武漢城郊棚內(nèi)溫度統(tǒng)計及預測模型研究

武漢城郊棚內(nèi)溫度統(tǒng)計及預測模型研究

冬春季對蔬菜溫度的變化蔬菜對溫度的變化有一定的適應性。李天來研究了不同蔬菜生長的適宜溫度和高度的極限溫度。張杰等人在相同的溫度下觀察到了番茄植物光合產(chǎn)物生產(chǎn)和各器官管干燥物質(zhì)的積累和分配：例如，30.35c時，甘露天的高溫可顯著降低番茄葉片的含量，降低光合作用，減少植物干物質(zhì)的總量，影響植物生長發(fā)育。同時，水果的發(fā)育開始，生長期縮短。冬春季蔬菜大棚改善了小氣候環(huán)境,為蔬菜生產(chǎn)創(chuàng)造條件,為此很多研究人員對大棚的增溫和保溫效果進行了觀測試驗,但大部分都是以旬或月為尺度對比研究大棚最高溫度、最低溫度與大氣溫度的關系,這種以旬或更長時間尺度研究大棚小氣候特征降低了大棚溫度日變化對蔬菜生產(chǎn)的影響。本文在對比觀測的基礎上,按日照量別分類對大棚小氣候特征及其與大氣候關系進行了分析,并建立了棚內(nèi)氣溫、地溫與太陽高度角、大氣溫度一組數(shù)學模擬模型,為菜農(nóng)通過揭閉膜等措施改善大棚生態(tài)環(huán)境提供數(shù)據(jù)基礎,從而加強大棚蔬菜生產(chǎn)氣象服務的針對性。1材料和方法1.1觀測儀器及設備2006年2月28日至4月17日、2006年11月1日至2007年4月16日在武漢觀象臺(30°37′N、114°08′E海拔高度23.1m)西南方4km處的東西湖慈惠農(nóng)場進行試驗,觀測大棚為一拱圓形鋼架塑料大棚,棚長30m、寬6m、頂高2.5m、棚膜(PVC無滴膜)厚0.08mm。在大棚內(nèi)建有拱棚,拱棚膜(普通農(nóng)膜)厚0.06mm、寬2.5m、頂高1.2m。觀測儀器為江蘇省無線電科學研究所有限公司生產(chǎn)的ZQZ-II型自動溫度觀測儀。觀測項目為大棚內(nèi)距地面高1.5m氣溫(稱為大棚溫度,下同),大棚中套拱棚即雙層膜內(nèi)距地面高0.4m溫度(稱為雙層棚溫度,下同),大棚、雙層棚均有地膜覆蓋的10cm、20cm地溫,以及大棚外無任何遮擋下距地面高1.5m氣溫(稱為棚外大氣溫度,下同)。為了對比觀測,儀器的安裝盡量按中國氣象局地面氣象規(guī)范進行。資料記錄為逐小時正點自動觀測,與常規(guī)大氣觀測站的自動氣象站觀測時間對應。觀測在兩個大棚內(nèi)同時進行,一個為基本不揭膜,另一個由菜農(nóng)自行根據(jù)天氣變化進行揭膜與閉膜的處理。常規(guī)大氣觀測資料來源于武漢觀象臺。1.2太陽輻射相關天氣類型的分類本研究較完整的觀測資料時段是2006年12月28日至2007年3月30日,蔬菜根系主要分布在10cm以上,尤其是苗期生長階段。因此本文以1—3月棚內(nèi)氣溫、以及有地膜覆蓋的10cm地溫為研究重點。目前我國用于日光溫室的覆蓋材料對太陽短波輻射的透射率達到80%～90%左右,溫室內(nèi)部地表及作物向外的長波輻射很少能向外透射出去,因此日光溫室增溫作用主要與太陽短波輻射有關,即在一定的天氣狀況下,棚內(nèi)外溫差隨太陽高度角的增加而增加,亦即隨太陽輻射強度的增加而迅速增加。不同的天氣條件下,太陽輻射到達地表的強度不同,影響了塑料薄膜的增溫效果。一般采用云量來劃分天空狀況,氣象部門云量的觀測客觀性不強,且記錄02、08、14、20時瞬間狀況,對于研究與太陽輻射相關的大棚增溫意義不大,尤其是夜間;氣象上按日照量別分類標準一般分為3級:即日照百分率S≥60%,20%<S<60%,0≤S≤20%;本文按這一標準進行分類分析,并稱它們?yōu)?