山西省日光温室低温寡照灾害分析

李海涛，王志伟，赵永强

（山西省气候中心，山西太原030002）

山西省日光温室低温寡照灾害分析

李海涛，王志伟，赵永强

（山西省气候中心，山西太原030002）

基于山西省108个气象观测站1961—2010年近50 a的逐日气象资料，通过查阅文献和实地调研，构建了适合山西本地化的日光温室低温寡照灾害指标，运用IDL编程语言对数据进行筛选，计算出不同等级灾害发生的次数；并在此基础上，构建了低温寡照灾害指数，对灾害数据进行标准化处理，利用GIS技术进行克里金插值，得到了山西省低温寡照气象灾害时空分布特征。结果表明，山西省低温寡照灾害主要发生在冬季，占全年灾害的90%之多，以1月份最为频繁；山西省低温寡照灾害主要分布在大同盆地、忻定原盆地、太原晋中盆地以及长治盆地，其余地区发生较少；山西省低温寡照灾害发生频率随时间推移呈不断增加趋势，20世纪90年代以后呈几何指数增长，其中以重度灾害增加较为明显。该研究结果可为山西省设施农业布局、气候资源利用和防灾减灾决策服务提供依据。

日光温室；低温寡照；时空分布；GIS技术

设施农业已经成为山西省现代农业的主要发展方向之一，到目前为止，山西省设施农业面积超过12万hm2，而日光温室面积就达6.7万多hm2。在山西省日光温室生产中，低温寡照灾害已经成为影响设施蔬菜正常生长和农民增收的农业气象灾害之一[1]。低温寡照天气会对设施蔬菜生长发育和品质产生影响，如植株生长受阻，生长发育不良，品质下降和出现畸形果等症状[2-3]，因此，开展山西省日光温室低温寡照时空特征分析对设施农业气候区划和生产布局，以及相关部门有针对性地开展防灾减灾具有重要意义。

国内外关于日光温室低温寡照灾害的研究，主要集中在低温寡照对蔬菜生理特征[4-6]、需光特性[7-9]、光合作用[10-12]、风险分析[13-14]等方面，而在低温寡照灾害时空分布特征分析方面相对较少。在低温寡照灾害指标研究方面，叶彩华等[15-16]通过探讨日光温室发生连阴寡照的原因，提出了连阴寡照灾害气象预警指标；魏瑞江等[13-17]构建了河北省低温寡照灾害指标，并据此建立了监测预警系统，进行了测试，而且应用到了河北省日光温室蔬菜生产中，可对低温寡照所发生的范围、强度等进行动态监测预警，开展低温寡照灾害影响和气象服务的定量化评估[18]。但关于山西省日光温室的低温寡照灾害分布规律的研究尚未见报道。

本研究拟通过构建一个适合山西省的低温寡照灾害指标，探讨山西省近50 a日光温室低温寡照灾害时空分布特征，其结果可为山西省设施农业气候区划及防灾减灾决策服务提供依据。

1 资料和方法

1.1 低温寡照灾害指标的提出

关于低温寡照灾害指标，目前国内学者提出的较少。通过查阅文献，仅魏瑞江[13，19]从日光温室外部与内部的气象要素变化规律入手，以日照时数和最低温度对蔬菜生长的影响程度为依据，提出了河北省日光温室生产中低温寡照灾害指标。通过实地调研和试验研究，将指标进行了山西本地化处理，认为山西省日光温室低温寡照灾害指标的构建，必须包括日照时数和室外最低气温这2个因素。据实地调查显示，当逐日日照时数在3 h以上时，日光温室内的温度一般能够达到蔬菜生长发育的要求，若小于3 h时，蔬菜生长就会受到影响，且日照时数越少，受到的影响就越大；当温室内气温低于10℃时，蔬菜正常生长就会受到抑制，当温室内气温低于5℃时，蔬菜就会遭受冻害，而此时外界温度也都在－10℃以下。

通过实地调查研究，山西省日光温室内种植的蔬菜主要为番茄、黄瓜和西葫芦等，占到全部蔬菜的90%以上，之所以大面积种植，与这3种蔬菜对气温和日照的要求有关。如番茄生长的适宜温度为20～30℃，黄瓜适宜温度为25～32℃，西葫芦适宜温度为20～25℃，当温度超过35℃时，同化作用小于呼吸作用，影响干物质的积累；当温度低于15℃时，停止开花结实；当温度低于10℃时，停止生长；当温度低于5℃时，蔬菜生长受到抑制；当温度低于0℃时，植株死亡[20]。所以，低温寡照灾害对不同蔬菜所造成的危害和影响是不同的，笔者选择对光、温、水较敏感且种植最为普遍的番茄等来进行灾害等级的划定，具有很好的代表性。山西省低温寡照灾害指标具体列于表1。

