塑料大棚小气候特征及预报模型的研究.doc

中 国 农 学 通 报 2011,27(13):242-248ChineseAgriculturalScienceBulletin 塑料大棚小气候特征及预报模型的研究 122221 符国槐，张波，杨再强，费玉娟，黄海静，孙军波 12（慈溪市气象局，浙江慈溪315300；南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044） 摘要：为揭示塑料大棚室内气象要素季节变化和日变化规律，建立一个适合本地的塑料大棚小气候预报模型，本研究以浙江省慈溪市草莓塑料大棚为研究对象，收集 2007 年 12 月 2008 年 4 月大棚内外气象数据， 系统研究温室内外温度、湿度的季节变化和日变化特征，分析室内与室外的最高、最低气温的关系。研究表明，室内的气温、相对湿度明显高于室外，室内与室外的最高温度相差510 ，最低温度相差 36 。室内空气温度与相对湿度成线性负相关。在此基础上，建立基于逐步回归方法的温室内空气温度预报模型，并利用独立数据检验，结果表明模型对冬季和春季的逐时气温预报值与实测值基于 R1:1 线的决定系数（ 2）分别为 0.912、 0.887；标准回归统计误差（ RMSE）分别为 2.3 和2.7 ，该研究结果可为慈溪市设施农业环境调控及小气候预 报提供支持。关键词：塑料大棚；小气候；预报模型中图分类号：S625 文 献 标 志 码 ： A 论 文 编 号 ： 2010-3761ResearchontheMicroclimateCharacteristicsandInsideTemperaturePredictionModelforPlasticGreenhouseFuGuohuai,ZhangBo,YangZaiqiang,FeiYujuan,HuangHaijing,SunJunbo122221(1CixiMeteorologicalBureau,CixiZhejiang315300; 2CollegeofAppliedMeteorology,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044)Abstract:Thisstudyaimedtorevealtheseasonalanddailyvariationruleofmeteorologicalelementsinsideplasticgreenhouseandtoestablishamicroclimateforecastmodel.ThemeteorologicaldatainsideandoutsidethestrawberryplasticgreenhousewascollectedinCixi,ZhejiangProvince,from2007to2008,tostudytheseasonalanddiurnalvariationofairtemperatureandrelativehumidityinthegreenhouse.Therelationshipbetweenoutsideandinsidedailymaximumtemperature,dailyminimumtemperaturewereanalyzedsystematically.Theresultsshowedthatboththedailymaximumtemperatureandthedailyminimumtemperatureinthegreenhousewerehigherthanthatoutofthegreenhouse,withdifferencesof5-10 and3-6 ,respectively,formaximumtemperatureandminimumtemperature.Theairtemperatureinsidethegreenhousewasfoundtonegativelycorrelatetotherelativehumidity.Basedontheseanalyses,atemperaturepredictionmodelforstrawberryplasticgreenhousewasdevelopedusingstepwiseregressionmethod.TheRverificationresultsfromindependentexperimentaldataindicatedthatthebetweenthepredictedand2observedhourlytemperaturewas0.912and0.887,respectively,forwinterandspring.ThecorrespondingRMSEwas2.3 and2.7 ,respectively,forwinterandspring.Theresultsofthisstudycanbeusedtosupply 基金项目：公益性行业（气象）科研专项 “设施农业及特色农产品气象保障关键技术研究 ”（ GYHY(QX)200906023）；公益性行业（气象）科研专项 “设施农业气象灾害预警及防御关键技术 ”（ GYHY(QX)201006028）；江苏省科技支撑项目 “江苏省设施农业气象灾害预警及防御技术研究 ”（ BE2010734）。第一作者简介：符国槐，男， 1960 年出生，浙江慈溪人，工程师，本科，从事设施农业气象服务研究。通信地址： 315300 浙江省慈溪市古塘街道明州路 818 号慈溪市气象局， Tel： 0574-63013893， E-mail： Hgh163.com。通讯作者：杨再强，男， 1967 年出生，四川安岳人，教授，博士，主要从事设施作物生长发育模拟及农业生物环境调控研究。通信地址： 210044 江苏南京市宁六路 219 号南京信息工程大学应用气象学院， Tel： 025-58731129， E-mail： yzqnuist.edu.cn。收稿日期： 2010-12-28，修回日期： 2011-02-21。 ·243· 符国槐等：塑料大棚小气候特征及预报模型的研究 supportformicroclimateforecastandcontrolinplasticgreenhouse.Keywords:plasticgreenhouse;microclimate;predictionmodel0 引言室慈溪气象局设施农业基地的标准塑料单栋大棚内进浙江省慈溪市设施农业发展迅猛， 2009 年设施大行。大棚顶高 4.2m，肩高 2.5m，跨度 8.0m，大棚南北 2 棚面积已达0.6 万多 hm，总产值达 4 亿元以上，占农业向。 1.2 试验材料 Fragaria 种植业生产总值的比重已超过 1/3。草莓（ ananassa）是慈溪市主要设施作物，设施栽培草莓具有Fragariaananassa 本研究以草莓 丰香 （ Fengxiang 上市早、品质高、经济价值大的特点，已经成为当地农 ） 为试验材料。 1.3 试验方法户增收的重要途径。在栽培方式一定条件下，设施小 1.3.1 试验设计大棚内定植草莓植株行距为气候是影响草莓生长发育和果实品质的重要因素，因40cm×40cm。大棚内环境数据用自动采集器采集离此，系统研究设施内小气候特征及建立室内小气候预报模型可为设施草莓生产环境调控和栽培管理提供科地 1.5m 的气温、太阳总辐射、相对湿度等项目，采集学依据。频率为 10s/次，存储每 30min 的 平均值。大棚外环境国内外关于设施小气候的特征及模拟研究有一定数据采用离大棚 500m 远的气象观测站逐时气象数 1报道。 20 世纪 60 年代， Businger将温室分为覆盖物、据，观测要素为气温、相对湿度、辐射、风向、风速等。室内空气、作物、土壤 4 层进行小气候模拟，建立了各采用逐步回归方法建立塑料大棚小气候模型。将 2层稳态能量平衡方程。 Walker 等建立了温室的能量试验中的试验数据分为建立模型的样本和检验模型的平衡模型，但是模型计算误差大，模型较为简单。一些样本。 1.3.2 精密仪器本研究室内使用气象数据采集器 为美学者建立了基于能量平衡的机理模型，机理模型利用物质能量平衡原理模拟温室的水热交换过程，因而模国 Campbell公司生产的 Watchdog2000 型。 1.3.3 统计分析本试验数据用SPASS11.0 软件进行 3-67型有较好机理性和解释性。