順德光照和熱量資源的農業氣象分析

招偉文，張偉強，郝 梅，陳惠芳，伍淑瑜

(廣東省佛山市順德區氣象局，廣東 佛山 528300)

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順德光照和熱量資源的農業氣象分析

招偉文，張偉強，郝 梅，陳惠芳，伍淑瑜

(廣東省佛山市順德區氣象局，廣東 佛山 528300)

該文利用順德國家氣象站和自動站資料，運用氣候學計算方法、5 d滑動平均法、分組法和直方圖法分析了順德地區的光照和熱量資源。結果表明：順德月太陽輻射呈現單峰型，以7月最大，2月最小。年平均太陽輻射總量為4 531.874 MJ/m2，屬于太陽能資料較貧乏帶。順德月光合有效輻射(PAR)為119.68～263.38 MJ/m2，平均為184.286 MJ/m2，也呈現弱單峰型。≥15 ℃的初日提前不明顯，終日延遲趨勢顯著。制作保證率日期表，以供農業氣象分析查詢使用。順德積溫地域分布存在“東高西低”形勢。

農業氣象；太陽輻射；積溫；保證率；農業界限溫度

1 引言

順德位于珠江三角洲腹地，是佛山有名的農業生產區，擁有著名的桑基魚塘農業模式，近年來建立起珠三角特色高產、高質、高效的農業體系，其中以坐落于素有嶺南花鄉美譽的陳村鎮的順德花卉世界為代表。同時，為落實中國氣象局關于開展面向新型農業經營主體直通式氣象服務，順德區氣象局和農業局共同商議，攜手開展面向農業經營主體和農村基層的氣象為農服務，因此開展本地化農業氣象研究顯得十分必要。

氣候資源是現代農業發展的基礎，氣象條件影響著農業生產，尤其是花卉開花、灌漿期、越冬作物、耐寒性差熱帶樹木、塘蝦魚類影響非常大，因此本文試圖通過氣象要素資料著重分析光照資源和熱量資源，為農業生產和科學研究提供指導，可為區域種植業、花卉業的布局和結構調整提供參考[1]。

2 資料與方法

采用的資料和方法如下：

①順德國家氣象站，觀測數據可信度高。本文利用順德站1981—2014年日照百分率、地面水氣壓和天文輻射量通過氣候學方法計算順德太陽輻射值。

②通過1981—2010年月平均總云量和地面水氣壓資料計算光合有效輻射(PAR)。

③采用5 d滑動平均法處理順德1959—2014年日平均氣溫求出通過15 ℃的初日和終日日期序列。

④采用分組法計算保證率。

⑤利用直方圖法處理順德37個氣象自動站1998—2014年月平均資料得出≥15 ℃的活動積溫分布圖。

3 光照資源

3.1 太陽輻射

太陽輻射是地面的主要能量來源，是地面熱量平衡的重要組成部分，更是重要的農業資源和立地環境條件，選擇一種適合順德本地的輻射計算方法，確定各月太陽輻射量，為農業生產提供有關輻射資源的基礎數據，評估農業生產潛力，顯得十分必要[2-3]。目前，國內學者對太陽輻射進行了大量的研究[2-8]。

杜堯東[2]研究表明

Q=Q0(a+b×S)

(1)

式(1)為廣東省太陽總輻射的最佳計算公式。

Q為太陽輻射，Q0為天文輻射，a、b為因地而異的經驗系數，S為日照百分率。但是，廣東只有廣州、汕頭兩個輻射觀測站，順德站由于受到觀測資料的限制，國內一般都采用氣候學方法計算。現利用朱志輝的多因子綜合法月值和年值的全國通用公式[4]，總輻射的月值公式為：

Q=Q0(0.160+0.612X1+0.038 4X1X2-

0.003 13X1X3-0.000 469X2X3)

(2)

總輻射的年值公式為：

Q=Q0(0.191+0.579X1+0.047 7X1X2-

0.005 18X1X3+0.001 98X2X3)

(3)

(2)式和(3)式中，X1為月(或年)的日照百分率(以2位小數表示)；X2為海拔高度(km)；X3為月(或年)平均水氣壓(hPa)，Q0為月(或年)的天文輻射量。

