巴彥淖爾市新型高標準日光溫室預(yù)報方法研究

包佳婧

摘要 為探求內(nèi)蒙古高寒地區(qū)日光溫室小氣候變化特征及預(yù)測預(yù)報方法，利用內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市臨河區(qū)2020—2021年度春、秋、冬季日光溫室內(nèi)外氣溫資料，分析不同季節(jié)（春季、秋季、冬季）、不同天氣條件（晴天、陰天）、一日內(nèi)不同時段（白天、夜間）溫室內(nèi)氣溫變化特征和增溫保溫效應(yīng)及溫室內(nèi)氣溫的變化與一日時間變化、室外氣溫的相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上，建立了溫室氣溫日變化及最低氣溫的預(yù)測模型，并對模型的準確率進行了驗證。

關(guān)鍵詞 新型；高標準；日光溫室；預(yù)報

中圖分類號：S626.5 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）12–0-03

Research on the Forecasting Method of A New High Standard Solar Greenhouse in Bayannur City

Bao Jia-jing （Bayannur Meteorological Bureau， Bayannur， Inner Mongolia 015000）

Abstract In order to explore the characteristics and prediction methods of microclimate changes in solar greenhouses in the high and cold regions of Inner Mongolia， the indoor and outdoor temperature data of solar greenhouses in Linhe District， Bayannur City， Inner Mongolia from 2020 to 2021 were used to analyze different seasons （spring， autumn， winter） and weather conditions （sunny， cloudy） On the basis of the characteristics of temperature changes in different time periods of the day （day and night）， the warming and insulation effects， and the correlation between temperature changes in the greenhouse and daily time changes， as well as outdoor temperature， a prediction model for daily and minimum temperature changes in the greenhouse was established， and the accuracy of the model was verified.

Key words New type; High standards; Sunlight greenhouse; Prediction

近年來，巴彥淖爾市大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，2010年以日光節(jié)能溫室為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)面積達到約1 867 hm2，經(jīng)過10余年的發(fā)展增至約3 333 hm2。除面積擴大外，溫室墻體結(jié)構(gòu)和材料等都得到了優(yōu)化與改進，新型高標準日光溫室的保溫性能也得到了大幅度提升，而針對新型日光溫室的氣象預(yù)報技術(shù)方法也需更新迭代，以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求[1]。隨著巴彥淖爾市日光溫室類型的更新?lián)Q代，以往對溫室小氣候條件的預(yù)測預(yù)報研究已不再適用。由于河套地區(qū)的氣候條件特殊，且新型高標準日光溫室的生產(chǎn)方式不同于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，因此對該地區(qū)進行專門研究和預(yù)報方法的更新具有重要意義[2]。

1 資料與方法

1.1 烏蘭圖克鎮(zhèn)的氣候概況

內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)烏蘭圖克鎮(zhèn)屬于溫帶大陸性季風氣候，其特點是風大雨少、氣候干燥、蒸發(fā)量大、無霜期短、日照時間長、晝夜溫差大。多年平均氣溫為8.1 ℃，1月平均氣溫為-9.9 ℃，7月平均氣溫為24.1 ℃。無霜期年平均日數(shù)為154 d。年平均日照時數(shù)為3 131 h。年平均降水量為145.5 mm。

日光溫室的生產(chǎn)受到溫度限制，尤其是冬季，溫度是關(guān)鍵的制約因素，而日光資源則是這種溫室的優(yōu)勢。

1.2 研究方法

數(shù)據(jù)來自臨河區(qū)烏蘭圖克鎮(zhèn)新型高標準日光溫室。溫室朝南，東西長150 m，南北寬15 m，屋脊到地面高6.6 m，后墻底部高7 m，收頂2 m。同時采用一斜一立式半地下室構(gòu)造，可增加溫室熱容量，減少土壤熱量橫向傳導(dǎo)損失，進一步增加土壤蓄熱量，這種溫室普遍適用于北方高寒區(qū)周年果蔬生產(chǎn)。此類溫室適用于河套地區(qū)的四季果蔬生產(chǎn)。

