基于自動氣象站資料的沙坡頭區日光溫室區劃*

馬力文，毛萬忠，李保華，馮培靈，李 英，李寧芳（1.寧夏氣象科研所，銀川 750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，銀川 750002；.寧夏中衛市氣象局，沙坡頭 755000）

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·資源區劃·

基于自動氣象站資料的沙坡頭區日光溫室區劃*

馬力文1，2，毛萬忠3，李保華3，馮培靈3，李 英3，李寧芳3
（1.寧夏氣象科研所，銀川 750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，銀川 750002；3.寧夏中衛市氣象局，沙坡頭 755000）

摘 要中衛市沙坡頭區地形地貌復雜，僅靠一個大監測站的數據進行日光溫室農業氣候適宜性區劃，難以準確，精細化程度不夠。因此考慮采用22個區域自動站2006～2013年資料進行精細化區劃。在區劃指標的選取上，由于自動氣象站只有氣溫、降水量2個氣象要素，且冬季不觀測降水，要表達設施溫棚適宜的氣象條件，就要巧用氣溫實現評估設施溫棚對氣候條件的適宜性。為此，文章用冬季平均氣溫代表設施溫棚適宜與否的熱量資源，用前后2d的日平均氣溫降幅＞6℃的日數代表24h降溫幅度，以表征出現不利于日光溫室生產的大風、降溫或降雪等天氣過程出現的頻率，以日最低氣溫＜-20℃的持續日數代表冬季極端寒冷程度。用這3個因子作為沙坡頭區日光溫室氣候區劃的指標，確定每個因子的等級。利用1: 25 000經緯度、海拔等地理信息，在GIS系統支持下，將研究區域劃分為極適宜區、適宜區、次適宜區及不適宜區等4個等級。極適宜區主要在中部衛寧黃河沖積平原；適宜區主要包括山區與黃河南岸之間的臺地，且靠近平原的地區；次適宜區包括西部靠近甘肅的部分地區，北部平原靠近騰格里沙漠邊緣，香山南山臺子揚黃灌區；不適宜區包括南部香山山地、黃土丘陵及北部騰格里沙漠，與實際情況總體相符。

關鍵詞日光溫室 農業氣候區劃 變溫指標 縣域 精細化

0 引言

中衛市沙坡頭區位于寧夏西南部，介于104°17＇～105°37＇E，36°59＇～37°43＇N之間，地處寧夏中部。該地區地貌類型復雜，南北高、中間低，海拔在1 194～2 362m［1］之間。2004年以來，按照《中衛市優勢特色農業發展五年規劃》，把設施蔬菜產業確立為戰略性主導產業。目前，沙坡頭區設施蔬菜面積已發展到0.97萬hm2，已成為沙坡頭區農業增效、農民增收的支柱產業［2］。氣候條件特別是光熱資源，不僅影響溫室作物的生長發育、產量及品質，還直接影響溫室作物生產的能耗，進而影響溫室作物生產的經濟效益。如何充分利用當地光熱資源，合理布局，是設施農業中需要解決的關鍵技術問題［3］。沙坡頭區地處寧、甘、蒙等3省交界處，分為沙漠、黃河沖積平原、臺地、山地及盆地等5個較大的地貌單元，屬半干旱氣候，具有典型的大陸性季風氣候與沙漠氣候的特點，地貌及氣候條件復雜多樣［1］，只有根據環境條件、農業生產布局、經濟技術條件，進行日光溫室生產區劃，才能充分發揮氣候資源在日光溫室生產中的優勢［4］。

關于我國日光溫室的氣候區劃研究，前人做了許多工作。張紀增把我國日光溫室蔬菜生產從南到北劃分為4個栽培區［5］；齊玉春將我國東部淮河以北節能型日光溫室蔬菜生產劃歸為2個一級區、3個兩級亞區及6個二級小區［6］；趙子征等應用主成分分析與系統聚類方法對我國西北地區節能型日光溫室蔬菜生產進行分區，分為4個氣候區［4］。許彥平等通過太陽輻射與溫室內溫度對天水市各縣區光溫生產潛力進行了估算，并以光溫生產潛力、最冷時段平均氣溫、溫室生產季≥0℃日數、海拔作為區劃指標，進行了天水日光溫室的農業氣候區劃［7-8］。