其中日天文輻射可直接用公式計算[2,3,5]。由日天文輻射總量公式計算每日天文輻射總量，然后采用逐日求和的精確累計法計算天文輻射月總量。現采用順德國家一般氣象觀測站(59480,113°15′E，22°51′N，海拔21.7 m)1981—2014年氣象要素資料，采用公式(2)計算順德月太陽輻射。從順德太陽輻射月際變化曲線(圖1)可以看出，順德月太陽輻射呈現單峰型，以7月最大，2月最小，這結果和杜堯東[2]研究結果：廣東省除雷州和徐聞外，全省其他地區太陽總輻射變化為單峰型，相吻合。其原因主要是由于順德7月受副熱帶高壓穩定控制，多晴好天氣；而2月經常出現連低溫陰雨天氣，雖然天文總輻射以12月最小，但到達地面的太陽總輻射以2月最少。

圖1 1981—2014年順德太陽輻射月變化特征Fig.1 Monthly variation characteristics of solar radiation in Shunde from 1981 to 2014

由公式(3)得出1981—2014年順德年平均太陽輻射總量為4 531.874 MJ/m2，在全省3 758～5 273 MJ/m2區間范圍內[2]。最多年為 5 147.93 MJ/m2(2011年)，最少年為3 588.53 MJ/m2(1994年)。根據王炳忠[6-7]的太陽能區劃指標和結果，順德屬于太陽能資料較貧乏帶。

3.2 光合有效輻射

光合有效輻射(PAR)是太陽輻射中能被綠色植物用來進行光合作用的那部分能量，是形成生物量的基本能源，直接影響著植物的生長、發育、產量和產品質量[8]。研究表明[8-10]，周允華等[11]對于光合有效輻射的計算方法具有較好的適應性，故采用周允華等人的公式即：

PAR=(0.383+0.058lgE+0.047N)Q

(4)

(4)式中，E為地面平均水氣壓(hPa)，N為平均總云量(以小數表示)[9]，Q為太陽總輻射，括號內為光合有效輻射占總輻射的比例系數η[9]。由于2013年10月開始取消云量觀測，為保證資料連續性，使用1981—2010年順德測站資料。

圖2 1981—2010年順德光合有效輻射PAR和比例系數η的月變化特征Fig.2 Monthly variation characteristics of PAR and η in Shunde from 1981 to 2010

由圖2可看出順德月光合有效輻射為119.68～263.38 MJ/m2，平均為184.286 MJ/m2，也呈現弱單峰型。月比例系數 η值變化在0.47～0.51的范圍內，夏季最大，冬季最小，平均值為0.49，其計算值與周允華[9,11]等人在廣州實測結果(0.47)極為接近，與全國各地總輻射的η系數也大體一致[9,12]。

4 熱量資源

4.1 界限穩定初、終日

界限溫度即農業界限溫度，又叫指標溫度，是表明某些重要現象或農事活動開始、終止的溫度[13]。農業氣象常用界限溫度及其生物意義如下：10 ℃初終日期間的時期是喜溫作物，如水稻、棉花、花生的生長期，15 ℃初終日期間的時期是喜溫作物積極生長期，如花卉開花、灌漿期，界限溫度指標有突出物理意義和農業意義，在農業氣象上應用廣泛。[14-15]

王樹延[16]指出5 d滑動平均法相比二倍偏差法和3 d連續偏低法更好反映“穩定通過”的統計要求，從而使統計結果比較穩定，具有代表性較接近實際情況，更符合我國的氣候特征。

現采用5 d滑動平均法[14-16]確定順德1959—2014年穩定通過15 ℃的初日和終日，并以1月1日記為1，1月2日記為2，以此方法建立1959—2014年初終日期序列。

分析表明，≥15 ℃初日日序呈下降趨勢，趨勢率為-0.78 d/10 a，但沒通過α=0.05的顯著性檢驗，表明初日提前不明顯，年平均初日為3月28日。年平均終日為11月26日，終日序列呈上升趨勢(圖3)，趨勢率為2.5 d/10 a，相關系數R=0.32，通過α=0.05(0.26)的顯著性檢驗，由圖終日序列距平可以看出，20世紀90年代之前終日序列距平以負距平為主，占59%，90年代后終日序列距平以正距平為主，占71%，且2005年后幾乎為正距平，表明終日延遲趨勢顯著。

圖3 終止日期序列及距平變化特征Fig.3 Change characteristics of the date of termination sequence

4.2 保證率

對一個地區來說，生長期長短各年不一，因此需要計算保證率[14]。保證率的計算可用分組法、經驗頻率法、均方差法，其中以分組法應用最多，且資料年代要求30 a以上[14]