晴天、多云到少云、寡照3種天氣類型?？紤]到大氣溫度、前后幾小時太陽高度角與大棚中各層溫度相關,利用逐步回歸對2006年12月28日至2007年3月30日進行計算篩選。2結果與分析2.1大氣溫度和月際變化圖1為2007年1月6—10日(日照百分率為63%～83%,平均為76%)大棚氣溫、雙層棚氣溫、棚外大氣溫度、大棚內(nèi)有地膜覆蓋的10cm地溫、雙層棚內(nèi)有地膜覆蓋的10cm地溫逐時的溫度變化。由此看出,晴天條件下,日落至日出前大棚、雙層棚內(nèi)溫度分別比外界大氣溫度高0.8～3.5℃,3.5～6.5℃;隨著太陽的高度角及大氣溫度上升,大棚、雙層棚內(nèi)的氣溫快速升高,至午后13時達最大;之后隨太陽高度角及大氣溫度下降氣溫又迅速下降。大棚外大氣日最高溫度出現(xiàn)在14時左右,大棚與雙層棚內(nèi)日最高氣溫出現(xiàn)在13時左右,l0cm地溫16—17時達最高。大棚、雙層棚以及大氣溫度日最低溫度出現(xiàn)時間均為日出地平線前后,而日最低地溫出現(xiàn)在10時左右。大棚、雙層棚內(nèi)氣溫日較差30℃以上,遠遠大于棚外大氣溫度日變化,較我國新疆大沙漠地區(qū)的氣溫日較差還要大10℃左右。進一步對棚內(nèi)不同月份逐時溫度分析發(fā)現(xiàn),1月大棚氣溫10:30—16:00在20℃以上(圖2),雙層棚內(nèi)≥20℃的氣溫出現(xiàn)在10:00—16:30;2月棚內(nèi)≥20℃的時間與1月相比上午提前1小時左右,下午則推遲1小時左右;3月棚內(nèi)一天≥20℃的時間比2月上下午又分別多1小時。從表1中可以看出,棚內(nèi)日較差與棚外大氣日較差之差,3月最高,大棚和雙層棚分別為21.3℃、21.8℃,2月次之,分別為17.3℃、19.4℃,1月最低,分別為17.0℃、17.9℃;月際變化比較明顯,這一現(xiàn)象與太陽赤緯的變化關系很大,隨著春季逐漸來臨,白天時間越來越長,為大棚增溫提供了更多的短波輻射能量。地溫的變化幅度低于氣溫的變化,不僅表現(xiàn)在日變化遠低于氣溫,而且月際變化也低于氣溫的月際變化(見表1)。大棚內(nèi)10cm地溫2、3月分別比上月增加5.1℃、1.8℃;分別低于氣溫的5.7℃、5.6℃的增加幅度;1月地溫高于氣溫,到3月時氣溫高于地溫。雙層棚內(nèi)地溫也是如此。2.2大氣溫度和血壓圖3為2006年12月31日至2007年1月4日(日照時數(shù)均為0)大棚內(nèi)外溫度逐時變化圖,從圖中可以看出,溫度的日變化明顯地不如晴天狀況下有周期性的變化,大棚、雙層棚內(nèi)的氣溫比棚外大氣溫度分別高1.5℃、3.0℃以上,它們隨時間的變化曲線與棚外的大氣溫度曲線在下午16:00至次日10:00時間接近于平行,只有在中午前后一段時間它們的曲線距離才有所加大。雙層棚、大棚內(nèi)的日平均地溫較棚內(nèi)氣溫高4.0℃左右,日變化幅度很小,在1.5℃以內(nèi)。由表2中可以看出,棚內(nèi)氣溫日較差遠遠小于晴天條件下棚內(nèi)日較差,以大棚內(nèi)氣溫日較差為例,3個月的日較差為8.1～8.8℃,是晴天狀態(tài)下33.0～33.9℃的約1/4,較大棚外日較差3.0～3.9℃只高出5℃左右。這主要由于溫室大棚白天在陰天寡照的情況下缺少短波輻射能量,基礎溫度難以升高。2.3溫的時間變化特征在這一天氣控制下,棚內(nèi)的氣溫和10cm地溫的時間變化特征與晴天狀況下比較相似,但變化幅度明顯減小;棚內(nèi)氣溫日較差20～28℃,10cm地溫日較差為5～7℃(如圖4)。