陳友根等通過分析篩選出了日平均光照強度、日平均光照時長、日照百分率、日平均最低氣溫、日平均溫度＜5℃日數、20年的極端最低氣溫等6個氣候指標與緯度作為評價因素，根據每個不同因子的隸屬函數值，確定出新疆11個代表點的模糊評判矩陣，結合專家論證得出的權重系數，進一步得到不同地區的綜合評價系數。據此對新疆不同地區的日光溫室氣候適宜性做出了區劃［9］。張亞紅等根據中國氣候特點，劃分出北方區與南方區，然后在南、北方區內再劃分出一級區與二級區；區劃方法采用綜合因子法與主導指標法相結合的原則，從22個候選因子中篩選出14～15個因子，采用主分量分析法最終選擇了年均氣溫與冬季平均溫度、積雪深度、積溫與陰天日數、太陽輻射與日照狀況等4個主分量作為北方區的區劃指標，再利用系統聚類分析法將北方設施園藝區劃分為4個一級區、9個二級區［10-11］。張明潔等依據氣候因子的變異系數，選取了冬季總輻射、日光溫室生產季陰天日數、年極端最低氣溫、冬季平均氣溫、生產季月最大風速均值、年最大積雪深度均值等6個因子作為區劃指標，將上述因子經過加權指數求和后，利用GIS技術對我國北方日光溫室進行了區劃［12-13］。張玉鑫等在指標的選擇上更加貼近實際，同樣利用主成分分析法確定出2個主成分區，將甘肅省分為北部I區、南部Ⅱ區等2個一級區，并在北部I區做二級分區與三級分區。

然而，上述研究多為全國范圍或省域范圍，對縣域日光溫室的區劃研究較少。許多研究所引用的區劃因子較多，使得區劃因子取得的難度加大，而且信息重疊，不確定性增加。此外，上述研究所用資料主要是氣象觀測站數據，適合大范圍的區劃工作，無法應用到縣域范圍，一般來說，一個縣只有1～2個氣象站，特別是像中衛市沙坡頭區，地形地貌復雜，僅用1個氣象站資料無法代表整個縣域的氣候狀況。

由于近年來各地布設了地面區域自動氣象觀測站，區域自動氣象觀測站具有獲取資料準確度高、時間與空間分辨率強并能獲取空白區域的氣象資料等優勢，使得縣域范圍內的精細化區劃成為可能。該文利用2006～2013年沙坡頭區22個區域自動氣象站點的實時資料，對沙坡頭區日光溫室進行區劃，使氣候區域尺度更小，提高了區劃成果的精度，為農業產業結構調整提供科學依據。

1 資料及其處理

資料來源于中衛大監站1981～2010年氣象資料、2006～2013年沙坡頭區22個區域自動氣象站點資料及沙坡頭區GIS地理信息數據。建立日光溫室氣象因子地理分布模式，利用Arcinfo、ArcView等軟件進行統計分析與圖形圖像處理，制作沙坡頭區日光溫室種植氣候區劃圖。

2 沙坡頭區日光溫室區劃

2.1 區劃指標的選取及指標界限的確定

據研究，能夠被用來作為區劃指標的因子多達22種［11］，然而在我國西北地區，根據張玉鑫等的研究，主要選擇的因子有12個［16］。舍去1月日照百分率、冬季日照百分率、1月日照時數、冬季日照時數、年極端最低氣溫等空間變異系數小于0.15的因子，用于西北地區日光溫室區劃的因子剩7項，即1月平均氣溫、冬季平均氣溫、年平均氣溫、≥10℃積溫、最低氣溫≤-10℃天數、最大凍土層、海拔。在上述研究的基礎上，結合專家意見，筆者認為，1月平均氣溫、冬季平均氣溫與最大凍土層這幾個指標存在著極其顯著的關系，可以用冬季平均氣溫作為區劃熱量指標來代替。冬季的天氣過程往往伴隨著大風、雨雪、陰天，對溫室生產不利，是否能找到一個指標來表征這樣的信息？由于自動站雨量監測時段為每年的5～9月，采用降水量或降雨日數顯然不行，并且降水量 （或降雨日數）指標并不能表征大風與陰天的信息。經分析，當冬季出現大風降溫、寒潮、降雪等不利天氣時，24h內日平均氣溫的降幅往往超過6℃。也就是說，當日平均氣溫下降6℃的情況出現時，往往伴隨著降溫的還有陰天、大風或降雨 （雪），對日光溫室產生不利影響。因此，采用秋、冬、春季日平均氣溫降幅≥6℃的日數來表征不利天氣過程出現的頻率信息指標是有一定的意義的。此外，該文還采用了日最低氣溫＜20℃的日數表征超寒冷天氣出現的頻率信息。根據項目組溫室內外氣象觀測試驗及前人研究結果，采用K均值聚類法，確定了沙坡頭區日光溫室氣候適宜性指標的界限值 （表1）。

