杨丽中,主要从事设施农业气象灾害及防御方面研究.Email:
根据东台大棚西瓜生产普遍模式和研究目的,建立相应的试验观测站,分别选择夜间低温样本和白天晴天条件样本,对资料序列进行分析。结果表明:夜间塑料大棚内温度与外界温度密切相关;白天晴天条件下大棚内温度与外界温度、太阳高度角、太阳光通过大气对流层的斜距等因子有着显著的相关关系。运用统计回归方法建立夜间低温条件下和白天晴天条件下大棚内外温度关系,达到较高的准确率和精度;结合冻害温度指标和发生冻害的可能性大小,确定夜间低温预警指标等级及温度范围,并对白天晴天条件下大棚内指标温度出现时间进行尝试性预测,有针对性地服务于大棚西瓜的生产过程。
According to the common mode of production and the aim of research on watermelon in plastic-covered greenhouse in Dongtai, a meteorological station is built. Samples of both low temperature in the nighttime and high temperature in the sunny daytime are obtained respectively. After the data sequence is studied and analyzed, it is concluded that there is a close relationship between the temperatures in and outside the plastic-covered greenhouse at nighttime, and under the sunny conditions, the temperature inside has significant correlations with the external temperature, the solar altitude and the slant distance of sunlight through the atmosphere. Relationship, which is established by using the statistical regression analysis method, between the temperatures in and outside the greenhouse under both the cold conditions at nighttime and sunny-day conditions, has higher precision or reaches the practical precision. Low temperature ranges of alert levels at nighttime are defined with the temperature index of freezing injury and possibility. A tentative forecast is made on the time of occurrence of index temperatures inside the greenhouse in sunny days, and thus contributes to serve the watermelon production in plastic-covered greenhouse.
东台大棚西瓜种植始于20世纪90年代中期,现有种植面积25万多亩(1亩=1/15 hm2),分布于范公堤东各镇和农场;东台有第一“中国西瓜之乡”美誉,为特色农业支柱产业之一。西瓜种植主要是以农户家庭为单位,多户集成规模,每年1—2月,农户在双层至四层(含2+1、3+1模式)简易大棚内完成西瓜育苗,2—3月移栽定植。近年来,随着广大农户育苗期、移栽期的提前,低温冻害的发生有越来越多的趋势;而白天晴天条件下棚内高温造成幼苗灼叶伤根,甚至枯死,也时有发生。如何应对低温冻害、增育壮苗,同时防止高温灼苗是广大农户最为关注的问题。研究简易大棚内外温度关系,建立相应的气象灾害预警指标体系,开展特色农业气象服务显得尤为重要。
关于温室或大棚内外气象要素关系,国内相关研究人员分别从不同型式温室、天气状况、外部环境气象条件等多个角度对内部小气候的影响进行了一系列研究[