利用2021年1—4月和10—12月所監(jiān)測的溫室溫度逐時觀測數(shù)據(jù)建立預(yù)報模型，將2021年典型晴天溫室溫度逐時觀測數(shù)據(jù)作為驗證數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)的測量高度為150 cm，與室外氣象觀測站高度相同。

通過相關(guān)分析和回歸分析，采用逐步回歸方法，可以建立一種新型高標準日光溫室內(nèi)溫度變化預(yù)測模型。這種模型可以預(yù)測日光溫室在不同季節(jié)、不同天氣條件下，白天和夜間的室內(nèi)溫度變化趨勢。這樣的預(yù)測模型對優(yōu)化日光溫室的溫度控制和管理具有十分重要的價值，可以提高生產(chǎn)效益和作物的生長質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 新型高標準日光溫室增溫保溫效應(yīng)分析

新型高標準日光溫室具有良好的保溫增溫性能，室內(nèi)溫度明顯高于室外溫度。然而，在不同季節(jié)和不同天氣條件下，日光溫室的增溫效果存在差異。在晴天的增溫效果優(yōu)于陰天，這是因為太陽輻射是溫室增溫的主要決定因素，晴天太陽輻射強，使溫室內(nèi)的溫度升高更加明顯。冬季的增溫效果優(yōu)于春季和秋季，這是因為冬季室外溫度較低，溫室內(nèi)的保溫效果相對較好，能夠更好地阻止熱量的流失，從而使室內(nèi)溫度升高較快。由于春季和秋季的室外溫度較高，溫室通風時間較長，使得室內(nèi)外溫差減小。溫室通風的目的是調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度，但也會導(dǎo)致室內(nèi)外溫差減小，從而影響溫室的增溫效果。在日照充足的情況下，各季節(jié)室內(nèi)平均溫度比室外高6.1～11.9 ℃，最低氣溫比室外高13.7～31.4 ℃，最高氣溫比室外高11.9～27.9 ℃；陰天條件下，室內(nèi)平均氣溫比室外高4.6～18.5 ℃，最低氣溫比室外高3.1～22.4 ℃，最高氣溫比室外高3.8～21.0 ℃。

2.2 溫室溫度日變化分析

利用2020年不同季節(jié)的典型晴天和陰天的逐時平均氣溫，對比分析了不同季節(jié)、不同天氣狀況下溫室內(nèi)外的日溫度變化（圖略），在不同季節(jié)、不同天氣條件下，溫室內(nèi)溫度明顯高于室外溫度，這是因為溫室具有保溫性能，能夠有效地阻止熱量的流失，使得溫室內(nèi)溫度相對較高；不同季節(jié)、不同天氣條件下，溫室內(nèi)外氣溫具有顯著的相關(guān)性，這是因為室內(nèi)溫度受到室外溫度的影響，隨著室外溫度的變化，室內(nèi)溫度也會相應(yīng)發(fā)生變化。太陽輻射是溫室增溫的主要因素，晴天太陽輻射強，從而使得溫室內(nèi)溫度在白天逐漸升高，然后在夜間逐漸下降。溫室的保溫性能可以減少熱量的流失，使得溫室內(nèi)溫度不會低于室外溫度，冬季為08：00，春季和秋季為06：00；溫室內(nèi)外的最高溫度出現(xiàn)在不同時間。晴天時，溫室內(nèi)通常在13：00左右達到最高溫度，而室外則在14：00左右達到最高溫度，室內(nèi)溫度比室外溫度提前了1 h到達最高點。

2.3 溫室的日溫度變化和最低溫度的模擬

2.3.1 溫室溫度日變化模擬 將北京時間的時間序列轉(zhuǎn)換為一天中的2個時段，即白天（08：00～17：00），08：00為x=1，09：00為x=2，…，17：00為x=10，18：00為x=11；同樣，晚上（19：00至翌日07：00）19：00為x=1，…，00：00為x=6，01：00為x=7，…，07：00是x=13。