表1 沙坡頭區日光溫室區劃指標

2.2 氣候因子小網格推算

為獲取沙坡頭區日光溫室各氣象因子地理分布，須建立地理推算模式。該文利用GIS（地理信息系統）采用小網格分析方法建立氣候要素與站點經度、維度、海拔等地理信息的數學模型，將寧夏沙坡頭氣候資源數據推算到空間分辨率為250m的面上數據。

氣候資源推算模型:

式中，Y為氣候因子 （冬季平均氣溫、日平均氣溫降幅≥6℃的日數等）；λ、φ、h分別代表經度、緯度、海拔高度等地理因子。根據無資料地區的氣候推算方法，緯度為i，經度為j網格點上同期的溫度Tij可表示為［12］:

根據公式 （3）采用各站點的海拔、經緯度與溫度建立的3個氣候適宜性評價因子的推算模型見表2。由各氣象站的經度、緯度及海拔作為基本圖層，運用GIS柵格圖層計算功能，分別得到單氣候指標因子分布圖層。

表2 氣候因子小網格推算模型

2.3 區劃方法

目前農業氣候區劃常用的方法有逐步分區法、集優法、模糊數學法及數理統計分區法。該文采用集優法，該方法中，各因子同等重要無主次之分，利用GIS技術按照表1的氣候適宜性區劃指標完成沙坡頭區日光溫室的氣候適宜性區劃。分區原則為:滿足表1中3個氣象指標均為適宜的區域，區劃為極適宜區；滿足表1中2個指標為適宜，1個為次適宜的區域，劃分為適宜區；滿足表1中1個指標為適宜，2個為次適宜的區域，或3個指標均為次適宜的區域，劃分為次適宜區；滿足表1中任何一個氣象指標為不適宜的，劃分為不適宜區。

3 區劃結果與分區述評

寧夏中衛市沙坡頭區日光溫室氣候區劃結果見圖1。

圖1 寧夏中衛市沙坡頭區日光溫室氣候區劃

3.1 極適宜區

包括沙坡頭區中北部黃河沖積扇平原 （包括迎水橋鎮東部、濱河鎮大部、柔遠鎮大部、鎮羅鎮大部、常樂鎮北部、永康鎮及宣和鎮的小部分地區）以及香山靠近甘肅省沿沙梁灘到任寨柯自南向北狹長的一線。該地區冬季平均氣溫在-5.0℃以上，秋、冬、春季降日溫幅度在6℃以上的過程不超過9次，冬季日最低氣溫＜-20℃的日數在2d以內，海拔基本在1 200～1 240m之間，是日光溫室氣候區劃的最優區，極適宜日光溫室的發展。

3.2 適宜區

包括沙坡頭區迎水橋鎮西部甘塘地區、常樂鎮中部，宣和鎮東南部，永康鎮中、北部，環香山海拔較低的地區，南山臺子揚水渠灌溉范圍，興仁鎮大部，西部接壤甘肅省景泰縣的部分地區。該地區氣象條件與極適宜區相差不大，冬季平均氣溫、秋、冬、春季日平均氣溫降幅≥6℃的日數、冬季日最低氣溫＜-20℃的日數等3個氣象條件中至少有2個在適宜范圍、1個在次適宜范圍內，比較適宜日光溫室發展，但地勢略高，地形略復雜，不如極適宜區平坦。

3.3 次適宜區

包括沙坡頭區北部沙漠周邊，環香山農業區，南山臺子，蒿川鄉西部，該地區熱量條件比上述2個地區略差，冬季平均氣溫一般在-6.0～-5.0℃之間，秋、冬、春季日平均氣溫降幅≥6℃的日數一般在9.0～10.5d之間，冬季日最低氣溫＜-20℃的日數在2～3.5d之間，海拔高度在1 400～1 600m之間，是沙坡頭區日光溫室發展的次適宜區。

