氣象站、糧倉和糧堆的溫濕度相關(guān)性分析

褚春燕，孫桂玉，孫洪偉，姜麗霞，王曉明?

（1. 佳木斯市氣象局，黑龍江 佳木斯 154004；2. 黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150000；3. 黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，黑龍江 哈爾濱 150000）

黑龍江省現(xiàn)有耕地超過 2億畝，糧食存儲量居全國第一，糧食的安全儲存可以通過控制兩個重要的物理因素來實現(xiàn)：溫度和水分含量[1]。糧食倉儲過程中，氣象因子溫濕度的變化直接影響糧食的生理變化——呼吸、后熟、發(fā)芽、陳化等，進(jìn)而改變糧食品質(zhì)，甚至出現(xiàn)霉變、蟲害等造成糧食損失。糧食安全貯藏對環(huán)境條件要求較高，如空氣相對濕度需小于 75%、糧溫需低于 20 ℃，糧食水分需在安全水分下等[2]。劉慧[3]研究發(fā)現(xiàn)在溫度為 25 ℃，相對濕度為 85%的環(huán)境下稻谷儲藏第10周，即進(jìn)入輕微霉變狀態(tài)；在溫度20 ℃及以下的儲藏條件中，霉菌數(shù)量增長緩慢，稻谷處于安全狀態(tài)。正常情況下，氣溫影響倉溫，倉溫影響糧溫，倉溫滯后于氣溫，糧溫滯后于倉溫[4]。糧溫與環(huán)境氣溫的年度變化規(guī)律基本一致，糧溫變化滯后于氣溫1～2個月左右，采用糧溫滯后氣溫一個月進(jìn)行擬合，兩者具有很好的相關(guān)性[5]。

目前糧食倉儲提倡準(zhǔn)低溫儲藏和低溫儲藏兩種方式，準(zhǔn)低溫儲糧要求局部最高糧溫不高于25℃，低溫儲糧局部最高糧溫不高于20 ℃[6]。張前[7]提出在糧食儲藏過程中，糧堆發(fā)生蟲害的主要部位集中在糧堆表層（即糧面以下30～50 cm）等糧溫變化活躍區(qū)域，外界氣溫對倉溫影響很大，對糧堆表層區(qū)域溫度影響也非常明顯，糧堆表層平均溫度和氣象因素中的氣溫呈現(xiàn)較強的正相關(guān)關(guān)系，糧堆表層平均溫度隨氣溫的變化而變化，有一定的延遲。盧獻(xiàn)禮[8]通過高溫高濕生態(tài)區(qū)高水分玉米降水保質(zhì)儲藏試驗得出在6～10月雨季，平均糧溫應(yīng)控制在20 ℃以內(nèi)，最高糧溫在25 ℃以內(nèi)；倉內(nèi)相對濕度一般應(yīng)在75%以下，7～10月雨季倉內(nèi)濕度應(yīng)控制在 65%以下。李興軍[9-10]研究表明糧食在相對濕度 20%～65%范圍內(nèi)儲糧是安全的，既不發(fā)霉也不發(fā)生脂肪過氧作用。前人研究多集中在糧倉內(nèi)溫、濕度變化規(guī)律[11]、建立糧堆溫、濕度預(yù)測模型[12]等，但是在氣象臺站與糧庫的溫、濕度數(shù)據(jù)分析及糧食倉儲氣象服務(wù)溫、濕度指標(biāo)方面研究比較少。

本文利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對三個糧庫高大平房倉2017—2020年觀測的溫、濕度資料與氣象臺站觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出糧食倉儲氣象要素變化特征和相關(guān)擬合關(guān)系，確定高大平房倉糧食倉儲的溫、濕度氣象服務(wù)指標(biāo)，從而為糧庫提供精準(zhǔn)的糧食倉儲氣象服務(wù)，保障糧食倉儲安全。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 糧庫數(shù)據(jù)

根據(jù)三江平原糧庫主要糧倉類型及氣候條件，以2017—2020年三個糧庫（簡稱甲庫、乙?guī)臁⒈麕欤└叽笃椒總}測量的倉外溫度（外溫）、倉內(nèi)溫度（倉溫）、糧堆溫度（糧溫），糧倉外部相對濕度（外濕）、倉內(nèi)相對濕度（倉濕）與對應(yīng)氣象臺站采集的溫、濕度為數(shù)據(jù)來源。甲庫地處樺川縣，以樺川國家氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；甲庫糧食輪轉(zhuǎn)出庫周期短，糧情數(shù)據(jù)不連續(xù)，數(shù)據(jù)延續(xù)到2020年11月26日；糧庫在糧食存儲期間測量倉濕和糧食水分含量，不進(jìn)行大氣濕度與糧濕的分析。糧庫信息及糧情測量情況如表1。糧情數(shù)據(jù)為每周測查1次，高溫期及特殊時期增加測查次數(shù)。