Ferreira 等利用神经网 络方法模拟温室的温度与室外太阳辐射、温度、湿度和方差分析，利用 DPS 软件建立和检验小气候预报模云量的关系。从 20 世纪 90 年代开始，中国学者对温室型。 2 结果与分析的小气候（光、热、空气湿度、土壤温度）进行了系统研 2.1 室内外日均气温 和相对湿度变化特征 8-1011-12究并建立了统计模型。储长树、刘克长等分析了塑料大棚内温度等气象要素的变化特征和通风效草莓塑料大棚室内外日均温度变化特征如图 1A， 13应。李良晨建立了日光温室和塑料大棚均适用的从图看出，室内日平均温度均高于室外，温室内外气温能量平衡和质量平衡方程组，为温室热工设计提供了变化趋势一致。室内外日平均气温季节性变化明显， 14理论依据。李元哲等运用热力学、传热学和建筑采最低温度出现在 2 月， 4 月份室内气温最高。冬季室内光的基本理论，模拟分析日光温室内环境参数的动态外温 差较大， 2008 年 2 月 12 日室内外平均气温相差最过程和分布规律以及不同太阳辐射、不同结构和不同高达到 12 ，进入春季后室内外温差逐渐减小； 3月 515保温覆盖对环境的影响。贾倩等通过试验获取实日以后，随着温室外气温升高，农户开棚通风，因此室时动态生成的决策信息，建立了基于作物模型的温室内外日平均气温基本相同。环境管理。金志凤等对大棚小气候变化特征及进行了室内外日均空气相对湿度见图 1B，由图可知，室 16-17分析。但迄今为止，国内外未见草莓大棚小气候内空气相对湿度明显高于室外，室内空气相对湿度冬预测模型 。季在 70%100%间波动，而室外日均空气相对湿度明本研究以慈溪市草莓塑料大棚为研究对象，系统显低于室内，最低时仅为 38%。 2.2 室内外逐时温度和相对湿度变化特征收集室内外气象数据，在研究设施小气候特征及规律的基础上，建立室内气温预报模型，研究结果可为设施晴天和阴天室内外的逐时气温日变化如图 2A 和草莓栽培环境管理和气象服务提供依据。图 2B。由图可知，晴天和阴天白天室内气温明显高于 1 材料与方法室外，晴天在 10:00 以后，室内气温迅速升高，中午 1.1 试验时间、地点 13:00 达到最高值，最低温度出现在早上 8:00，室内外试验于 2007 年 12月 1 日至 2008 年 4 月 19 日在温的气温最高值和室内外大棚最低值出现时刻相同。阴 ·244·中国农学通报 http:/www.casb.org.cn 室内空气日均温度室外空气日均温度 度温均日气空外内室（）日期年月日 A 平均气温 室内空气相对 湿度室外空气相对湿度 度湿对相气空外内 室（）日期年月日 B 相对湿度图 1 大棚内外的日平均气温和相对湿度 天室内气温升幅较小，最高温度出现 13:00 到 15:00 之度高于室外。一天中最低空气相对湿度出现在中午 13:00。阴天，全天室内空气相对湿度明显高于室外，间。温室内气温的变化主要受太阳辐射影响，不同天气状况下太阳辐射有不同的变化，导致室内 的气温变主要因为阴天大棚相对密闭，通风少。塑料大棚内空化也有所不同。气温日变化趋势与太阳辐射变化相气相对湿度的日变化与气温变化趋势刚好相反。同，由于外界光照强度和气温都较低，致使温室内气温室内外气温及相对湿度的相关系数如表 1。从表略有下降。随着光照强度的逐渐增强，半小时后温室中可以看出，不同天气类型室内外温度的相关性均在内气温开始回升。 10:0011:00 时气温上升较快，晴表现为阴天 >晴天，这是由于塑料温室内温度的升高天上升速率可达到 810 /h，为防止气温上升过高， 13 主要是依靠太阳辐射，白天太阳辐射强，温室内气温就时农户会开棚通风，气温转为缓慢上升或下降，晴天时会迅速升高，而受温室外气温影响相对较小，即温室内气温会先下降再上升，呈现出 “双峰型 ”，阴天均为 “单外气温的相关性就小，相关系数仅为 0.621。夜间温室峰型 ”。从气温的日变化范围来看，晴天大于阴天。内外气温的相关系数性均可达到 0.800 以上，不同天气阴天和晴天室内外逐时空气相对湿度见图 2C 和条件下相差不大，主要是由于夜间温室内温度的维持图 2D，由图可知相对湿度的变化主要集中在白天主要依靠以辐射形式从地面释放出来的白天储存的热 08:0018:00 时的时段内，夜间相对湿度基本无变化，能，热能不仅向温室内释放，同时也向温室外释放，温尤其是在冬季，夜间相对湿度达到 93%以上。