。

      2.2 模型檢驗

      2月4日0:00棚外氣溫為-7.6 ℃,2月3日白天總輻射累計值為20 906 W/m2,帶入模型得到34組模擬數(shù)值,以降溫數(shù)據(jù)實測值為橫坐標、模擬值為縱坐標,在1∶1相關(guān)圖(圖4)上進行分析,發(fā)現(xiàn)離散點保持在y=x附近,離散度較小。

      將模擬值和實測值采用標準差(SE)和均方差根誤差(RMSE)進行精度分析,得到SE=0.851 ℃,RMSE=0.844 ℃,表明模擬值和實測值之間的平均誤差在1 ℃以內(nèi),溫度預報模型具有較好的擬合精度,棚內(nèi)氣溫模擬預報方程可信。

      3 結(jié)論與討論

      3.1 結(jié)論

      (1)永寧縣冬季設(shè)施大棚內(nèi)溫度變化比較劇烈,遇到連陰天或低溫寡照天氣溫度變化比較平穩(wěn),棚內(nèi)日最高氣溫明顯高于棚外,棚內(nèi)日最低氣溫一般出現(xiàn)在10:00左右,而棚外最低氣溫出現(xiàn)在4:00—8:00,出現(xiàn)時間明顯早于棚內(nèi)。

      (2)利用多元回歸和趨勢擬合的方法,以溫棚自動氣象站容易監(jiān)測的溫度、總輻射等氣象要素,結(jié)合天氣預報的實際陰天天數(shù)為因子,構(gòu)建了適用于永寧縣第二代節(jié)能日光溫棚的棚內(nèi)連陰天氣溫度預報模型,可以計算出模型適宜范圍內(nèi)任意時刻的棚內(nèi)溫度。并對預報模型進行了擬合度檢驗和誤差分析,棚內(nèi)氣溫擬合值與實測值的SE=0.851 ℃,RMSE=0.844 ℃。

      3.2 討論

      本文分析的棚內(nèi)、棚外氣溫變化規(guī)律與范遼生等[9]單層棚膜小氣候分析結(jié)論一致;預報模型的模擬程度也與金志鳳等[10-11]的模型擬合精度基本相當。但由于以下方面的原因,模型也有一定的局限性和不準確性:一是由于溫棚管理、棚膜保溫材料、墻體結(jié)構(gòu)等方面的差異,甚至種植作物的不同,都可能影響到模型的應用效果,不能很好地應用于當?shù)厮袦嘏铩6钱斕鞖忸A報出現(xiàn)較大偏差時,其棚內(nèi)氣溫預報也會有較大誤差,給模型的應用帶來不便。如何與精細化數(shù)值天氣預報結(jié)合,提高模型應用的精細化和客觀化水平,需要進一步積累資料并進行深入研究。

      4 參考文獻

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