试验观测时间为2009年12月27日至2010年3月13日。
目前,育苗、定植大棚有:双层至四层(含2+1、3+1) 模式。双层:外棚宽约4.1 m,高约1.6 m,内棚宽约1.5 m,高约0.6 m;3+1模式:即在三层骨架棚膜上,中间或外层再增加一层薄膜覆盖。
试验将观测站址选在距东台气象观测站(本站,城郊)约20 km以东的农村,四周平坦;研究选择建立两种大棚:双层和3+1模式。设备:ZQZ-CⅡ自动站、Pt100温度传感器。
运用ZQZ-CⅡ型自动站多层地温采集功能;温度传感器为HMP45D,其安装高度是:棚内30 cm,棚外1.5 m。
第一阶段(12月27日至2月5日)获取了棚外(指外界环境)、单层棚(指双层棚内外层间)、双层棚内无干扰温度数据。第二阶段(2月9日至3月13日)同步获取了育苗开始后,棚外、单层棚、3+1层棚内温度数据,此阶段白天通风干预,仅使用夜间数据。电脑正常运行,可获取每天每分钟各正点数据,并可挑选棚外及各层内最低温度。近10年(2001—2010年)本站(32°51′N、120°17′E)资料均采自ZQZ-CⅡ型自动站资料。
根据以夜间棚内外温度关系、冻害指标和冻害可能性从而确定低温预警指标的目的,为避免不必要的统计偏差,在夜间棚内外温度关系的描述部分,条件样本指棚外温度≤0.0℃条件:第一阶段选择日落后到日出前的数据,剔除明显异常数据;第二阶段选择20或21时后到日出前数据,剔除加温干扰数据。
根据高温指标研究目的,确定一定高温指标出现时间,以便适时调控,避免灼苗。在高温指标描述部分所提到的晴天条件样本指:以正点前日照为标准,小时日照1.0。一般情况下,晴天才会出现棚内高温,因上午和下午棚内温度变化过程不同,经比较分上午、下午段分别进行统计分析。
文献[
西瓜属于热带植物,温度较低时就可能发生冻害,若细胞液冻结,则瓜苗必然冻死。
根据调研:冻害通常在外部环境出现霜或霜冻,棚内薄膜上出现水滴冻结的情况下发生。广大农户认为:棚内温度不能低于0.0℃。
2010年2月18—20日实际观测到棚内夜间最低温度为1.4~2.0℃,连续几天,未造成冻害;3月10日凌晨,棚内最低达0.2℃,几天后表现出叶片边缘冻伤,可见瓜苗能耐受一定程度的低温;在0.3~1.3℃未有观测事实,暂作为冻害模糊温度区域。
对于双层大棚,逐时内外温度相关分析表明:日落后至日出前,内外温度相关系数在0.90以上。选取棚外温度≤0.0℃条件样本,运用最小二乘估计方法,建立双层大棚内外温度关系如下:
其中,
对于3+1模式棚,由于覆膜层次增多,棚膜关闭后有一定的滞后保温效果,逐时相关计算表明,在20或21时后,硼内温度基本达到相对稳定,恢复较好的线性相关,相关系数达0.85以上。选取夜间20或21时后至06时条件样本,剔除加温干扰数据等,运用相同方法,建立3+1模式大棚内外温度关系如下:
上述关系均通过了
运用棚外温度对双层、3+1模式大棚内夜间温度进行估计,与样本实际值比较,结果如下(见
不同大棚型式、不同绝对误差范围拟合表
Fitting accuracy of different types of plastic greenhouses and different absolute error ranges
绝对 |
双层模式拟合率 |
3+1模式拟合率 |
≤1.0 | 83.3 | 81.1 |
≤1.5 | 95.8 | 94.6 |
>1.5 | 4.2 | 5.4 |
在
经选取条件样本计算:单层棚内夜间平均温度比棚外高1.2℃;双层棚内夜间平均温度比棚外高3.0℃;3+1模式棚内夜间平均温度比棚外高5.5℃。
根据夜间双层棚、3+1模式大棚内外温度关系,以估计值与实际值偏差±1.0℃范围内为准确,考虑到棚内温度估计值即使在0.0℃以上,由于一些不确定因素,可能发生±1.0℃偏差,仍会使棚内温度到达0.0℃以下;根据可能性大小,通过关系式运算,按棚外温度情况分为三级预警(见
不同大棚型式、低温预警指标等级、温度范围
Low temperature warning index versus temperature range of different plastic-covered greenhouses
预警等级 | 双层模式棚外 |
3+1模式 |
蓝色 | -1.6~-2.8 | -4.5~-5.5 |
橙色 | -2.9~-4.1 | -5.6~-6.5 |
红色 | ≤-4.2 | ≤-6.6 |
低温预警指标等级示意图(单位:℃)
