大長度日光溫室東西方向的溫度變化特征

樂章燕， 石茗化， 魏渠成， 宮志宏， 李雪杉

(1.廊坊市氣象局， 河北 廊坊 065000； 2.天津市氣候中心， 天津 300074)

0 引言

【研究意義】20世紀80年代開始，日光溫室因結構簡單，保溫性能好，成為北方地區生產反季節果蔬的重要設施，為解決農村剩余勞動力、農民增產創收提供了一條可行之路[1]。日前，設施農業是現代農業的重要組成部分，也是河北省鄉村振興的重要途徑之一。在日光溫室生產中，溫度是作物生長發育過程中的重要環境因素，直接影響作物的生理生態與品質。隨著大長度日光溫室的發展，溫室內溫度分布不均衡，不同方位的溫度分布差異很大，不利于作物的生長發育。探究大長度日光溫室內溫度變化規律和不同方位的溫度差異，對溫室溫度的智能調控和農業生產的科學管理具有重要意義。【前人研究進展】杜海濤等[2]對揭/蓋保溫被時間對日光溫室氣溫的影響進行了研究。肖雪朋等[3]報道了基于插值方法的溫室溫度場可視化仿真分析。針對各地日光溫室的小氣候變化特征均有研究報道[4-7]。佟國紅等[8-11]對不同后墻、不同棚型和不同天氣類型日光溫室的溫度變化規律進行了研究。孫麗等[12]研究了日光溫室邊界區域的溫度環境。隨著大跨度日光溫室的發展，也有學者對大跨度保溫型塑料大棚小氣候環境進行了研究[13-14]。近年來，隨著仿真技術在日光溫室中的應用，以CFD技術[15-17]應用最為廣泛，能動態模擬太陽輻射在溫室中的分布與變化，也可結合溫室結構等因子實現溫室內溫度整體變化規律[18]。但由于日光溫室結構復雜，參數不易獲得，且受外界氣象條件、墻體蓄熱、覆蓋材料類型、生產管理方式等多種因素的影響，溫室內溫度變化模擬相對比較復雜，在實際監測調控中仍存在一定的誤差。已有研究多用單點或少數監測點數據分析溫室內整體溫度變化規律，容易忽略因太陽輻射變化、農業生產管理等因素產生的影響。【研究切入點】采用單點或少數監測點數據分析溫室內整體溫度變化規律存在一定的局限性，且鮮有大長度日光溫室東西方向溫度變化差異的研究報道。【擬解決的關鍵問題】通過對大長度日光溫室的東西方向上布點，全天候實時監測溫度數據，探明其不同氣候類型下的溫度變化規律，以期為大長度日光溫室的溫度智能調控和農業生產的科學管理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 日光溫室概況

試驗于2020年冬季在河北省廊坊市兆豐農業草莓采摘園區南1號溫室(116.6°N， 39.5°E)內進行，屬于溫帶大陸性季風氣候。溫室坐北朝南，耳房建在東側，溫室內東西長100 m，南北跨度10 m，脊高5 m，后墻和東西兩側的墻體材料是草磚(葦草壓制)+1層無紡布+棉被，后墻總厚度0.2 m，冬季溫室內后墻附加一層塑料薄膜，前屋面夜間有草裙圍擋，拱架為鋼架結構，透光材料為聚乙烯塑料膜，覆蓋物為6層棉被，上下均有通風口，一般冬季只打開上通風口，但通風口的開啟由人工操作，致使風口開啟不均勻。種植作物為草莓，于2020年9月12日定植，整個生育期采用滴灌方式進行灌溉，試驗草莓處于花果期。

1.2 方法

1.2.1 不同方位溫度監測點的布設 U23-001A溫濕度記錄儀(美國HOBO公司生產)設在溫室東西和南北方向上離地面1.5 m，東西向每隔10 m設10組監測點，南北向分別隔3.2 m、3.3 m和3.5 m布設(圖1)，監測時間為2020年12月1日至2021年2月28日，每隔10 min采集一組數據。

圖1 日光溫室內溫度監測點的布設

1.2.2 日光溫室溫濕度監測 采用U23-001A溫濕度記錄儀記錄，溫度的監測精度±0.21℃，每個儀器都罩有專用的小百葉箱。

1.2.3 天氣類型的劃分 參照文獻[9]的方法，將逐日日照時數為8 h以上視為晴天，≤3 h視為陰天，其余時段視為多云。

1.3 不同天氣類型溫室氣溫隨時間的演變及空間分布

以冬季的實測數據為基礎，通過反距離權重法(IDW)計算二維水平面溫度場數據，探尋不同天氣類型溫室氣溫隨時間的演變及空間分布。反距離權重[19]是一種局部插值法，其假設前提是未知值的點受較近控制點的影響比遠控制點的影響更大。以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，離插值點越近的樣品點賦予的權重越大。