表1 山西省低温寡照灾害指标

1.2 低温寡照灾害指标的验证

根据表1所确定的低温寡照指标，随机选择了2013年1月份和2014年1月份这2个时间段，依据指标进行筛选、统计和比较，结果显示，山西省北部3个地市都出现了中度以上灾害，其中，大同市最为严重，出现了重度灾害（表2，3）。经实地调查发现，2013年1月和2014年1月这2个月低温寡照天气发生频繁，对山西省日光温室内种植的蔬菜如番茄、黄瓜、西葫芦等造成了严重影响，超过90%的温室内蔬菜产量减少1/2以上，蔬菜品质下降，成熟期延迟，部分蔬菜直接被冻死，绝收现象普遍，仅大同市就损失了上亿元。说明依据表1中构建的灾害等级指标所判定出的结果与实际情况一致（表2，3）。通过验证认为，本研究所构建的低温寡照指标可以用来研究山西低温寡照灾害的时间和空间分布情况。

表2 2013年1月山西省11个市出现低温寡照次数

表3 2014年1月山西省11个市出现低温寡照次数

2 资料选取和指数构建

2.1 资料选取和处理

选取山西省108个气象观测台站1961—2010年近50 a的逐日气象资料，主要包括逐日日照时数和室外最低气温，依据所建立的低温寡照指标，运用IDL（Interactive Data Language）语言[21]编程，对山西省108个气象观测站的逐日数据进行筛选、提取和计算，统计出每个气象观测站的灾害发生次数和程度。全省（市）灾害发生次数分别按全省和地市进行了统计。本研究所使用的数据来源于山西省信息中心。

2.2 指数构建

为了实现数据的可比性，就要对灾害数据进行标准化处理。

数据标准化处理后，为了直观地反映低温寡照灾害的时空分布状况，特构建了一个低温寡照指数。

式中，k为灾害指数；ai为不同等级灾害发生频率；n为年数；hi为不同等级低温寡照灾害所对应地蔬菜减产率的参考值，轻度、中度和重度寡照灾害的hi分别对应的是20%，50%和85%。该参考值参考文献[22]。

计算结果基于ArcGIS软件中空间分析方法，运用克里金插值法[23-24]对低温寡照指数进行了空间插值。首先，将低温寡照灾害指数与纬度、经度、海拔高度、坡度和坡向建立了回归模型；其次，利用克里金插值方法，将残差进行再次空间内插，得到残差的空间分布图；最后，将残差分布图与低温寡照灾害指数的空间分布图进行叠加，得到了经过订正后的低温寡照空间分布图，使得结果的精度更高、更准确。

3 结果与分析

3.1 月变化特征

根据建立的低温寡照指标，运用IDL语言程序对全省108个气象观测站日照时数和最低气温进行处理分析，计算出1961—2010年山西省11个地（市）低温寡照灾害发生次数和频率。

由图1可知，山西省低温寡照灾害发生时间为每年的11月份到翌年的3月份，其中，以1月份发生最为严重，其次是12月和2月，11月和3月发生最少。经过统计可知，11月至翌年3月，山西省低温寡照灾害分别发生了40，567，1 437，401，19次，分别占总次数的1.6%，23.0%，58.3%，16.3%和0.8%。据统计，山西省近50 a共发生了2 916次低温寡照灾害，轻度灾害、中度灾害和重度灾害分别发生了1 788，1 039，89次，分别占总发生次数的61.4%，35.6%和3.0%。发生次数最多的地区主要分布在晋中、忻州、吕梁和长治这4个市，发生次数分别为875，366，331，311次，分别占总发生次数的30.0%，12.6%，11.4%和10.7%。其余县市的发生次数较少，所占比例都在10%以下。通过计算得出，低温寡照灾害发生频次从高到低依次为晋中、忻州、吕梁、长治、临汾、大同、朔州、太原、晋城、运城和阳泉，分别为17.5，7.32，6.62，6.22，5.04，4.00，3.32，2.86，2.16，1.68，1.60次/年（图1）。

3.2 季节变化特征

将12个月的计算结果，按照春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月）这4个季节进行再次统计，得到低温寡照灾害在不同季节的发生次数和频率（图2）。从图2可以看出，在这4个季节中，冬季的发生频率最大，平均每年发生4.37次，占全年发生总次数的97%，这与河北省的情况相一致[13]；其次是春、秋季，平均每年分别发生0.03，0.07次，占全年总次数的1%和2%；夏季没有灾害发生。可见，山西省低温寡照灾害发生时段集中在冬季，也就是12月到翌年的2月份。从地区来说，忻州、晋中、吕梁和长治这4个地区的灾害发生次数要明显高于其他7个地区。

3.3 年际变化特征

对全省108个站1961—2010年近50 a的轻度、中度和重度灾害进行逐年统计，将每年的值与50 a的平均值进行比较，计算出逐年距平百分率，利用5阶多项式进行拟合，结果如图3所示。