晴天白室外温度高低影响着热能向外界释放热量的多少，因天室内相对湿度低于室外空气， 19:009:00 的相对湿此表现为夜间温室内外气温相关较好。室内外相对湿 ·245· 符国槐等：塑料大棚小气候特征及预报模型的研究 室内逐时气温室外逐时气温 室内空气温度室外空气温度 温温气气 时时逐逐外外内内 室室 ： ： ： A 晴天温度变化 B 阴天温度变化 室内室外室内空气相对湿度室外空气相对湿度度度湿湿对对相相气气空空时时 逐逐 ： ： C 晴天相对湿度变化 D 阴天相对湿度变化图 2 大棚内外的逐时温度和相对湿度度相关系数趋势与气温相同，白天晴天较低，室内外相晴天室内气温每上升 1 ，空气相对湿度降低 1.65%，对湿度相关系数仅为 0.554，明显低于夜间 0.814，阴天春季晴天室内气温每上升 1 ，相对湿度降低 2.44%。 2.3 室内外最高、最低温度的关系白天高于晴天。室内外最高温度和最低温度间关系见图 3，可以表 1 温室内外的逐时气温、相对湿度相关系数知道室内最高气温明显高于室外最高温度，平均温差 气温相对湿度达到 510 ，而室内外最低温度相差较小，为 36 。天气类型晴天阴天晴天阴天主要因为该塑料大棚非加温温室，冬季不加热，夜间逆 0.6210.7180.5540.667 白天辐射使室内温度降低。室内与室 外最高温度的相关关0.8210.8560.8140.758 夜间系为 0.691，室内与室外的最低温度之间相关系数达到 0.956，相关达到极显著水平。对冬季和春季的晴天和阴天温室内逐时气温与相 2.4 室内气温的预测 ya 对湿度进行相关分析，并以此建立线性回归方程=+2.4.1 模型建立研究中采用常用的逐步回归模型对大 bxyx，其中为室内空气相对湿度（ %），为室内空气温棚气温进行预测，模型为： ab 度（ ），、为方程参数，结果见表 2。由表可知，温室 YbXbXbX=b+（ 1）内空气相对湿度与空气温 度呈现线性负相关，冬季晴 ijnn012X 是常数，为逐步回归中选入模型的式（ 1）中， b 天温室内空气相对湿度与空气温度的相关关系最高， i0b为变量的相关系数。大棚外气象因子对大 b 变量，相关系数达到 0.825，春季晴天最低，仅为 0.687。冬季 1n ·246·中国农学通报 http:/www.casb.org.cn 表 2 不同天气条件下温室内气温与相对湿度的相关分析 RRMSE/ 2 天气条件时间 / 时 预 测 方 程 yXXX07=-0.4798+0.9508+0.0118+0.04390.9760.776134yXXX817=1.3001+0.8288-0.3235+0.33420.8472.330 冬季145yXXX1823=5.2600-0.0232+0.6286+0.05270.9510.756123yXXXXX07=-0.5609+0.7934-0.2932+0.3292-0.1196-0.30810.9340.85412345yXX817=19.7120+0.8035+1.3912-0.79600.9410.740 春季 23yX1823=1.8743+0.63220.8903.5501 棚内气温有着直接或者间接的影响。在白天，太阳辐计方法建立棚内气温的数学预测模型，见表 3。 2.4.2 模型检验冬季选择 2007 年 12 月 20 日 25 日， 1射以短波透过覆盖薄膜照进大棚，入射的太阳辐射在接触到各种表面时转换为热能，这些热能又通过对流、月 2025 日、春季 2008 年 3 月 1520 日的环境数据室长波辐射等方式散布到大棚空气中。夜间，存储在土外第一天平均气温、最高温度、最低温度、土壤地表平壤中的热量以长波辐射形式向四周散发，补偿大棚所均气温、同日 2h 前室内气温作模型的输入，模型对室散失的热量，以保证大 棚内气温高于棚外气温。在建内空气温度预测结果如图 4 所示。 