設施葡萄小氣候預報模型的建立

肖 芳， 宋 洋， 楊再強，3

(1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210044； 2.內蒙古生態(tài)與農業(yè)氣象中心，內蒙古呼和浩特 010051；3.江蘇省農業(yè)氣象重點實驗室，江蘇南京 210044)

近年來，氣候變化加劇了氣象災害的發(fā)生，嚴重影響了農業(yè)的發(fā)展，而研究農業(yè)氣象災害監(jiān)測預警系統已成為當務之急[1]。葡萄(VitisviniferaL.)為落葉藤本植物，是世界上最主要的水果之一，葡萄產量約占世界水果總產量的1/4。近年來，中國葡萄設施栽培發(fā)展十分迅速，而其產量和品質受外界環(huán)境影響很大[2]。

關于設施小氣候特征和預報模型的研究國內外有一定報道[3-5]。Ferreira等利用神經網絡方法模擬了溫室大棚溫度和棚外太陽輻射、溫度、濕度、云量之間的關系[6]。Walker建立了一個溫室的能量平衡模型，但這個模型有較大的計算誤差，模型也較為簡單[7]。儲長樹等分析了塑料大棚內溫度、濕度的變化規(guī)律[8]。近年來，不少學者對溫室小氣候的變化特征和預報模型也有了一些初步研究并取得一定成果。范遼生等利用逐步回歸方法構建了一個大棚內日最低氣溫預報模型，以大棚外氣溫、相對濕度、地溫、風速、日照時數、輻射等氣象要素作為自變量，構建了基于BP神經網絡的大棚內最高、最低氣溫預測模型及溫濕度神經網絡模擬[9-11]。陳海生等對茶園塑料大棚內外溫濕度的相關性進行了統計分析[12]。符國槐等采用多元逐步回歸統計方法，把大棚外空氣溫度、地面溫度及大棚內空氣溫度作為模擬因素，對浙江省慈溪市設施葡萄大棚溫度、濕度進行模擬，建立了溫室大棚冬、春季室內氣溫預報模型[13]。辛本勝等利用熱平衡原理建立了日光溫室環(huán)境預測模型，能夠預測溫室內溫度和濕度[14]。但是，目前對設施葡萄的小氣候預報模型仍比較欠缺，尚未開展設施葡萄精細化氣象服務，從而導致葡萄生長發(fā)育和果實品質受到一定影響。本研究分析構建設施葡萄小氣候預報模型，以減輕設施葡萄因農業(yè)氣象災害造成的經濟損失，有效增加設施葡萄種植的經濟效益，并為設施葡萄的管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

試驗于2015年1月至2016年9月在南京市浦口區(qū)盤城現代農業(yè)園(118°42′E、32°12′N)進行。

1.2 試驗材料

試驗大棚為鋼架結構，頂高3.5 m、長25 m、寬18 m，南北走向，覆蓋蔬菜專用的淡綠大棚薄膜，其透光度為85%。大棚一般于10月底蓋膜，5月上旬揭膜。種植葡萄品種為紅地球，采用常規(guī)栽培方法進行管理。

1.3 試驗方法

試驗大棚中心分別離地面1.5、3 m處各裝1個美國產Watchdog 2000型溫、濕度記錄儀，自動記錄大棚內的空氣溫、濕度，棚內氣象要素值取同一時刻不同高度的平均值。棚外采集離地面1.5 m高度的氣溫、相對濕度、太陽輻射和風速，采集頻率為10 s/次，存儲記錄每小時的平均值。對采集的原始數據進行標準化處理，利用DPS軟件進行相關性分析[15]和逐步回歸分析[16]。由于2016年葡萄大棚內小氣候變化規(guī)律與2015年相似，本研究葡萄大棚內小氣候特征僅采用2015年1月1日至8月29日的觀測資料進行分析。

2 結果與分析

2.1 大棚內小氣候特征

2.1.1 氣溫變化特征 由圖1可見，大棚內、外日平均氣溫變化趨勢大致相同，均有很強的季節(jié)性變化；在1—8月觀測期間，大棚內日平均氣溫差異相對較小，但均高于大棚外，棚內日平均氣溫較棚外平均高 3.4 ℃；1—2月冬季大棚內、外日平均氣溫相差較大，棚內溫度較棚外平均高4.9℃；3—5月春季大棚內、外日平均氣溫差減小，棚內溫度比棚外平均高3.3 ℃；7—8月夏季大棚內、外日平均氣溫相差較小，棚內溫度比棚外平均僅偏高2.1 ℃。這主要是由于冬季外界氣溫較低，大棚一般不打開，白天有太陽輻射，棚內氣溫迅速上升，夜晚由于薄膜保溫作用，使棚內氣溫始終高于棚外，進入春季后，晴天時常會導致棚內氣溫超過35 ℃，甚至達到40 ℃，此時就須要打開大棚通風降溫，隨著外界氣溫升高，開棚次數增加，到了夏季，大棚內、外氣溫差異縮小。