表1 糧庫與糧情測量情況Table 1 The measurement of grain depot and grain situation

1.1.2 氣象臺站數(shù)據(jù)

氣象站數(shù)據(jù)包含實時數(shù)據(jù)和日最高溫度數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)是指進(jìn)行糧情檢測同一時間的氣象臺站數(shù)據(jù)，日最高氣溫是指糧情檢測當(dāng)日的氣象臺站最高氣溫。由于高大平房倉采取保溫措施以及糧堆的導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)致倉溫、糧溫日變化較小，因此本文采用氣象臺站日最高溫度與糧溫檢測時間的倉溫和每層最高糧溫進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.2 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)，Minitab進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象臺站實時溫度與糧庫外溫數(shù)據(jù)分析

2.1.1 氣象臺站實時溫度與糧庫外溫數(shù)據(jù)的對比分析

三個糧庫的溫度對比如圖1所示，臺站溫度與糧庫溫度變化規(guī)律相同，圖c重合度最高，圖b最低，臺站溫度多低于糧庫外溫，樺川臺站93.4%的溫度低于乙?guī)焱鉁?，湯原臺站90%的溫度低于丙庫外溫，佳木斯臺站只有 58.1%的溫度低于甲庫外溫；臺站溫度與糧庫外溫的差值峰值為–3.9 ℃，差值谷值為0.0 ℃，最大差值平均值出現(xiàn)在乙?guī)?，為–2.0 ℃，可能是因為外溫傳感器安裝或維護(hù)不規(guī)范，造成測量外溫數(shù)據(jù)偏大。

圖1 氣象臺站實時溫度與糧庫外溫對比分析圖Fig.1 Comparative analysis diagram of real-time temperature of meteorological stations and external temperature of grain depot

2.1.2 氣象臺站實時溫度數(shù)據(jù)與糧庫外溫的相關(guān)分析

氣象臺站實時溫度與糧庫外溫的相關(guān)性見表2。氣象臺站實時溫度與糧庫外溫均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.996以上，回歸方程回歸系數(shù)均為正且接近 1，截距均為正，乙?guī)旖鼐嘧畲螅豢梢?，臺站溫度可替代糧庫外溫進(jìn)行溫度預(yù)報和糧庫三溫分析。

表2 氣象臺站實時溫度與糧庫外溫相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis between real-time temperature of meteorological stations and external temperature of grain depot

2.2 氣象臺站實時溫度與糧庫倉溫、平均糧溫的對比分析

倉儲部門利用三溫曲線圖法分析糧溫的時間變化規(guī)律，其中三溫為糧庫外溫、倉溫和平均糧溫。圖2以臺站實時溫度代替糧庫外溫，與倉溫、糧溫進(jìn)行三溫分析。從圖2來看，三個糧庫倉溫、平均糧溫與臺站實時溫度變化規(guī)律基本相同，10月至次年3月平均糧溫、倉溫高于臺站溫度，平均糧溫>倉溫>臺站溫度，夏季平均糧溫、倉溫低于臺站溫度，平均糧溫<倉溫<臺站溫度，倉溫大多低于25 ℃，且滯后臺站溫度1 d，平均糧溫在±10 ℃之間，年變化幅度較小，且有滯后性，三個糧庫平均糧溫極值出現(xiàn)時間滯后于臺站溫度極值約30 d。

圖2 臺站實時溫度與糧庫倉溫、平均糧溫對比分析圖Fig.2 Comparative analysis diagram of real-time temperature of station, warehouse temperature and average grain temperature

2.3 氣象臺站日最高氣溫與糧庫倉溫、各層最高糧溫的相關(guān)分析

根據(jù)低溫、準(zhǔn)低溫儲糧要求，糧堆平均溫度常年保持在 20 ℃及以下，局部最高糧溫不高于25 ℃，黑龍江省夏季6～8月氣溫升高，外界氣溫超過 25 ℃會影響倉溫變化，從而影響到糧溫，倉溫的變化滯后于外溫變化，糧溫的變化滯后于倉溫變化。為保證夏季糧食存儲安全，以氣象臺站日最高氣溫與糧庫倉溫、各層最高糧溫進(jìn)行相關(guān)分析，建立回歸方程，預(yù)測倉溫和最高糧溫變化。