式中，Z是估計值，Zi是第i(i=1，…,n)個樣本值，di是估計點與插值點的距離，p是距離的冪，選擇標準是最小平均絕對誤差最低的冪值視為最佳冪指，冪指越高，插值效果越平滑，通常認為，冪的合理范圍為0.5～3.0。

2 結果與分析

2.1 不同天氣類型大長度日光溫室東西方向的溫度變化

大長度日光溫室不同月份各時刻東西方向的溫度變化存在差異。在試驗監測期間的晴天較多，2020年12月有20 d，約占65%；2021年1月有14 d，約占45%；2021年2月有21 d，約占75%。陰天天氣較少，2020年12月和2021年1月均為1 d；2021年2月有3 d。

2.1.1 晴天

1) 2020年12月。從圖2看出，2020年12月晴天溫室東西長度方向溫度高值區與低值區的分布位置與概率的變化。高值區：揭開和蓋上棉被的時間分別為8:00-8:30和16:30-17:00，9:00最高溫度點主要集中在溫室東西長度方向50 m處，原因是此時溫室棉被剛揭開，溫室內還未接受到陽光的照射，因而最高溫度仍位于中間區域。隨著太陽升起，陽光直射溫室西側，溫度呈西高東低的變化趨勢，東側溫度較低的原因是受耳房和東墻遮擋所至。10:00有66.7%的最高溫度點出現在50 m處，有20.6%的最高溫度點出現在90 m處，隨著太陽輻射角增大，11:00有44.7%的最高溫度點出現在90 m處，有21.4%出現在10 m處；12:00分別有39.2%和35.3%的最高溫度點出現在10 m和90 m處，13:00-15:00有60%左右最高溫度點出現在10 m處，20%左右的最高溫度點出現在90 m處，16:00有63%的最高溫度點出現在10 m處，但西側的最高溫度點已開始向中間移動。原因是試驗觀測期間10 m處的上通風口有12 d未打開或打開過晚或未完全打開，致使最高溫度點出現在10 m處。17:00棉被放下后最高溫度點開始向中間區域移動，直至在棉被揭開前，有50%以上的最高溫度點在50 m處。低值區：揭開棉被前至11:00有59%的最低溫度點在東側10 m處，隨著太陽高度角的減小，最低溫度點逐漸向中西側移動，16:00溫室西側被西墻遮擋，使其附近溫度迅速下降，有70.5%最低溫度點出現在90 m處，16:30蓋上棉被后，溫室內的最低溫度點逐漸向東側移動，18:00最低溫度點70%以上出現在東側10 m處，直至揭開棉被前。原因是東側的蓄熱量較西側少，且東側有耳房，無緩沖長廊，因而降溫速度較快。

注：在高值區和低值區中，底色越深表示溫度越高，反之溫度越低，下同。

2) 2021年1月。從圖3看出，2021年1月晴天溫室東西長度方向溫度高值區與低值區的分布位置與概率的變化。高值區：1月揭開棉被時間為7:50-8:50，部分時段棉被揭開時間較晚，9:00最高溫度點主要出現在溫室東西長度方向50 m處。太陽初升時，直射溫室中西部，最高溫度點向90 m處移動，呈西高東低的變化趨勢。其中，10:00-13:00有60.0%以上的溫度高值區出現在90 m處，13:00后隨著太陽高度角的變化，直射東部，最高溫度點逐漸向東側移動，16:00后墻體向外散熱快，致使溫室東西兩側較中部溫度低，溫度高值區向中間區域移動，直至揭開棉被前，高值區位于50 m處。低值區：1月溫度低值區和12月分布基本一致，但不盡相同。尤其是蓋上棉被至揭開棉被前，低值區主要位于東側10 m處， 23:00其分布概率達90%，部分時段溫度低值區出現在90 m處，午夜過后，分布概率最大仍在10 m處，但分布概率下降， 90 m的分布概率增加。原因是東西兩側蓄熱量少，保溫時間較短，但蓋上棉被后向外界散熱較快，因此低值區出現在東西兩側;但由于1月外界溫度較低，且冬季主導風向為西北風，若風速較大時西墻散熱較東墻快，致使夜間部分時段出現在西側90 m處。

