基于热平衡分析的山西省日光温室气候区划

张纪涛，闫万丽，史向远，李永平，王秀红，张晓晨

（1.山西农业大学山西有机旱作农业研究院，山西太原030031；2.山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031）

日光温室是我国特有的温室结构形式，是北方地区进行越冬生产的主要农业设施，近20 a 来已成为农业种植业中效益最高的产业[1]。日光温室生产有较强的地域性，不同区域气候决定了不同的日光温室的结构形式、栽培方式以及茬口安排等[2-3]，因此，日光温室建设气候区划对于日光温室的合理布局与指导生产具有重要意义。关于日光温室气候区划的研究报道已有很多，基于GIS 的区划方法、综合因子法与主导指标法、系统聚类方法、模糊评价方法、主成分分析法、判别分析法以及基于模型预测分析方法均被用于区划研究中[1-14]，对促进日光温室合理建设具有重要作用。

冬季的光照、温度等是影响日光温室生产的主要因素[15-16]。不加温日光温室室内温度环境取决于本身的结构特征和室外气象条件，而地域的气象特征与地理要素具有很强的相关性，因此，可以建立起日光温室室内温度与地理要素之间的关系模型。ArcGIS 中的“地图代数”是一种简单而强大的代数语言，利用它可以操作所有Spatial Analyst 工具、运算符及函数以执行各种地理分析。因此，可以将建立的基于地理要素的日光温室内温度模型，借助ArcGIS 的地图代数功能完成区划图。

为探索合理的日光温室气候区划方法，本研究基于日光温室热平衡方程，提取了适宜的日光温室气候区划指标，并完成了山西省日光温室建设气候区划，为日光温室合理建设、合理生产布局提供依据。

1 资料来源与区划流程

1.1 资料来源与数据处理方法

采用1981—2011 年间12、1 月份的山西109 个站点的近10 a 或30 a 的地域气象资料，数据来源于山西省气象信息中心、中国气象信息中心。山西省90 m 分辨率DEM来源于SRTM（Shuttle Radar Topography Mission，网址为：http：//srtm.csi.cgiar.org），如图1 所示。

使用Excel 2003 进行数据整理，SPSS 20.0 进行数据模型拟合，ArcGIS 10 进行地理区划图的绘制。

1.2 区划流程

基于日光温室内部热环境与室外环境条件的关系和室外环境条件与地理要素的关系，通过3 个步骤完成日光温室气候区划：第一，基于日光温室热平衡方程，分析日光温室内部气温与室外气象的相关关系，进而提取合理的气候区划指标；第二，建立相关气象要素的地理分布模型；第三，基于ArcGIS 完成气候区划图。区划流程如图2 所示。

2 日光温室内气温与结构及室外气象要素关系分析

日光温室的热平衡方程[17]如公式（1）所示。

式中，Qs为室内太阳辐射得热；Qm为设备发热量；Qh为补充的供热量（温室采暖系统热负荷）；Qr为作物、土壤等呼吸放热量；Qw为通过围护结构散失的热量；Qf为地中传热量；Qvs、Qvl分别为通风排出的显热量和潜热量；Qp为植物光合作用吸热。一般情况下，日光温室中的Qm、Qr、Qp数值很小，可以忽略不计。因此，日光温室采暖负荷（Qh）可以简写为公式（2）。

式中，AS为温室内接受太阳辐射面积（m2）；ρ为室内日照反射率，一般为0.1；τ 为温室覆盖材料对太阳辐射的透射率；ti为室内气温（℃）；to为室外气温（℃）；Agj为温室各部分围护结构的面积（m2）；Kj为温室各部分围护结构的传热系数（W/（m2·℃））；L为通风量（m3/s）；ρa为空气密度（W/（m2·℃））；cp为空气的定压比热容，取1 030 J/（kg·℃）；e 为通风潜热损失与温室吸收的太阳辐射热之比，一般取值0.4～0.6；Qo为地面总辐射。

对于不加温日光温室，Qh＝0，公式（3）可以改写成公式（4）。

室内温度ti可以描述为公式（5）。

对于具体的不加温温室，其围护结构与通风的散热系数为确定值。因此，公式（5）可简写为：ti＝Qo×B+to，该式中，B 值反应日光温室结构部分的综合散热系数，即维持室内温度的能力，是设计日光温室的依据。该值越低表示日光温室有更高的保温性能，反之亦然。