表3中可以看出，三個糧庫倉溫與氣象臺站日最高氣溫的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.96以上，倉溫均滯后氣象臺站日最高氣溫1 d，回歸方程的截距均為負(fù)，回歸系數(shù)均為正，倉溫與日最高溫呈正相關(guān)且隨日最高氣溫的升高而升高。根據(jù)回歸方程得出，當(dāng)佳木斯臺站日最高氣溫達(dá)到 29 ℃，湯原臺站達(dá)到32 ℃，樺川臺站達(dá)到30 ℃，相應(yīng)的糧庫倉溫達(dá)到25 ℃。

表3 氣象臺站日最高氣溫與糧庫倉溫、糧溫相關(guān)性Table 3 Correlation between the daily maximum temperature at meteorological stations and grain depot temperature and grain temperature

甲庫表層糧溫檢溫線鋪設(shè)深度與其他糧庫不同，導(dǎo)致其表層糧溫變化與其他糧庫規(guī)律略有不同。糧庫表層最高糧溫與氣象臺站日最高氣溫相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)均在 0.9以上；甲庫表層最高糧溫滯后于佳木斯臺站日最高氣溫11 d，丙庫和乙?guī)旆謩e滯后于氣象臺站日最高氣溫約30 d；三個糧庫回歸方程的截距和回歸系數(shù)均為正，表層最高糧溫與日最高氣溫呈正相關(guān)，隨日最高氣溫的升高而升高；根據(jù)回歸方程得出，佳木斯臺站日最高氣溫達(dá)到27 ℃，湯原臺站達(dá)到37 ℃，樺川臺站達(dá)到 31 ℃，對應(yīng)糧庫表層最高糧溫達(dá)到25 ℃。

甲庫第二至五層最高糧溫與臺站日最高氣溫相關(guān)系數(shù)均小于0.9，且逐層降低，滯后天數(shù)逐層增加，四層和五層最高糧溫滯后天數(shù)相近，由于第二層糧溫檢測線鋪設(shè)深度淺，根據(jù)回歸方程計算得出，臺站日最高氣溫達(dá)到 29 ℃，對應(yīng)的第二層最高糧溫達(dá)到 25 ℃，氣溫對三至五層最高糧溫影響較小，臺站日最高氣溫達(dá)到 40 ℃以上，對應(yīng)的各層最高糧溫達(dá)到 25 ℃；丙庫和乙?guī)斓诙幼罡呒Z溫規(guī)律相同，相關(guān)系數(shù)一致，滯后天數(shù)、回歸方程相近，根據(jù)回歸方程計算得出，氣溫對第二至四層糧溫影響較小，日最高氣溫達(dá)到40 ℃以上，對應(yīng)的各層最高糧溫達(dá)到25 ℃。

2.4 氣象臺站相對濕度與糧庫外濕、倉濕的對比分析

在糧食倉儲過程中根據(jù)大氣濕度條件開展通風(fēng)降濕、提濕增質(zhì)等生產(chǎn)活動。對氣象臺站相對濕度與糧庫外濕、倉濕進(jìn)行對比分析，如圖3所示，佳木斯、湯原、樺川氣象臺站相對濕度略高于糧庫外濕，年變化規(guī)律相同，極小值出現(xiàn)在春季，極大值出現(xiàn)在夏季，臺站相對濕度與糧庫外濕差值較小，三個糧庫倉濕冬、春季升高，高于糧庫外濕和氣象臺站相對濕度，夏季降低，低于外濕和臺站相對濕度，三個糧庫倉濕均在夏季達(dá)到最低值，冬季達(dá)到最高值。為防止高溫高濕導(dǎo)致糧食霉變，三個糧庫倉濕均控制在70%以下，丙庫部分倉濕數(shù)據(jù)高于70%，可能是由于糧庫提濕增質(zhì)等生產(chǎn)活動造成的。

圖3 氣象臺站相對濕度與糧庫外濕、倉濕的對比分析Fig.3 Comparative analysis of relative humidity between meteorological stations and external humidity and warehouse humidity of grain depot

由于糧食倉儲對倉濕有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，倉內(nèi)均有自動控濕設(shè)備，可人為調(diào)控倉濕，不受倉外相對濕度影響，因此不做相關(guān)性分析。

