基于熱平衡分析的山西省日光溫室氣候區劃

張紀濤，閆萬麗，史向遠，李永平，王秀紅，張曉晨

（1.山西農業大學山西有機旱作農業研究院，山西太原030031；2.山西省農業科學院現代農業研究中心，山西太原030031）

日光溫室是我國特有的溫室結構形式，是北方地區進行越冬生產的主要農業設施，近20 a 來已成為農業種植業中效益最高的產業[1]。日光溫室生產有較強的地域性，不同區域氣候決定了不同的日光溫室的結構形式、栽培方式以及茬口安排等[2-3]，因此，日光溫室建設氣候區劃對于日光溫室的合理布局與指導生產具有重要意義。關于日光溫室氣候區劃的研究報道已有很多，基于GIS 的區劃方法、綜合因子法與主導指標法、系統聚類方法、模糊評價方法、主成分分析法、判別分析法以及基于模型預測分析方法均被用于區劃研究中[1-14]，對促進日光溫室合理建設具有重要作用。

冬季的光照、溫度等是影響日光溫室生產的主要因素[15-16]。不加溫日光溫室室內溫度環境取決于本身的結構特征和室外氣象條件，而地域的氣象特征與地理要素具有很強的相關性，因此，可以建立起日光溫室室內溫度與地理要素之間的關系模型。ArcGIS 中的“地圖代數”是一種簡單而強大的代數語言，利用它可以操作所有Spatial Analyst 工具、運算符及函數以執行各種地理分析。因此，可以將建立的基于地理要素的日光溫室內溫度模型，借助ArcGIS 的地圖代數功能完成區劃圖。

為探索合理的日光溫室氣候區劃方法，本研究基于日光溫室熱平衡方程，提取了適宜的日光溫室氣候區劃指標，并完成了山西省日光溫室建設氣候區劃，為日光溫室合理建設、合理生產布局提供依據。

1 資料來源與區劃流程

1.1 資料來源與數據處理方法

采用1981—2011 年間12、1 月份的山西109 個站點的近10 a 或30 a 的地域氣象資料，數據來源于山西省氣象信息中心、中國氣象信息中心。山西省90 m 分辨率DEM來源于SRTM（Shuttle Radar Topography Mission，網址為：http：//srtm.csi.cgiar.org），如圖1 所示。

使用Excel 2003 進行數據整理，SPSS 20.0 進行數據模型擬合，ArcGIS 10 進行地理區劃圖的繪制。

1.2 區劃流程

基于日光溫室內部熱環境與室外環境條件的關系和室外環境條件與地理要素的關系，通過3 個步驟完成日光溫室氣候區劃：第一，基于日光溫室熱平衡方程，分析日光溫室內部氣溫與室外氣象的相關關系，進而提取合理的氣候區劃指標；第二，建立相關氣象要素的地理分布模型；第三，基于ArcGIS 完成氣候區劃圖。區劃流程如圖2 所示。

2 日光溫室內氣溫與結構及室外氣象要素關系分析

日光溫室的熱平衡方程[17]如公式（1）所示。

式中，Qs為室內太陽輻射得熱；Qm為設備發熱量；Qh為補充的供熱量（溫室采暖系統熱負荷）；Qr為作物、土壤等呼吸放熱量；Qw為通過圍護結構散失的熱量；Qf為地中傳熱量；Qvs、Qvl分別為通風排出的顯熱量和潛熱量；Qp為植物光合作用吸熱。一般情況下，日光溫室中的Qm、Qr、Qp數值很小，可以忽略不計。因此，日光溫室采暖負荷（Qh）可以簡寫為公式（2）。

式中，AS為溫室內接受太陽輻射面積（m2）；ρ為室內日照反射率，一般為0.1；τ 為溫室覆蓋材料對太陽輻射的透射率；ti為室內氣溫（℃）；to為室外氣溫（℃）；Agj為溫室各部分圍護結構的面積（m2）；Kj為溫室各部分圍護結構的傳熱系數（W/（m2·℃））；L為通風量（m3/s）；ρa為空氣密度（W/（m2·℃））；cp為空氣的定壓比熱容，取1 030 J/（kg·℃）；e 為通風潛熱損失與溫室吸收的太陽輻射熱之比，一般取值0.4～0.6；Qo為地面總輻射。

對于不加溫日光溫室，Qh＝0，公式（3）可以改寫成公式（4）。

室內溫度ti可以描述為公式（5）。

對于具體的不加溫溫室，其圍護結構與通風的散熱系數為確定值。因此，公式（5）可簡寫為：ti＝Qo×B+to，該式中，B 值反應日光溫室結構部分的綜合散熱系數，即維持室內溫度的能力，是設計日光溫室的依據。該值越低表示日光溫室有更高的保溫性能，反之亦然。

