内蒙古地区日光温室气温预报方法及指标研究

金林雪，吴瑞芬，张 超

（内蒙古生态与农业气象中心，内蒙古呼和浩特 010050）

近年来，内蒙古设施农业得到大力发展，目前设施果蔬的生产涉及春、夏、秋、冬各个季节，对淡季蔬菜供应起到重要支撑作用，同时也成为农民增收的重要途径[1]。温度是影响作物生长、发育和产量形成的最重要的环境因子之一，高寒地区的气温要素对日光温室生产影响突出。因此，开展气温的模拟和预测对于温室管理和调控十分必要。国内外不少学者在日光温室内小气候及其与外界气象条件关系的研究上取得了一系列成果[2-8]。实际生产表明，内蒙古地区气候条件总体优越，但由于东西跨度大，从东到西地貌及气候条件复杂多样，而日光温室生产有较强的地域性。因此，根据当地实际的气候特点安排日光温室生产可以有针对性地采取措施，改善温室小气候环境，最大限度地避免不利气候条件带来的损失。

目前，已有不少关于内蒙古地区日光温室小气候的研究，但多侧重于单一区域[9-11]，对于内蒙古东部、中部、西部地区等较大范围温室预测预报方面的研究尚未见报道，建立的预报模型不够全面。另外，由于内蒙古地区为寒潮天气多发地，因而低温对设施作物生长影响较大，常常造成严重减产[12]，而相关的温室低温服务指标研究基本处于空白阶段。因此，本文以内蒙古地区近4年建设的日光温室小气候站的气温资料为基础，对内蒙古东、中、西部区日光温室气温预测方法及指标进行研究，以期为当地因地制宜发展设施农业提供参考。尤其在强冷空气来临之前，结合天气预报建立适合当地生产实际的低温预报模型，及时发布相关预报预警，对内蒙古地区气象为设施农业生产服务具有重要的社会意义和明显的经济效益。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本研究分别以内蒙古赤峰市宁城县、呼和浩特市赛罕区、巴彦淖尔市杭锦后旗的日光温室作为代表东部、中部、西部的研究站点。其中，东部研究区位于内蒙古自治区赤峰市南部，地处燕山山脉东段北缘，年平均气温7.3℃，全年日照时数2824.4 h；中部研究区位于呼和浩特市城区的东南部，年平均气温7.4℃，全年日照时数2729.9 h；西部研究区位于巴彦淖尔市杭锦后旗，年平均气温7.9℃，全年日照时数3217.2 h；东、中、西部太阳辐射和日照时数均较充足，发展日光温室具有优越的光能资源，但高寒地区的温度条件是制约日光温室生产的主要因素。研究区日光温室具体参数见表1，这种温室普遍适用于北方高寒区周年果蔬生产。

表1 内蒙古不同区域日光温室相关参数

1.2 观测内容与方法

本研究选用的资料时段为2011—2013年温室内气温逐小时观测数据；选用的验证数据为2014年度温室内气温逐小时观测数据，该时段的数据不参与模型建立；测量高度150 cm，与室外气象观测站点高度一致。温室外部温度观测资料使用2011—2014年同期距离日光温室最近，且气候条件近似的区域自动站数据，自动站为每小时观测一次：宁城县（站号 C54320）、呼和浩特市（站号 C53463）、杭锦后旗（站号C53420）。按照农事活动和物候现象对季节的划分标准[13]，在现有资料序列中，以3—4月代表春季，10—11月代表秋季，12月至次年2月代表冬季。主要研究晴天天气类型：根据地面观测规范对天气条件的划分标准，即日平均总云量0～2成为晴天；一日时段划分为白天（8：00—17：00时）、夜间（18：00时至次日 7：00时），其中 7：00—7：59时段属于夜间、17：00—17：59时段属于白天。同时，收集整理不同果蔬生长发育的低温指标。

主要采用相关分析和回归分析法，将晴天条件下不同季节、不同区域和一日不同时段的室内外观测资料及其与时间变化进行回归分析，利用Excel及Spss软件，通过逐步回归的方法，建立室内气温预测模型，并采用F检验法对预报模型进行显著性检验；根据温室预报模型，反演温室外低温服务指标。

2 结果与分析

2.1 内蒙古不同区域温室气温预报模型

2.1.1 温室气温日变化模拟 利用内蒙古东、中、西部不同季节典型晴天条件下白天和夜间室内气温，将一日中两个时段内的北京时间分别转换时序，即白天（8：00—17：00时）8：00时为 x=1，9：00时为 x=2，……，16：00 时为 x=9，17：00 时为 x=10；同样，夜间（18：00时至次日 7：00时）18：00时为 x=1，……，00：00 时为 x=7，1：00 时为 x=8，……，7：00 时为 x=14（y为对应时序的温室内气温）。根据温室气温变化特征，分别对不同季节晴天条件下白天和夜间室内气温与其对应的时序进行二次曲线估计分析，建立不同区域春、秋、冬季室内气温日变化模拟方程（表2）。由表2可知，不同区域、不同季节、不同时段的拟合回归方程判定系数均在0.90以上，均通过0.01水平置信检验，表明所得的拟合方程具有较高的拟合度，可以用来进行预测，即通过表2中的方程可以估测不同区域、季节日光温室内任一时刻的气温；模拟效果夜间明显好于白天，西部区好于中、东部。