通過二次曲線的估計和分析，可以建立冬、春、秋3個季節(jié)室內(nèi)氣溫的日模擬方程。假設(shè)室內(nèi)氣溫為因變量，時間序列為自變量，可以使用二次曲線方程進行模擬，從表1可以看出，擬合的回歸方程在不同季節(jié)、不同時期的決定系數(shù)均在0.93以上，多重相關(guān)系數(shù)R2均在0.96以上，均通過0.01水平置信檢驗，說明方程具有統(tǒng)計學意義。

2.3.2 溫室最低、最高氣溫模擬 通過線性回歸分析，建立了溫室內(nèi)最低溫度與溫室外最低溫度之間的預(yù)測方程。根據(jù)分析結(jié)果，不同季節(jié)晴天條件下，溫室內(nèi)最低溫度與溫室外最低溫度呈現(xiàn)線性正相關(guān)的關(guān)系（表2）。這意味著當溫室外最低溫度升高時，溫室內(nèi)最低溫度也相應(yīng)升高。

F檢驗值冬季最高（F=195.139），春季次之（F=37.4315），秋季最低（F=34.545），相關(guān)系數(shù)均通過0.01水平檢驗。最高氣溫與室外最高氣溫均呈線性正相關(guān)，F(xiàn)檢驗值春季最高（F=10.735），冬季次之（F=6.992），秋季最低（F=4.363），在冬、春季，溫室內(nèi)最低溫度與溫室外最低溫度之間的相關(guān)系數(shù)均通過0.01水平的顯著性檢驗。這意味著冬春季溫室內(nèi)最低溫度與溫室外最低溫度之間的關(guān)系是顯著的，并且具有統(tǒng)計學意義。然而，秋季，由于樣本數(shù)較少，溫室內(nèi)最低溫度與溫室外最低溫度之間的相關(guān)系數(shù)僅通過了0.05水平的顯著性檢驗。這意味著秋季溫室內(nèi)最低溫度與溫室外最低溫度之間的關(guān)系在統(tǒng)計學上可能不顯著，存在一定的不確定性。

2.3.3 溫室最小相對濕度模擬 不同季節(jié)室內(nèi)1～24 h最小相對濕度與室內(nèi)25～48 h溫室最小相對濕度均呈線性正相關(guān)，F(xiàn)檢驗值冬季最高（F=64.488），春季次之（F=33.404），秋季最低（F=29.255），在冬春季，溫室內(nèi)最低溫度與溫室外最低溫度之間的相關(guān)系數(shù)均通過了0.01極顯著水平的檢驗。這意味著在冬春季，溫室內(nèi)最低溫度與溫室外最低溫度之間的關(guān)系是非常顯著的，并且具有極高的統(tǒng)計學意義。

2.4 溫室氣溫日變化以及最低氣溫模擬方程的檢驗

收集2021年1月17日、5月17日和10月11日的氣溫觀測數(shù)據(jù)，包括溫室內(nèi)氣溫的每小時觀測值。對收集到的觀測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、缺失值處理和異常值檢測。確保數(shù)據(jù)的可靠性和一致性。利用表1中的模擬溫室內(nèi)氣溫日變化方程，根據(jù)每小時的觀測時間和其他相關(guān)變量的取值，計算出模擬溫室內(nèi)氣溫的日變化模擬值。根據(jù)對比檢驗的結(jié)果（圖1），春、秋、冬3個季節(jié)的氣溫日變化擬合度均較好，其中白天氣溫日變化擬合度春季最好，明顯好于冬季和秋季；夜間氣溫日變化擬合度冬季最好，明顯好于春季和秋季。

通過收集觀測數(shù)據(jù)、建立預(yù)測方程和進行模型評估，可以對所建立的日最低溫度預(yù)測方程進行檢驗。以驗證不同季節(jié)日光溫室最低氣溫預(yù)測方程的可靠性和普適性。方程的預(yù)測值與溫室內(nèi)實測值使用1∶1關(guān)系圖表示，以表征方程的預(yù)測能力。結(jié)果顯示：日最低氣溫預(yù)報方程在不同季節(jié)的預(yù)報精度分別為0.73、0.64和0.83，秋季預(yù)報精度較好[3]。