依據上述分析可以看出，日光溫室室內溫度決定于室外溫度和太陽輻射，以及日光溫室的結構。對于不加溫日光溫室，B 值的大小就決定了日光溫室內部溫度環境條件；同理，在一定的區域內，要達到要求的室內溫度，需要調整日光溫室結構及其參數等。因此，B 值是最理想的日光溫室氣候區劃的指標，用以日光溫室區劃，指導日光溫室的合理建設。

3 山西省氣象要素的地理分布模型

日光溫室是為解決冬季寒冷地區的蔬菜生產問題而出現的。12、1 月為北方地區最冷的時期，是限制日光溫室生產最突出的時期，因此，選取12 月至次年1 月的氣象數據建立地理分布模型。不同區域的氣候要素指標的空間變異性分析如表1 所示，變異系數越大說明區域差異也越大。

表1 山西省地區氣候要素特征值的空間變異性分析

3.1 氣溫數據的區域推算模型

表2 氣象要素與地理要素之間的關系

為了更好地描述氣候資源的空間地域特征，參考文獻[18-19]中的方法建立氣象要素的多元回歸插值模型（公式（6）），結果如表2 所示。

式中，Y 為氣象要素；λ 為經度；φ 為緯度；h 為海拔；ε 為綜合地理殘差。

3.2 輻射數據的區域推算模型

山西省只有大同、太原、侯馬3 個站點的地面總輻射數據，難以直接進行插值計算。因此，必須根據已有的方法進行地面輻射數據的推算，然后建立地理分布模型。依據文獻[20-22]中的方法，地面總輻射的推算模型如公式（7）所示。

式中，Qo為地面總輻射；Qa為天文總輻射；c、d為系數；Sp為日照百分率。

天文總輻射的推算模型，如公式（8）所示。

式中，t 為時間周期，取值為8.64×104s；I0為太陽常數，取值1.367×10-3MJ/（m2·s）；ρ 為日地相對距離；ω0為太陽時角；δ 為太陽赤緯；φ 為緯度。

根據上述方法，山西省12—1 月份的平均地面日總輻射量的地理分布如圖3 所示。

4 山西省日光溫室氣候區劃

日平均溫度在15 ℃以上可以進行喜溫茄果類蔬菜的生產，因此，設定12 月至次年1 月份的日光溫室內的平均溫度（ti）為15 ℃。依據圖2 的區劃流程，按照以下具體步驟完成山西省日光溫室氣候區劃：（1）基于獲取的DEM，提取109 個氣象站點的地理參數（經緯度、海拔等）；（2）完成山西省12 月至次年1 月份的平均溫度的地理分布圖；（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圖；（4）完成山西省12 月至次年1 月份的天文輻射的地理分布圖；（5）完成山西省12 月至次年1 月份的地面總輻射的地理分布圖；（6）完成山西省12 月至次年1 月份的日光溫室綜合散熱特征系數的地理分布圖，即山西省日光溫室氣候區劃圖。

區劃結果如圖4 所示。山西省不同區域綜合散熱系數（B 值）范圍在0.21～0.40 MJ/（m2·K·d），具有一定的緯度分布規律，緯度越高B 值越小。依據B 值大小將山西省劃分為4 個日光溫室氣候區域：一是北部高寒區。該區B 值為0.21～0.25 MJ/（m2·K·d），包括大同、朔州及忻州部分地區；該區緯度高，冬季氣溫低，溫室要求有良好的蓄熱保溫性能。二是中部寒冷區。該區B 值為0.25～0.30 MJ/（m2·K·d），包括呂梁、太原、陽泉及晉中的部分地區。三是中南低溫區。該區B 值為0.30～0.35 MJ/（m2·K·d），包括長治、臨汾大部分區域及晉中和晉城的部分區域。四是南部中溫區。該區B 值為0.35～0.40 MJ/（m2·K·d），包括運城的全部區域及晉城的部分區域，該區屬于山西省冬季氣溫最高的區域，對越冬生產的日光溫室來說要求低于其他3 個區域。

5 結論與討論

本研究為日光溫室氣候區劃提供了新的方法，即采用建立的室內溫度預測模型和氣象數據的地理分布模型，然后借助ArcGIS 的地圖代數功能完成區劃。該區劃方法直接從影響日光溫室熱量平衡的因素入手，區劃結果對于直接指導日光溫室的建設具有重要意義。本研究選擇了山西109 個站點的氣象數據，可以為相關要素地理分布模型的建立提供足夠數據支持，但全省輻射只有3 個監測站點，輻射的地理分布模型還需通過更多的站點和數據建立精準模型。