Schematic diagrams of low temperature warning index for
在最低温度分区域预报的前提下,上述结果可直接使用。
一般地,温度预报通常以本站记录为考评依据,而本站与试验观测站温度存在一定差异,有必要将上述指标修正到本站温度基础上。
从试验观测站获取的2009年12月27日至2010年3月13日每日AWS_IIiii_YYYYMMDD.RTD分钟数据文件中挑取每天夜间棚外最低温度,与本站对应数据比较,选取条件样本,两者统计关系如下:
式中,
同样地,选取各时条件样本,建立棚外、本站温度统计关系为:
式中,
经统计,通常情况下,试验观测站夜间温度或最低温度低于本站。在棚外温度≤0.0℃条件下,试验观测站夜间平均最低温度比本站低1.4℃;各时平均也比本站低1.4℃。
比较上述关系,最低统计关系式拟合效果较好,且通过了α=0.001的显著性水平检验。以此为依据,修正关系如下:
双层模式:
3+1模式:
则不同大棚型式,修正后的低温预警指标各级温度范围见
修正后不同大棚低温预警指标等级的温度范围及准确率
Corrected temperature ranges and forecast accuracies for low temperature warning index in the different plastic greenhouses
预警等级 | 不同大棚型式本站预报温度范围/℃ | |
双层模式 | 3+1模式 | |
蓝色 | 0.2~-1.2 | -4.4~-3.3 |
橙色 | -2.7~-1.3 | -5.5~-4.5 |
红色 | ≤-2.8 | ≤-5.6 |
偏差范围 | 不同偏差范围拟合准确率 | |
/℃ | (两次拟合准确率乘积)/% | |
≤1.0 | 65.9 | 64.2 |
≤1.5 | 87.3 | 86.7 |
低温预警指标修正示意图(单位:℃)
Modified schematic diagram of low temperature warning index for
2010年3月9日,受强冷空气影响,据初步研究结果估计,3+1模式棚内夜间温度最低可能达0.0℃以下,预报员及时通知农户;并总结相关资料报中国气象局相关管理部门。
但由于一些农户的疏忽,有约50%的农户发生瓜苗冻死或冻伤的情况。
事后分析了试验观测站和本站最低温度,分别为-5.3℃和-4.9℃,并根据棚外最低和本站最低预警级别划分,对应3+1模式,为蓝色和橙色级别;冻害实况是造成叶片冻伤;对应双层模式均为红色级别。由于未研究3层模式,理论上,预警级别应在橙色或以上严重情况,故造成3层或以下大棚瓜苗严重冻害。
相关计算结果表明:晴天状况,在数据分为上午和下午两段条件下,棚内温度与棚外温度、太阳高度角、太阳光通过对流层的斜距——太阳光沿直线从对流层上界到地面距离显著相关,这主要是因为太阳高度角直接决定了单位面积接受到的太阳辐射,而太阳光通过对流层的斜距反映了作为大气质量的主要部分对太阳辐射强度的削减。
选取上午晴天条件样本,根据上述因子,运用多元回归方法,建立晴天上午双层、单层大棚内外温度关系如下:
同样地,建立晴天下午双层、单层大棚内外温度关系如下:
上述四式均通过
式中,
式中
多云天气,日照时有时无,影响棚内温度的因子复杂,数据分析未能给出可信结果,实际工作中可参照晴天情况,根据日照进行分析,通风时间稍微滞后。
相关文献[
不同大棚型式、不同绝对误差范围(上午和下午)拟合情况
Fitting accuracies for different types of plastic greenhouses and different absolute error ranges in morning and afternoon
绝对 |
上午双层(样本:84) | 上午单层(样本:84) | 下午双层(样本:72) | 下午单层(样本:72) | ||||
出现次数 | 拟合率/% | 出现次数 | 拟合率/% | 出现次数 | 拟合率/% | 出现次数 | 拟合率/% | |
≤1.0 | 45 | 53.6 | 55 | 65.5 | 22 | 30.6 | 35 | 48.6 |
≤2.0 | 64 | 76.2 | 73 | 86.9 | 43 | 59.7 | 55 | 76.4 |
≤3.0 | 75 | 89.3 | 82 | 97.6 | 53 | 73.6 | 64 | 88.9 |