對順德區1959—2014年≥15 ℃初日日序列進行分組，一般氣象要素分組以6～8組為宜，且分組數N≤5,lg56=8.7(56為樣本)，取8組；初日日序在61～107波動，以組距D=(107-61)/8=5.75，按組距分組求頻數(表1)，得出頻率和累積頻率(即保證率)。繪制保證率曲線如圖4。

表1 順德氣溫穩定通過15 ℃初日保證率

圖4 順德地區平均氣溫穩定通過15 ℃初日保證率曲線Fig.4 Temperature(≥15 ℃) of initial date surance rate curve in Shunde

根據保證率曲線，查取不同保證率的要素值，以供農業氣象分析查詢使用(表2)。80%保證率為4月上旬，耐寒性較差的花卉養殖時間可考慮安排這段時間以后種植。

4.3 積溫

積溫是研究作物生長、發育對熱量的要求和評價熱量資源的一種指標，是“某一時段內日平均氣溫對時間的積分”，是經過溫度有效性訂正的時間進程度量[17]。≥15 ℃期間的積溫可作為喜溫作物積極生長所要求的熱量指標[14]。

積溫計算可采用逐日累加法，但在缺乏逐日氣溫資料時，可用月、旬平均氣溫資料，利用直方圖法求近似值。現利用分布在順德區內10個鎮街，37個高密度自動站的1998—2014年月平均氣溫資料作直方圖，得出各自動站≥15 ℃的年活動積溫，并繪制順德≥15 ℃的活動積溫分布圖。

表2 順德日平均氣溫穩定通過15 ℃初日的不同保證率及日期

由圖5可以看出，順德積溫地域分布存在“東高西低”形勢，東西積溫差可達600 ℃以上，勒流、倫教、大良存在暖中心，活動積溫基本在7 900 ℃以上，可種植對熱量要求高的農作物，龍江、杏壇是低值中心。

圖5 順德區≥15 ℃的活動積溫分布圖Fig.5 Distribution of accumulated temperature of ≥15 ℃ in Shunde

5 總結

①利用朱志輝的多因子綜合法月值和年值的全國通用公式計算順德月太陽輻射，順德月太陽輻射呈現單峰型，以7月最大，2月最小，與全省其他地區相吻合。

②順德年平均太陽輻射總量為4 531.874 MJ/m2，在全省3 758～5 273 MJ/m2區間范圍內，屬于太陽能資料較貧乏帶。

③順德月光合有效輻射(PAR)為119.68～263.38 MJ/m2，平均為184.286 MJ/m2，也呈現弱單峰型。月比例系數 η值變化在0.47～0.51的范圍內，夏季最大，冬季最小，平均值為0.49，其計算值廣州實測結果(0.47)極為接近。

④順德1959—2014年穩定通過15 ℃的初日和終日日序列可知，初日提前不明顯，年平均初日為3月28日；年平均終日為11月26日，終日序列呈上升趨勢，通過α=0.05的顯著性檢驗，表明終日延遲趨勢顯著。

⑤制作順德日平均氣溫穩定通過15 ℃初日的不同保證率日期表，以供農業氣象分析查詢使用。

⑥順德積溫地域分布存在“東高西低”形勢，勒流、倫教、大良存在暖中心，龍江、杏壇是低值中心。

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Analysis of agrometeorological conditions of heat and light in Shunde

ZHAO Weiwen，ZHANG Weiqiang,HAO Mei,CHEN Huifang,WU Shuyu

(Meteorological Bureau of Shunde City of Guangdong Province, Shunde 528300, China)

Based on the observed data from Shunde and regional automatic weather stations, the method of climatological calculation, five day running average method, grouping and histogram method were used to analyze the agrometeorological conditions of heat and Light in Shunde。The results show that:①annual variation of solar radiation took the form of one-peak, with July maximum and February minimum.②Yearly solar radiation 4 531.874 MJ/m2belong to the poor;③PAR ranged from 119.68～263.38 MJ/m2and the average is 184.286 MJ/m2, annual variation of PAR took the form of one-peak too. ④the initial dates of ≥15 ℃ isn’t obviously earlier beginning, but later ending in the final dates. ⑤Make table of surance rate for the query of agrometeorological conditions.⑥Distribution of accumulated temperature of ≥15 ℃ in Shunde "East High and west low" situation.

agrometeorological; solar radiation; accumulative temperature; surance rate; initial/final date

1003-6598(2016)04-0029-05

2015-09-15

招偉文(1988—)男，助工，從事預報服務和測報工作，E-mail:215236895@qq.com。

廣東省佛山市氣象局科學技術研究項目(201606)。

S161.1

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