一般而言，大棚內氣溫受天氣條件的影響較大[17-19]。棚內氣溫的變化主要受太陽輻射影響，不同天氣狀況下太陽輻射有所不同，導致室內的氣溫變化也有所不同。由圖2可見，晴天時，白天棚內氣溫明顯高于棚外，08：00后棚內氣溫迅速升高，13：00左右達到最高值，最低溫度出現在06：00，棚外氣溫最高、最低值與棚內出現時刻相同，10：00—11：00氣溫上升較快，晴天時氣溫會先下降再上升，呈現出“雙峰型”；陰天時，棚內氣溫升幅較小，最高溫度出現13：00—15：00之間。

2.1.2 濕度變化特征 由圖3可見，大棚內、外日平均濕度差異明顯，棚內1—8月平均濕度為82%，較棚外增加14百分點。由圖4可見，晴天時，大棚內外濕度變化差異相對較小，13：00—16：00出現較為明顯的差異；07：00日出后，隨著氣溫升高，棚內外濕度均逐漸下降，13：00—16：00出現較低值，之后濕度逐漸增加；陰天時，大棚內濕度變化幅度較小，大棚內、外濕度變化日較差相對較小，但棚內濕度明顯高于棚外；棚內濕度的變化主要集中在白天08：00—18：00，夜間濕度變化相對較小。

2.2 大棚小氣候預報模型的建立

2.2.1 逐步回歸模型的建立 研究中常采用逐步回歸模型對大棚氣溫進行預測，該模型為：

Y=b0+b1Xi+b2Xj+…+bnXn。

式中：b0是常數；Xi為逐步回歸模型中選入的變量；b1～bn為變量的相關系數。大棚外氣象因子對大棚內氣溫有直接或間接的影響。白天，太陽輻射以短波透過覆蓋薄膜照進大棚，入射的太陽輻射在接觸到各種表面時轉換為熱能，這些熱能又通過對流、長波輻射等方式散布到大棚空氣中；夜間，存儲在土壤中的熱量以長波輻射形式向四周散發(fā)，補償大棚所散失的熱量，以保證棚內氣溫高于棚外氣溫[20-21]。在建立模型的樣本中，選取大棚外前1 d平均氣溫、前2 d的平均氣溫、相對濕度、地表溫度5、10、20、40 cm地溫平均值、最高值、最低值等氣象要素作為自變量，大棚內氣溫、濕度作為因變量，應用數理計算方法建立大棚內氣溫、濕度的數學預測模型，結果見表1。

表1 不同季節(jié)大棚內日平均氣溫、濕度預測方程

2.2.2 逐步回歸方法模擬結果 采用逐步回歸方法模擬冬季、春季、夏季日平均氣溫，結果見圖5，模擬冬季、春季、夏季日平均氣溫基于1 ∶1線的決定系數(r2)分別為0.957、0.934、0.967，均方根誤差(RMSE)分別為0.590、0.580、0.432 ℃。采用逐步回歸法模擬冬季、春季、夏季日平均濕度，結果見圖6，模擬冬季、春季、夏季日平均濕度基于 1 ∶1 線的決定系數分別為0.840、0.814、0.958，均方根誤差分別為2.07%、3.12%、1.30%。

3 結論與討論

本試驗以南京盤城現代農業(yè)園設施葡萄大棚為對象，研究大棚內外日平均氣溫、日平均濕度、逐時氣溫、逐時濕度、日最高溫度、日最低溫度的變化特征，以揭示設施葡萄塑料大棚的小氣候變化規(guī)律。結果表明，晴天時，白天大棚內氣溫明顯高于棚外，08：00后棚內氣溫迅速升高，13：00左右達到最高值，最低溫度出現在06：00，棚內、外的氣溫最高值和最低值出現時刻基本相同；10：00—11：00時氣溫上升較快，為防止氣溫上升過高，12：00農戶會開棚通風，氣溫轉為緩慢上升或下降，晴天時氣溫會先下降再上升，呈現出“雙峰型”；陰天，棚內氣溫升幅較小，最高溫度出現在13：00—15：00。溫室內氣溫的變化主要受太陽輻射影響，氣溫日變化趨勢與太陽輻射變化相同。從氣溫日變化看，晴天氣溫的日變化幅度大于陰天，這與符國槐等的研究結果[13]基本一致。對大棚內、外日平均濕度變化而言，晴天時，隨著氣溫的升高，濕度逐漸下降，13：00—16：00出現較低值，之后濕度逐漸增加；晴天天氣條件下，濕度日較差大，濕度的變化主要集中在08：00—18：00，夜間濕度基本無變化；陰天全天棚內濕度明顯高于棚外，主要是因為陰天大棚相對密閉，通風少；陰天時，大棚濕度變化幅度相對較小，大棚內、外濕度變化日較差較小。

逐步回歸方法能夠較好地反映常態(tài)條件下溫室內、外氣象要素間的相互關系。本研究采用逐步回歸法對溫室大棚冬季、春季、夏季棚內日平均氣溫、日平均濕度建立預測模型，模擬冬季、春季、夏季日均氣溫均方根誤差分別為0.590、0.580、0.432 ℃，模擬冬季、春季、夏季日均濕度均方根誤差分別為 2.07%、3.12%、1.30%，這與王萍等的研究結論[22]一致。

本研究的保溫大棚為南方標準塑料大棚，對于連棟溫室、日光溫室及玻璃溫室等其他溫室類型而言，其小氣候預報模型可能會有所不同，在應用上存在一定的局限性，因此，在應用其他溫室類型時應對其進行相應的驗證。