圖3 2021年1月晴天溫室東西長度方向溫度高值區與低值區的分布位置與概率

3) 2021年2月。從圖4看出，2021年2月晴天溫室東西長度方向溫度高值區與低值區的分布位置與概率的變化。高值區：2月由于溫度回升，棉被揭開時間較早，為7:30-8:00。蓋上棉被時間為17:00左右，夜間溫度較高的時候不蓋棉被，因而其溫度變化與12月和1月不同。揭開棉被后溫度高值區變化與12月較一致，8:00的最高溫度點出現在50 m處。9:00開始向西部移動，呈中西側高東側低的變化趨勢，11:00-18:00的最高溫度點出現在10 m處，原因是10 m處的上通風口未打開或打開過晚或未完全打開。由于2月的部分時段未覆蓋棉被，18:00后高值區逐漸向中部移動，午夜至揭開棉被前高值區位于40 m處。低值區：溫度低值區分布與12月和1月不同，8:00揭開棉被后主要分布在10 m處，9:00出現在10 m處，但隨著風口打開，直至17:00蓋上棉被后低值區移動至50～60 m處，隨后向東西兩側移動，且西側出現的概率大于東側，原因是隨著日照時數的增加，東側的蓄熱量較西側多，且室外的溫度增高，溫差減小，向外釋放熱量的速度減小。

圖4 2021年2月晴天溫室東西長度方向溫度高值區與低值區的分布位置與概率

2.1.2 多云天氣

1) 2020年12月。從圖5看出，2020年12月多云天氣溫室東西長度方向溫度高值區與低值區的分布位置與概率的變化。高值區：12月多云天氣有9 d，除了28日的日照時數為5.5 h外，其余時間段均在7 h以上。溫度高值區變化規律和12月的晴天變化規律基本一致，揭開棉被后溫度開始回升，9:00-10:00高值區主要分布在50 m處，隨著太陽高度角增大，直射溫室西部，直至13:00高值區集中在中西側。隨后直至15:00移至東側。隨后隨著太陽輻射能量的減少，最高溫度點逐漸向中部移動，直至揭棉被前。低值區：揭開棉被后9:00的溫度低值區分布在10 m處，隨著太陽光輻射的變化，10:00-12:00在東西兩側均有分布，但主要在東側10～30 m處，10 m處的分布概率最大。13:00后太陽直射東側，低值區在西側60～90 m處，90 m的分布概率最大。17:00蓋上棉被后，低值區主要分布在東側10 m處和西側90 m處，東側10 m處的分布概率最大，直至揭開棉被前最低溫度主要分布在東側10 m處。

圖5 2020年12月多云天氣溫室東西長度方向溫度高值區與低值區的分布位置與概率

2) 2021年1月。從圖6看出，2020年12月多云天氣溫室東西長度方向溫度高值區與低值區的分布位置與概率的變化。高值區：1月多云天氣有15 d，日照時數均在6 h以上，與12月多云天氣溫度變化一致。9:00-10:00高值區主要分布在50 m處，11:00-13:00高值區分布在中西側，但主要在中間50 m處和西側90 m處，整體上西側的分布概率較大。14:00-16:00高值區逐漸向中東側移動，14:00-15:00東側分布的概率最大，16:00中部分布概率最大，直至9:00揭開棉被高值區出現在中間50 m處。低值區：蓋上棉被至次日11:00，溫度低值區分布在東側10m處，12:00后溫度低值區除了中間50 m處，在其余方位均有出現。12:00在10 m處分布概率最大，13:00在40 m處分布概率最大，14:00在10 m和40 m處分布概率最大，15:00-16:00在東西兩側的10 m和90 m處分布概率最大。原因是多云天氣太陽輻射無規律變化及外界溫度變化所致。

圖6 2021年1月多云天氣溫室東西長度方向溫度高值區與低值區的分布位置與概率

3) 2021年2月。從圖7看出，2021年2月多云天氣溫室東西長度方向溫度高值區與低值區的分布位置與概率的變化。高值區：2月多云天氣有4 d，且室外溫度較高，上下風口均打開，其中21日未蓋棉被。8:00—9:00溫度高值區出現在溫室中間50 m處，10:00-17:00主要分布在東西兩側的10 m和90 m處，18:00后主要分布在溫室東側20～30 m和西側70 m處，可能是由于2月上下風口都開啟，風口大小不均所致。低值區：剛揭開棉被時，8:00-9:00溫度低值區出現在溫室東側10m處，隨后向中間60m處移動，10:00-16:00在60 m處分布概率最大，是由于2月多云天氣的溫室外溫度較高，夜間只壓住上通風口，棉被未放下。17:00后逐漸向90 m移動，午夜過后最低溫度點主要分布在東西兩側10 m和90 m處，最大分布概率在90 m處，與2月晴天溫度低值區變化趨勢一致。