依据上述分析可以看出，日光温室室内温度决定于室外温度和太阳辐射，以及日光温室的结构。对于不加温日光温室，B 值的大小就决定了日光温室内部温度环境条件；同理，在一定的区域内，要达到要求的室内温度，需要调整日光温室结构及其参数等。因此，B 值是最理想的日光温室气候区划的指标，用以日光温室区划，指导日光温室的合理建设。

3 山西省气象要素的地理分布模型

日光温室是为解决冬季寒冷地区的蔬菜生产问题而出现的。12、1 月为北方地区最冷的时期，是限制日光温室生产最突出的时期，因此，选取12 月至次年1 月的气象数据建立地理分布模型。不同区域的气候要素指标的空间变异性分析如表1 所示，变异系数越大说明区域差异也越大。

表1 山西省地区气候要素特征值的空间变异性分析

3.1 气温数据的区域推算模型

表2 气象要素与地理要素之间的关系

为了更好地描述气候资源的空间地域特征，参考文献[18-19]中的方法建立气象要素的多元回归插值模型（公式（6）），结果如表2 所示。

式中，Y 为气象要素；λ 为经度；φ 为纬度；h 为海拔；ε 为综合地理残差。

3.2 辐射数据的区域推算模型

山西省只有大同、太原、侯马3 个站点的地面总辐射数据，难以直接进行插值计算。因此，必须根据已有的方法进行地面辐射数据的推算，然后建立地理分布模型。依据文献[20-22]中的方法，地面总辐射的推算模型如公式（7）所示。

式中，Qo为地面总辐射；Qa为天文总辐射；c、d为系数；Sp为日照百分率。

天文总辐射的推算模型，如公式（8）所示。

式中，t 为时间周期，取值为8.64×104s；I0为太阳常数，取值1.367×10-3MJ/（m2·s）；ρ 为日地相对距离；ω0为太阳时角；δ 为太阳赤纬；φ 为纬度。

根据上述方法，山西省12—1 月份的平均地面日总辐射量的地理分布如图3 所示。

4 山西省日光温室气候区划

日平均温度在15 ℃以上可以进行喜温茄果类蔬菜的生产，因此，设定12 月至次年1 月份的日光温室内的平均温度（ti）为15 ℃。依据图2 的区划流程，按照以下具体步骤完成山西省日光温室气候区划：（1）基于获取的DEM，提取109 个气象站点的地理参数（经纬度、海拔等）；（2）完成山西省12 月至次年1 月份的平均温度的地理分布图；（3）完成山西省12 月至次年1 月份的日照百分率的地理分布图；（4）完成山西省12 月至次年1 月份的天文辐射的地理分布图；（5）完成山西省12 月至次年1 月份的地面总辐射的地理分布图；（6）完成山西省12 月至次年1 月份的日光温室综合散热特征系数的地理分布图，即山西省日光温室气候区划图。

区划结果如图4 所示。山西省不同区域综合散热系数（B 值）范围在0.21～0.40 MJ/（m2·K·d），具有一定的纬度分布规律，纬度越高B 值越小。依据B 值大小将山西省划分为4 个日光温室气候区域：一是北部高寒区。该区B 值为0.21～0.25 MJ/（m2·K·d），包括大同、朔州及忻州部分地区；该区纬度高，冬季气温低，温室要求有良好的蓄热保温性能。二是中部寒冷区。该区B 值为0.25～0.30 MJ/（m2·K·d），包括吕梁、太原、阳泉及晋中的部分地区。三是中南低温区。该区B 值为0.30～0.35 MJ/（m2·K·d），包括长治、临汾大部分区域及晋中和晋城的部分区域。四是南部中温区。该区B 值为0.35～0.40 MJ/（m2·K·d），包括运城的全部区域及晋城的部分区域，该区属于山西省冬季气温最高的区域，对越冬生产的日光温室来说要求低于其他3 个区域。

5 结论与讨论

本研究为日光温室气候区划提供了新的方法，即采用建立的室内温度预测模型和气象数据的地理分布模型，然后借助ArcGIS 的地图代数功能完成区划。该区划方法直接从影响日光温室热量平衡的因素入手，区划结果对于直接指导日光温室的建设具有重要意义。本研究选择了山西109 个站点的气象数据，可以为相关要素地理分布模型的建立提供足够数据支持，但全省辐射只有3 个监测站点，辐射的地理分布模型还需通过更多的站点和数据建立精准模型。