表2 内蒙古晴天条件下不同区域、季节、时段温室气温日变化模拟方程

2.1.2 温室最低、最高气温模拟 常规天气预报中定量化预报的业务包括最高气温及最低气温。因此，在做日光温室内最高、最低气温预报时，筛选不同区域、不同季节典型晴天日的温室内外气温数据，除个别缺测日期的不完整数据，用有效数据分别对同一日温室内外最低、最高气温进行相关分析，以温室内最低、最高气温为因变量，以同一日温室外最低、最高气温为自变量，利用线性回归分析法，建立不同区域、不同季节温室内最低、最高气温的预报方程（表3）。分析温室内外温度的关系发现，室内最低、最高气温的关系均是线性的正比例关系，相关系数基本都通过0.01显著性水平检验，但不同区域、不同季节这种关系的参数变化较大。预测效果春、冬季要比秋季更显著，最低气温比最高气温更显著。这可能是由于冬、春季气温低，温室内不开放，温室效应强，而秋季温室室内外温差较小，夜间温室比白天更密闭，因此，温室内外最低温度相关一般比白天的最高温 度更紧密。

表3 内蒙古晴天条件下不同区域、季节、时段温室气温日变化模拟方程

2.2 内蒙古不同区域温室气温预报模型验证

2.2.1 气温日变化模拟验证 分别筛选2014年度春季、秋季和冬季东、中、西部日光温室内典型晴天气温日变化数据作为观测值，与表2中气温日变化模拟方程的模拟值进行比较，结果见图1～6图。可以看出，3个季节气温拟合度均较好，且冬季、春季拟合度明显好于秋季。

2.2.2 日最低、最高气温预报模型验证 为了验证表3不同区域、不同季节晴天温室内外日最低气温、最高气温预测方程的可靠性，利用2014年度冬、春、秋季的典型晴天日光温室内最低气温、最高气温数据与相对应的室外气温数据对上述建立的气温预报方程进行检验。结果表明，不同地区、不同季节日最低气温预测方程验证效果均显著好于日最高气温预测方程，预测精度基本达到0.5以上，通过0.01显著性检验，准确性均较好，春季验证效果尤为显著，东、中、西部区验证精度分别为0.8、0.6、0.6。最高气温预测效果较不稳定（表4），最低气温预报准确率较高，可用于日常农业生产。最高气温预测效果较不稳定，虽建立了预报模型，但在实际预报中，受人为干扰、农业管理方法的影响较大，需进一步完善。

表4 日光温室最低、最高气温预报模型验证效果

2.3 温室外最低气温服务指标的建立

北方高寒地区的降温天气常使气温急剧下降，从而温室室温可能降到作物适宜温度以下，导致日光温室中种植的不耐寒蔬菜将进入不利生长范围，并可能遭受冷害、冻害，甚至使植株枯萎死亡。

根据上文中建立的温室气温预报模型及验证结果，最低气温预报准确率较高，可应用于业务生产，用来判断温室内气温达到不同蔬菜生长的下限温度、灾害温度等时，反演得到相应的室外气温服务指标。根据内蒙古地区的实际情况，收集整理了设施生产中常用的果蔬生长低温指标，并根据预报方程求算出相应的温室外临界温度指标，具体结果列于表5。由表5可看出，东部区温室保温性能较中、西部好，室外气温达到作物致害气温指标的概率较小，仅当冬季室外最低气温下降到-30℃以下时，不耐寒的番茄、黄瓜等作物将进入生长下限温度范围，对上述蔬菜正常生长不利。而中、西部的春、秋季室外最低气温下降到-14℃以下时，易造成室内最低气温下降到6℃以下，影响蔬菜健壮生长；中西部冬季室外最低气温下降到-20℃以下时，易造成温室最低气温低于0℃，即会出现冻害。

表5 内蒙古地区常见果蔬日光温室栽培临界棚外温度 ℃

3 结论

本研究建立的温室气温与时序及室内外气温预报模型存在显著的相关关系，这与刘可群、崔建云等[14-16]研究结论一致，且从区域尺度及时间尺度上均较为全面，拟合效果均较好，因而可结合天气预报，为设施农业防御低温灾害提供决策依据，达到高产稳产、优质安全的目的。由于内蒙古地区设施农业气象监测工作处于起步阶段，在建模中仅考虑了单一气象要素指标，下一步应考虑温室大棚综合气象要素的影响，并建立更精细时间尺度上（月、旬）的预报模型，更准确、更有针对性地为设施农业生产服务。

根据实际观测发现：（1）内蒙古地区晴天条件下不同季节从东到西温室内气温日变化模拟方程及日最低、最高气温的拟合结果基本达到0.01显著水平，但相关模式差异较大；经检验，除最高气温预报效果较不稳定外，其余预报结果均较为可靠，可考虑应用于农业生产。（2）根据气温日变化模拟方程，温室气温日最低值出现在6:00～8:00时。其中，中、西部的冬季室温降到10℃以下，低于喜温类蔬菜适宜生长的下限温度要求，因而上述时段、地区应在6:00时前后适当加温，可最大限度地节约能源，并使得室温能在蔬菜适宜生长的下限温度之上；春、秋季全天温度基本都在10℃以上，不需要加温。（3）东部区温室保温性能优越，各个季节气温状况适宜各类蔬菜生长。因此，针对东部区温室小气候特点，设施蔬菜发展方向也可进行适当调整，可增加蔬菜品种、壮大瓜果蔬菜基地等。而中、西部的秋季室外最低气温下降到-14℃以下时，可能导致室温超过果菜类作物能忍耐的最低温度，抑制作物生长；冬季室外最低气温下降到-20℃以下时，易造成温室最低气温低于0℃，使蔬菜遭受冻害；春季大部时段气温基本位于致害温度之上，对设施作物影响不大。因此，中西部温室春季种植以喜温类蔬菜为主，秋、冬季以耐寒性蔬菜为主。

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