圖7 2021年2月多云天氣東西長度方向溫度高值區與低值區的分布位置與概率

2.1.3 陰天 從圖8看出，陰天溫室東西長度方向溫度高值區(2020年12月與2021年2月)與低值區(2021年2月)的分布位置與概率的變化。2020年12月有陰天1 d，溫度的高值區主要集中在溫室中間區域的50～60 m處。2月13日和14日為陰天，即有陰天2 d。揭開棉被時間7:50-8:00，蓋棉被時間為16:30。揭棉被前溫度的高值區主要集中在30～50 m處，揭棉被后溫度高值區出現在50 m處，溫度低值區主要集中在90 m處。

圖8 陰天溫室東西長度方向溫度高值區(2020年12月與2021年2月)與低值區(2021年2月)的分布位置與出現概率

2.2 冬季晴天與多云天氣溫室內不同時刻的溫度變化

從圖9可知，冬季晴天與多云天氣溫室內不同時刻的溫度變化。

圖9 冬季晴天與多云天氣溫室內不同時刻的溫度變化

2.2.1 晴天 12月和1月的變化趨勢基本一致，9:00揭開棉被后，溫度迅速回升，9:00-10:00溫度增速最快，東西方向增速為10℃/h以上，呈西部大于東部的變化趨勢，因為太陽初升時直射溫室西部。晴天一般10:30打開上通風口，因而10:00-11:00的變化幅度下降。隨著太陽輻射的減弱和室外溫度的下降，14:00時溫室內溫度呈下降趨勢，直至17:00變化幅度達最大，這是因為冬季一般16:00-17:00蓋棉被，室內外溫差較大。由于棉被的保溫作用，隨后溫室內的溫度呈緩慢下降趨勢，溫度變化幅度減小。2月夜間溫度變化幅度趨勢與12月和1月相同，但白天的變化趨勢與其不同，可能因為2月溫度回升，夜間只覆蓋2/3的棉被或不覆蓋棉被，上下通風口都打開，白天溫度變化趨勢較為復雜。因而在溫室快速降溫階段應蓋上棉被，可有效阻止溫室熱量散失，提高夜間的溫室溫度。

2.2.2 多云天氣 夜間溫室內溫度的變化基本一致，溫度變化幅度較小。由于太陽輻射的原因，白天各月溫室內溫度存在差異，12月和1月的增溫和降溫速度均最快，分別出現在9:00-10:00和16:00-17:00。但2月白天溫度變化幅度較12月和1月小，增溫和和降溫速度最快的時間出現在7:00-8:00和15:00-16:00。陰天由于太陽輻射較少的原因，溫度變化較小，基本在1℃/h以下。

3 討論

溫度是日光溫室內作物生長的重要環境因素，隨著大長度日光溫室的發展，不同方位的溫度時空分布不均。研究結果表明，晴天和多云天氣的夜間及陰天天氣的全天東西方向上的溫度差值較小，基本在1℃以下。溫度高值區出現在中間40～50 m處，低值區在溫室的東西兩側(10 m或90 m處)。晴天和多云的白天溫度的高值區存在差異，揭棉被后溫室內溫度呈上升趨勢，太陽初升時溫室內溫度呈中西側高東側低的趨勢，13:00后隨著太陽輻射的變化，溫度高值區主要在中東側，與宿文[20]的研究結果相近。晴天與多云天12月和1月氣溫室內溫度變化基本一致，溫度快速升溫和降溫的時段均在9:00-10:00和16:00-17:00，晴天天氣狀況下變化幅度較多云天氣大，與張軍華等[21]的研究結果一致。2月由于生產管理方式的不同，溫度快速增溫和降溫的時段為7:00-8:00和15:00-16:00。陰天溫度隨時間的變化幅度較小，為1℃/h左右。目前，大長度日光溫室東西方向溫度差異方面的研究報道較少，由于通風口開閉時間、通風口的大小等管理方式的不同，溫室內不同方位的溫度差異較大，對溫室內作物生長發育和品質有一定的影響。在今后的研究中，增加監測點的密度，通過觀測數據和仿真技術相結合的方式，從而更加精細地分析溫室內溫度變化規律，以更好地為日光溫室小氣候環境優化甚至棚型設計提供參考依據。

4 結論

大長度日光溫室內東西方向上溫度時空分布不均，對作物生長有一定的影響。夜間溫度低值區主要集中在溫室的東側或西側的區域，因而若有低溫凍害天氣發生時，應在東側或西側采取增溫措施；白天溫室內由于太陽輻射和生產管理方式等因素的影響，在溫室的高溫時段，可以根據作物的生長氣象指標，適當在溫室內增設風機，以增強溫室內氣流流速，避免溫度極度不均性對作物生長的影響。