从图3可以看出，轻度、中度、重度和累计低温寡照灾害都随时间推移呈不断增长的趋势，1975年前，轻度和中度低温寡照灾害发生频率呈增加趋势，在1975年出现峰值；1975—1990年，轻度和中度低温寡照灾害发生频率都呈下降趋势，在1990年出现了极值；1990年后，轻度和中度，特别是重度低温寡照灾害发生频率呈显著上升趋势，呈几何增长态势，在2008年达到极值。该结果与郝智文等[25]对山西省的近50 a日照日数的分析结果相符合：山西省在20世纪90年代以后，日照时数呈明显下降趋势，特别是冬季，表现尤为明显。

3.4 空间分布特征

按照公式（2）对山西省108个站点的低温寡照灾害次数进行统计和计算，得到108个站点的低温寡照灾害指数值，并进行空间插值[26]，结果如图4所示。从图4可以看出，从空间上来看，山西省低温寡照灾害发生程度东部大于西部、北部大于南部。从北到南的大同盆地、忻定原盆地、太原晋中盆地以及长治盆地是低温寡照灾害发生的重灾区，其中，忻州的原平、定襄和忻府区，以及太原的清徐、晋中的平遥、介休，吕梁的汾阳、文水表现尤为明显。晋北、晋中和晋东南较晋南地区低温寡照灾害年发生频率及程度均显著增加。这与范晓辉等[27-28]的研究结果相一致，证明了近50 a山西省年平均日照时数呈显著减少趋势以及自20世纪90年代以来减少更为明显的结论。

4 讨论与结论

本研究表明，在1961—2010年，山西省低温寡照灾害发生变化可以分为2个阶段，第1个阶段为1990年之前，轻度、中度和重度低温寡照灾害发生频率和程度增幅较小；第2个阶段为1990年之后，不同程度低温寡照灾害发生频率和程度增幅较大，特别是重度低温寡照灾害，增幅尤为明显，呈几何增长态势。山西低温寡照灾害主要发生在每年的11月至翌年3月，其中以1月和12月为主；以季节来说，灾害主要发生在冬季，几乎占全年寡照灾害的90%之多，其次是春季和秋季，夏季不发生。这与范晓辉等[27]对山西近50 a日照时数的时间序列变化特征研究结果相一致。从灾害空间分布上看，山西省东部地区要多于西部地区，从北向南的大同盆地、忻定原盆地、太原晋中盆地以及长治盆地是低温寡照灾害发生的重灾区，该研究结果与郝智文等[25]研究的山西省日照时数的空间分布趋势一致。该研究结果形成的低温寡照空间分布图，可以为设施农业布局、气候区划以及相关部门开展防灾减灾提供技术支持。

本研究所构建的低温寡照指标，综合了低温和寡照2个概念，由于受低温的影响，把研究时段重点局限到了冬季，若仅从寡照这个因素考虑，山西的临汾、运城盆地寡照灾害发生频率也较高，今后应该单独对寡照灾害进行分析研究，以弥补该研究的不足。

本研究的低温寡照灾害指标是在前人研究基础上构建的，然而受所处地区、作物种类、种植方式等因素影响，其对低温寡照天气的反映也不同，不同区域、不同省份低温寡照灾害指标也不同，今后需要进一步开展试验和实地调查，系统开展不同蔬菜所对应的低温寡照灾害指标研究，以丰富蔬菜指标体系。

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Analysis of Low Temperature and Sparse Sunlight Disaster of Solar Greenhouse in Shanxi Province

LI Hai-tao，WANG Zhi-wei，ZHAO Yong-qiang
（Shanxi Climate Center，Taiyuan 030002，China）

Based on the daily data at 108 meteorological stations in Shanxi province from 1961 to 2010,after a review of the literature and field research,the paper constructed a suitable localized Shanxi greenhouse low temperature and spare sunlight disaster index,used IDL programming language to filter data,calculated the number of different levels of disaster.On this basis,a low temperature and few sunshine disaster index was built in the paper,the data were normalized to the disaster,the time and space distribution of low temperature and few sunshine disasters in Shanxi province was obtained by the use of GIS technology Kriging.The results showed that: the most and heaviest disaster occurred in winter,making up 90%of a year,while January was the most frequently;a low temperature and few sunshine disaster were mainly in Datong basin,Xindingyuan basin,Taiyuan,Jinzhong basin and Changzhi basin,the rest occurred less;the frequency of low temperature and few sunshine changed more and more before 1990,while after 1990,the frequency and intensity were showing a tendency to increase,the severe disasters increase was more obvious.The results could be used to provide a basis for the adjustment of distribution of facility agriculture,the utilization of climatic resource and the disaster prevention and reduction in greenhouse.

solar greenhouse;low temperature and few sunshine;spatiotemporal distribution;GIS technology

S625.2

A

1002-2481（2016）02-0212-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.02.22

2015-10-15

国家公益性行业（气象）科研专项（GYHY201306039）

李海涛（1984-），男，山西左权人，工程师，硕士，主要从事农业气象及设施农业研究工作。