n 立模型的样本中选取大棚外前一日的平均、地表温度冬、春季节检验模型的样本数（）分别240 和 120，的平均值、最高值、最低值，温室内前 2h 气温等气象要从图中可知冬季、春季的室内空气温度的预测值与实 R2素作为自变量，大棚内逐时气温为因变量，应用数理统际观测值基于 1:1 线的决定系数（）和估计标准回归 室内最高温度室外最高温度 度温 高最气空外内室 （）日期年月日 A 室内外最高温度 室内最低温度室外最低温度 度温低最气空外内室（）日期年月日 B 室内外最低温度图 3 温室内外最高温度和最低温度 ·247· 符国槐等：塑料大棚小气候特征及预报模型的研究 表 3 室内逐时气温预测模型 abr 季节天 气条件 -1.65108.110.825 晴天冬季 -1.18101.260.732 阴天 -2.44105.470.687 晴天春季 -2.59129.910.771 阴天 XXXX 为前 2h 温室外气温；为前一日温室内日平均气温；为前一日温室外最高气温；为前一日温室外日最低气温；为前一日地表平均 X 注： 12345 温度。 值值报报预预温温气气内内室室室内气温观测值 室内气温观测值 A 冬季 B 春季图 4 室内气温预报值与观测值比较 误差（ RMSE）分别为 0.904， 0.842； 0.900 ， 2.763 。界太阳辐射的增强，气温迅速升高；中午前后，温室因为通常需要短时间的通风降湿，因而气温转而缓慢下结果表明本研究建立的模型对春季的预测精度不如冬降后上升； 16 时后，随着太阳辐射的减弱，室内气温也季，主要因为春季温室通风的时间规律性差。 3 结论以较快的速度下降，但室内气温始终高于室外气温。由于通风时间不同，中午气温下降时刻有所差异。此试验研究了慈溪草莓塑料大棚室内外的日均气外，在晴天夜晚室内气温由于长波辐射有时低于室外温、日均相对湿度、逐时 气温、逐时相对湿度、最高温度 1214气温，这与刘克长、李元哲研究的日光温室不同，和最低温度的变化特征，揭示了慈溪草莓塑料大棚的因为日光温室有后墙蓄热，夜晚后墙向室内长波辐射，小气候变化规律，研究显示室内日平均温度、空气相对使室内气温高于室外。受太阳辐射的不均匀性和室外湿度均高于室外，塑料大棚内空气相对湿度的日变化气象因子的影响，温室内气温空间分布是不均匀的，在与气温变化趋势刚好相反。夜间室内相对湿度大，至本研究中，没有考虑室内气温的分布的差异。 1314 时达最低，不同天气类型室内外温度的相关性为了减 少模型的输入参数，本研究未考虑草莓生均在白天表现为阴天大于晴天。室内外最高温度差异长过程蒸腾消耗的潜热对温室小气候的影响，为了提大，而最低温度差异小，在此基础上建立了基于逐步回高模型精度，下一步需要深入研究草莓蒸腾消耗对小归的温室冬春季室内气温预报模型。气候的影响。本研究的慈溪塑料大棚室内气温预报模 4 讨论型在其他地区和作物应用需要试验观测，获得室内外本研究表明塑料大棚室内外气温白天的相关性小观测数据对模型进行验证。于夜间，阴天夜间室内外气温的相关性最好，主要因为阴天通风少，室内气温的日变化基本与太阳辐射保持 参考文献 1117同步。这与储长树和朱军、金志凤等研究结论基 1BusingerJA.TheglasshouseclimatePhysicsofPlantenvironment 本一致。晴天塑料大棚内气温的日变化呈 “双峰 ”型曲M.Amsterdam:North-HollandPublishingCompany,1963:线，在日出前后温室内气温达到日最低值，之后随着外 277-318. ·248· 中 国 农 学 通 报 http:/www.casb.org.cn 2WalkerJN.PredictingtemperaturesinventilatedgreenhouseJ. 山 东 气 象 ,2004,24(1):26-27.TransactionsoftheASAE,1965,8(3):445-448.10司慧萍 ,苗香雯 ,崔绍荣 .温室动态温度预测模型及试验研究 J.农 3FroehlichDP.Stead-periodicanalysisofglasshousethermal 机化研究 ,2003,(4):182-184.environmentJ.TransoftheASAE,1979,22(2):387-399.11储长树 ,朱军 .塑料大棚内空气温 , 湿度变化规律及通风效应 J. 中