2.4太陽輻射增溫對棚內(nèi)溫度的影響相關性分析表明,棚內(nèi)氣溫與前1小時太陽高度角相關性較好,表3是棚內(nèi)氣溫與大氣溫度、前1小時太陽高度角相關性分析結果;相關性均達到了α=0.001的極顯著水平。從表3中可知:它們均呈現(xiàn)正相關;寡照情況下,棚內(nèi)氣溫與大氣溫度相關性高于與前1小時太陽高度角的相關性,其它兩種天氣則相反;大棚與雙層棚相比,大棚溫度與大氣溫度相關性好于雙層棚,而與前1小時太陽高度角的相關性則相反。夜間棚內(nèi)氣溫與太陽高度角相關性較差。經(jīng)計算棚內(nèi)氣溫的關系模型如下:Tc=a0+a1×H?1+a2×Ta(1)Τc=a0+a1×Η-1+a2×Τa(1)式(1)中,Tc、Ta為同一時刻t棚內(nèi)與棚外大氣氣溫(單位:℃);H-1為t前1小時的太陽高度角(單位:度),表示太陽輻射增溫有滯后效應,a0為參數(shù),a1、a2分別為太陽高度角、大氣溫度的影響系數(shù),詳見表3。它們的相關性均達到了α=0.001的極顯著水平。從表4及圖1、2、3中可以看出,無論是大棚氣溫還是雙層棚氣溫,夜間大棚內(nèi)溫度與太陽高度角關系不大,與外界大氣溫度關系密切;但相對而言,大棚的大氣溫度影響系數(shù)更大,更易受到外界的影響,保溫效果相對較差。表4中白天不同天氣條件下的棚內(nèi)溫度關系模型系數(shù)可以看出:隨日照百分率的下降,太陽高度角影響系數(shù)在下降,而大氣溫度的影響系數(shù)在增加。當大氣溫度一定時,晴天條件下太陽高度角的變化對棚內(nèi)白天氣溫的變化影響更大,與塑料大棚的增溫原理完全一致。對棚內(nèi)10cm地溫與棚外大氣溫度、太陽高度角相關分析發(fā)現(xiàn):地溫與棚外大氣前2小時溫度線性相關性達到了極顯著相關水平,而與太陽高度角相關性較差。從圖5還可以看出,線性回歸方程的斜率雙層棚為0.6291,小于大棚的0.6993,大棚地溫的相關系數(shù)0.8693,較雙層棚地溫的0.8216高,由此可見大棚地溫較雙層棚地溫對棚外溫度的敏感性更強。3棚內(nèi)溫度與大氣溫度的關系(1)白天棚內(nèi)氣溫變化與日照狀況、大氣溫度以及太陽高度角呈顯著的正相關,夜間主要受棚外大氣溫度的影響。夜間大棚、雙層棚內(nèi)氣溫分別比外界大氣溫度高0.8～3.5℃,3.5～6.5℃;白天棚內(nèi)氣溫隨太陽高度角增大,以及大氣溫度的升高而快速升高,日照狀況越好這種棚內(nèi)氣溫上升的越快,13時左右溫度達最高,之后隨太陽高度角及大氣溫度下降棚內(nèi)溫度快速下降。(2)棚內(nèi)溫度日變化遠大于大氣溫度日變化,尤其在晴天狀態(tài)下,1、2、3月大棚最高氣溫分別可達32℃、39℃、45℃,比大氣最高氣溫高20℃左右;雙層棚更高,比大氣最高氣溫高22～25℃;棚內(nèi)最低溫度與大氣最低溫度之差,大棚1.0℃左右,雙層棚3.5℃左右。溫度日較差高達30～35℃,遠遠大于大氣溫度日較差。因此,從事大棚蔬菜生產(chǎn),既要防止晝間高溫亞高溫對植株生長發(fā)育的影響,又要預防低溫危害。(3)經(jīng)統(tǒng)計計算,建立了棚內(nèi)氣溫與太陽高度角、棚外大氣溫度數(shù)學模擬模型以及棚內(nèi)有膜覆蓋的10cm地溫與大氣溫度的數(shù)學模型。利用這組模型可以結合一些數(shù)值天氣預報產(chǎn)品較準確地預測棚內(nèi)不同時間的氣溫值,也可以根據(jù)現(xiàn)有氣象臺站的自動溫度觀測值推算棚內(nèi)氣溫,為菜農(nóng)大棚揭閉膜提供氣象信息服務,以防御高溫熱害或低溫冷害對蔬菜生產(chǎn)的影響。2006年12月至2007年3月武漢無強冷空氣活動,氣溫異常