3.4 不適宜區

包括沙坡頭區的中南部山區，香山鄉東南部地區，常樂鎮南部，永康鎮南部，宣和鎮南部的汪家園子、寺口子以南，蒿川鎮西部，迎水橋鎮北部沙漠地區。該地區冬季氣溫基本在-6℃以下，秋、冬、春季日平均氣溫降幅≥6℃的日數超過10.5d，冬季日最低氣溫＜-20℃的日數超過3.5d。該地區氣候條件不適宜發展日光溫室。

4 結論與討論

目前，日光溫室區劃的研究較多，但分縣域的區劃研究不多，受自動站數據時段的限制，使用自動站研究日光溫室區劃的更少。該研究采用自動站資料，使區劃精度大幅提高，克服了自動站降水資料不全的困難，采用變溫幅度指標進行替代，開展日光溫室的氣候適宜性研究，尤其是指標替代的思路可以在其他研究使用。將研究區域劃分為極適宜區、適宜區、次適宜區及不適宜區等4個等級。極適宜區主要在中部衛寧黃河沖積平原；適宜區主要包括山區與黃河南岸之間的臺地，且靠近平原的地區；次適宜區包括東部靠近甘肅部分地區，北部平原靠近沙漠邊緣，南山臺子揚黃灌區；不適宜區包括南部隴中山地與黃土丘陵。從區劃結果看，與現有的實際情況總體相符，但有個別局部地區與實際略有差異。另外，某一地區綜合評定為適宜發展區并不代表該區域的各單項指標都是最優的，也存在某方面的風險，實際生產中仍要注意防災減災，特別是對于極端氣候事件。因此，對于具體地區，還可進行更精細化的區劃。

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AGRO-CLIMATIC SUITABILITY ZONING FOR GREENHOUSE
FARMING IN SHAPOTOU DISTRICT OF ZHONGWEI，NINGXIA USING AUTOMATIC WEATHER STATION DATA

Ma Liwen1，2，Mao Wanzhong3，Li Baohua3，Feng Peiling3，Li Ying3，Li Ningfang3
（1.Ningxia Meteorological Research Institute，Yinchuan，Ningxia 750002，China；2.Ningxia Key Laboratory for Disaster Prevention and Reduction，Yinchuan，Ningxia 750002，China；3.Zhongwei Municipal Meteorological Bureau，Shapotou 755000，China）

AbstractDue to the local complex topography，it is inaccurate and imprecise for the greenhouse climatic suitability zoning merely based on the data from single conventional weather station in Shapotou District of Zhongwei，Ningxia.Meteorological data from 22 automatic stations during the year of 2006 to 2013 were adopted in this paper for the greenhouse agro-climatic suitability zoning.The air temperature from the automatic weather station was chosen as the zoning index reflecting the greenhouse suitable meteorological conditions.3 indicators were selected for the greenhouse climatic suitability zoning，i.e.，the average winter temperature which represented the heat resource for the greenhouse suitability zoning，the days of the average temperature in two consecutive days during winter declining higher than 6℃which represented the weather frequency unsuitable for greenhouse，and the days of daily minimum temperature lower than-20℃ during winter which represented the extreme cold weather.And then the research area was divided into very suitable area，suitable area，less suitable and unsuitable area using 1:25，000 latitude，longitude and altitude of geographic information based on the GIS technology.The very suitable area was mainly in the central area of Weining Yellow River alluvial plain，the suitable areas included the plateaus between the mountain and the south bank of the Yellow River and the regions closed to the plains；the less suitable area was located in the western part of the region near Gansu，northern plains near the edge of the Tengger Desert，pumping irrigation of Nanshan tableland of Xiangshan；the unsuitable areas included southern Xiangshan mountain，loess hills and the northern Tengger Desert.The results were generally consistent with the actual situation in Shapotou District of Zhongwei，Ningxia.

Keywordsgreenhouse；agro-climatic zoning；variable temperature indicators；precise zoning

中圖分類號：S161.2；S162.2；S626.5

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9121［2016］02-0148-06

doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20160225

收稿日期：2014-11-12

作者簡介：馬力文 （1964—），女，北京人，高級工程師。研究方向:農業氣候資源。Email:ma_liwen@163.com*資助項目：2014年中央財政“三農”服務專項