3 結(jié)論

（1）溫室內(nèi)的日光照射下，晴天和陰天的平均最低氣溫分別為5.1和7.3 ℃，低于果蔬類作物（如番茄、黃瓜等）適宜生長的最低溫度要求。不同類型天氣狀況下溫室內(nèi)的平均最高氣溫為37.1～39.9 ℃，高于果蔬類作物生長所需的最高溫度。以上2種情況均不利于果蔬類作物正常生長。因此，為了實現(xiàn)溫室果蔬的全年生產(chǎn)，河套地區(qū)的設(shè)施溫棚冬季應(yīng)采取保暖措施，春季和秋季高溫時段要注意通風降溫[4]。

（2）冬季04：00～08：00，溫室內(nèi)氣溫低于10 ℃，春、秋季夜間氣溫維持在10 ℃以上，因此，在實際生產(chǎn)中，冬季可在04：00前后采取加溫保暖措施，既節(jié)源，又可使溫室內(nèi)氣溫保持在適宜果蔬類作物生長的范圍內(nèi)；春、秋季夜間不需要采取加溫保暖措施。

（3）冬、春季16：00，秋季17：00溫室內(nèi)氣溫維持在25 ℃以下，為避免溫室內(nèi)夜間溫度降幅過大，冬、春季應(yīng)在16：00～17：00放簾保溫；秋季放簾時間可適當延遲，在18：00左右放簾保溫。

（4）在不同季節(jié)和天氣狀況下，溫室內(nèi)氣溫的日變化模擬方程可以提供比氣溫預(yù)報方程更準確的結(jié)果。這意味著它可以被用于預(yù)測溫室內(nèi)任何時間的氣溫變化，為溫室內(nèi)生產(chǎn)中的放風、采摘、澆水和揭放簾等活動提供可靠的技術(shù)支持。因此，在設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報服務(wù)中，使用溫室內(nèi)氣溫日變化模擬方程可以提高預(yù)測的準確性，為溫室農(nóng)業(yè)提供更精確的決策依據(jù)。

（5）在不同季節(jié)和天氣狀況下，溫室內(nèi)最低溫度預(yù)測方程的相關(guān)系數(shù)通過0.01顯著水平的檢驗，說明該方程的檢驗效果良好。因此，該方程可以作為河套地區(qū)溫室凍害預(yù)測的工具，并為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供服務(wù)。這意味著利用該方程可以準確預(yù)測溫室內(nèi)的最低溫度，從而幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者采取相應(yīng)的措施以防止凍害的發(fā)生，提高溫室農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

4 展望

各季節(jié)溫室內(nèi)的揭苫期和覆蓋期的室內(nèi)溫度與時間序列之間具有較高的擬合度。這意味著溫室內(nèi)的溫度在揭苫期和覆蓋期隨著時間的變化具有明顯的趨勢。此外，研究還發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)溫室內(nèi)外的最低溫度之間存在顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，說明溫室內(nèi)外的最低溫度在不同季節(jié)之間是相互影響的，即溫室內(nèi)外的最低溫度變化趨勢是一致的。這些研究結(jié)果對溫室農(nóng)業(yè)的管理和調(diào)控具有重要的參考價值，可以幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者更好地控制溫室內(nèi)的溫度，提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，根據(jù)溫度與時間序列的相關(guān)方程，可以估算出各季節(jié)白天和夜間任意時間的溫度。結(jié)合方程預(yù)測最低溫度，實現(xiàn)對日極端溫度事件的模擬預(yù)測，可以幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提前設(shè)計或采取相應(yīng)的控制措施，以應(yīng)對極端溫度對設(shè)施農(nóng)業(yè)的影響。因此，為了更準確地為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供服務(wù)，在未來以月或10 d為尺度建立模擬方程，可以利用更多的樣本數(shù)據(jù)，提高模擬方程的準確性，并更好地預(yù)測溫室內(nèi)的最低溫度。由此可以為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更精確的溫度管理參考。

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