3 討論

黑龍江省位于儲糧生態(tài)第三區(qū)，屬于低溫高濕儲糧區(qū)，在糧食倉儲過程中主要關(guān)注夏季高溫和通風(fēng)期大氣相對濕度。目前糧食倉儲中一般采用控溫、控濕儲糧技術(shù)，控制倉溫、糧溫、倉濕和糧食水分，Deepak Kumar[13]認(rèn)為大多數(shù)儲糧生物體在70%以上的相對濕度、20～40 ℃的溫度下生長迅速，產(chǎn)生大量的熱量和水分，導(dǎo)致在糧堆內(nèi)部形成發(fā)熱點，對整倉糧食造成危害；王士臣[14]研究表明，在 7～8月控溫期內(nèi)，倉溫控制在 16～20 ℃，可延緩糧食品質(zhì)劣變；祁智慧[15]提出倉庫內(nèi)糧堆表層40 cm深處的平均糧溫在5～6月處于20 ℃左右，6～9月采取空調(diào)控溫，平均糧溫控制在20～25 ℃；梁兆岷[16]等開展了高大平房倉內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)準(zhǔn)低溫儲藏試驗，研究表明應(yīng)用了內(nèi)環(huán)流控溫技術(shù)的試驗倉倉溫和表層糧溫均保持在25 ℃以下，平均糧溫控制在20 ℃以下，符合準(zhǔn)低溫儲糧要求，宋峰[17]等研究表明倉溫控制在25.0 ℃以內(nèi)，表層糧溫控制在 22.0 ℃以內(nèi)，有利于糧食安全度夏；佘昆[18]等提出倉濕超過允許上限85%時，必須采取措施降濕；李興軍[19]等研究發(fā)現(xiàn)秋、冬季通風(fēng)時期大氣相對濕度北方儲糧區(qū)為52.0%～68.5%。

本研究通過對氣象臺站與糧庫的溫、濕度進(jìn)行對比和相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)氣象臺站溫濕度數(shù)據(jù)與糧庫外部溫濕度變化規(guī)律相同，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.996，通過回歸方程計算出氣象臺站溫度超過 28 ℃會影響糧食安全，應(yīng)及時采取措施降溫。黑龍江省夏季氣溫極值超過 40 ℃的高溫天氣出現(xiàn)概率極小，佳木斯地區(qū)氣象臺站建站以來歷史氣溫最高極值為38.9 ℃，綜合高大平房倉不同通風(fēng)降溫措施、糧食種類、糧食熱容率、糧庫儲糧現(xiàn)代化發(fā)展因素等，結(jié)合氣象服務(wù)高溫指標(biāo)的通用性、可行性，糧食倉儲氣象服務(wù)高溫指標(biāo)確定為28 ℃，開倉通風(fēng)降濕的條件為空氣濕度低于70%。氣象服務(wù)指標(biāo)可為服務(wù)部門制作針對性、精細(xì)化、定量化糧食倉儲氣象服務(wù)產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)，為糧食存儲部門規(guī)避不利氣象條件或提前采取有效的預(yù)防措施避免經(jīng)濟(jì)損失或利用有利的氣象條件節(jié)省成本，保證糧食儲藏安全提供依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究通過對氣象臺站溫、濕度與糧庫溫、濕度進(jìn)行對比和相關(guān)分析，結(jié)果表明：

（1）氣象臺站實時溫、濕度數(shù)據(jù)與糧庫外溫、外濕變化規(guī)律相同，臺站溫度大多低于糧庫外溫，臺站相對濕度高于糧庫外濕，數(shù)據(jù)差值較小，溫度相關(guān)系數(shù)在0.996以上。

（2）氣象臺站日最高溫度與糧庫倉溫、表層最高糧溫相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.90以上，倉溫變化滯后于臺站日最高氣溫變化1 d，表層最高糧溫滯后約30 d，氣象臺站日最高氣溫與倉溫回歸方程的截距均為負(fù)，各層最高糧溫為正，通過回歸方程根據(jù)臺站日最高氣溫預(yù)測倉溫和各層最高糧溫，滿足低溫、準(zhǔn)低溫儲糧要求，回歸方程計算氣象臺站日最高氣溫低于28 ℃。

（3）氣象臺站相對濕度略高于糧庫外濕，極小值出現(xiàn)在春季，極大值出現(xiàn)在夏季，三個糧庫倉濕冬、春季高，夏季低，三個糧庫倉濕均控制在70%以下。

（4）糧食倉儲氣象服務(wù)高溫指標(biāo)確定為28 ℃，開倉通風(fēng)降濕的條件為空氣濕度低于70%。