≤4.0 | 82 | 97.6 | 84 | 100 | 60 | 83.3 | 72 | 100 |
分旬统计本站近10年晴天各时温度资料,分别求出各旬的温度平均日变化线;以预报时刻和预报最高温度为基准,平移温度平均日变化线;以小时温度变幅占温度日变化线上最高点与预报时刻温差的比为权重内插分配得出各时预报温度[
2010年1月19日08—20时之间各时温度预报示意图
Schematic diagram of temperature forecast from 08:00 BT to 20:00 BT 19 January 2010
西瓜在不同生育期,适宜温度范围有所不同。在子叶期,其适宜温度为20.0~25.0℃,最高不超过30.0℃,否则易造成灼根伤苗。假设1月中旬,双层棚内的西瓜苗处于子叶期。分别将晴天上午单层、双层棚,下午双层棚内外温度关系表达式中的
2010年1月19日高温指标出现时间示意图
Schematic diagram of high temperature index occurring time on 19 January 2010
由
(1) 夜间棚内外温度密切相关,根据棚内外温度关系估计棚内温度有着较高的准确率。白天晴天条件下棚内温度主要与棚外温度、太阳高度角、太阳光通过对流层的斜距显著相关,根据棚内外温度关系估计棚内温度达到实用精度,并可对高温调控时间作出粗略预测。
(2) 以调研、观测为依据确定低温冻害指标,根据冻害可能性大小确定的低温预警指标等级和温度范围,有实用意义。
(3) 夜间棚外温度≤0.0℃的情况下,本站(城郊)平均最低(或各时平均)温度比试验观测站(农村)平均最低(或各时平均)高1.4℃;单层棚内夜间平均温度比棚外高1.2℃;双层棚内夜间平均温度比棚外高3.0℃;3+1模式棚内夜间平均温度比棚外高5.5℃。
(4) 研究获取的满足一定特征条件样本数不够多,确定白天晴天条件下棚内外关系的样本数据取自2009年12月底至2月初,此时段太阳高度角、外界温度的取值有一定的局限性,其统计结果只在一定范围内,满足实用精度要求;夜间没有区分不同天气状况进行细化统计分析,会使混合的统计结果应用到具体天气状况下产生偏差。
(5) 文中运用了多层统计关系,误差源较多,必然对统计预测结果的准确性产生较大的影响。
孙智辉, 薛清云, 李生袖.日光温室油桃休眠期分析研究[J].气象, 2005, 31(3):85-87.
李军, 杨秋珍, 吴元中.非加温型四连栋塑料温室内外温湿度关系研究[J].气象, 2005, 31(8):22-25.
刘可群, 黎明锋, 杨文刚.大棚小气候特征及与大气候的关系[J].气象, 2008, 34(7):101-107.
崔建云, 董晨娥, 左近之, 等.外部环境气象条件对日光温室气象条件的影响[J].气象, 2006, 32(3):102-106.
魏瑞江, 王西平, 常桂荣, 等.连阴天气塑料日光温室内外温度的关系及调控[J].中国农业气象, 2001, 22(3):24-27.
魏瑞江, 王春乙, 范增禄.石家庄地区日光温室冬季小气候特征及其与大气候的关系[J].气象, 2010, 36(1):97-103.
赵鸿, 张强, 杨启国, 等.黄土高原半干旱雨养区日光温室小气候分析[J].应用气象学报, 2007, 18(5):627-634.
毛留喜, 吕厚荃.国家级农业气象业务技术综述[J].气象, 2010, 36(7):75-80.
林燚, 王弛, 王文华, 等.棚栽西瓜关键技术百问百答[M].北京:中国农业出版社, 2009:1-20.
张玉杰, 杨占国, 陈宗刚, 等.日光温室小型西瓜高效栽培技术[M].北京:科学技术文献出版社, 2009:14-86.
中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社, 2003:43.
王坚, 蒋有条.西瓜栽培技术[M].北京:金盾出版社, 2009:61-81.
丁建军, 罗兵, 赵光平, 等.精细化预报订正平台设计[J].气象, 2008, 34(11):89-95.
陈春燕, 李如琦, 唐冶, 等.日较差分级的新疆逐时气温预报[J].沙漠与绿洲气象, 2007, 1(2):10-12.
穆穆, 陈博宇, 周菲凡, 等.气象预报的方法与不确定性[J].气象, 2011, 37(1):1-13.
陈法敬, 矫梅燕, 陈静.一种温度集合预报产品释用方法的初步研究[J].气象, 2011, 37(1):14-20.