湖北省冬季设施火龙果最低气温变化特征及预报模型研究

材料与方法

1.1  资料来源

试验塑料大棚位于黄石市阳新县五夫果园，大棚长30.0 m，宽8.0 m，高3.4 m。观测时间为2017年12月至2018年2月，在棚内中间位置1.5 m处布设大棚温湿度传感器（CR800型），每10 min采集1次数据。对采集的气温数据进行日值统计，剔除异常值，共计获取85 d逐日最高气温、最低气温观测数据。

大棚外气象资料采用阳新国家基本气象监测站数据，选取与大棚小气候监测站时间对应的日最高气温、最低气温值。

1.2  方法

1）天气类型划分。依据气象上划分标准，按照日照百分率S≥60%、20%≤S<60%、0≤S<20%，将天气类型划分为晴天、多云、寡照3种[15，16]，分天气类型对塑料大棚内外气温变化资料统计。

2）研究方法。对当天和前一天棚外平均气温、最高气温、最低气温，前一天棚内最高气温、最低气温与当天棚内最低气温分别进行单因子相关分析，筛选出与当天棚内最低气温显著相关的因子;以模型备选因子作为自变量，采用逐步回归方法构建火龙果大棚冬季最低气温预报模型并对模型进行验证。

2  结果与分析

2.1  大棚内外的气温变化特征

对大棚内外的逐日最低气温进行比较，结果如图1所示。大棚内逐日最低气温始终高于棚外逐日最低温度，大棚内平均逐日最低气温为12.55 ℃，比棚外同一时期的大气平均逐日最低气温高9.91 ℃，且棚外最低气温越低时，棚内外的逐日最低气温日平均差异越大;反之棚外最低气温越高，大棚内外的逐日最低气温差异越小。在1月下旬至2月上旬大棚外逐日最低气温低至0 ℃以下，此时大棚内外的日平均逐日最低气温的差值最大，大棚内逐日最低气温比大棚外逐日最低气温平均偏高13.0 ℃，说明大棚的增温效应在外界温度越低的情况下效果越显著，且随着外界温度不断攀升，大棚内气温随之升高。不同月份大棚内外最低气温的差异也有所不同，棚内逐日最低气温12月比棚外平均偏高9.7 ℃，1月平均偏高8.5 ℃，2月平均偏高11.7 ℃。這是因为为使棚内温度始终维持在火龙果适宜生长的范围内，冬季大棚始终处于关闭状态，白天的太阳辐射使得大棚内增温，而夜晚的大气逆辐射使得大棚保温，所以棚内的温度始终高于棚外，且随着棚外大气温度的变化而变化。

分析不同天气状况下冬季大棚气温的变化特征，由表1可知，晴天时棚内日最低气温为14.93 ℃，较棚外高14.82 ℃，多云天气状况下，棚内日最低气温为14.78 ℃，比同期棚外高12.46 ℃，寡照天气条件下，棚内日最低气温为10.38 ℃，比棚外高5.98 ℃;日最高气温在晴天时棚内增幅3.60 ℃，多云天气增幅4.20 ℃，寡照天气增幅2.60 ℃;就日平均气温而言，在晴天棚内气温增幅9.97 ℃，多云天气增幅8.87 ℃，寡照天气增幅4.49 ℃，即日最低气温增幅均高于日最高气温和日平均气温增幅，大棚保温效果明显。

2.2  不同天气状况下气温日变化

选用大棚内试验监测数据，对不同天气类型进行统计分析，绘制不同天气状况下棚内最低气温日变化曲线。结果（图2）显示，不同天气条件下，夜晚至早上（7：00）最低气温一直呈下降趋势，在这一时段内最低气温表现为寡照>多云>晴天，因为寡照的夜晚大气逆辐射较强，所以寡照的夜晚气温比晴天夜晚的气温高。早晨7：00左右分别出现日最低气温，此时最低气温表现为晴天<多云<寡照，晴天最低气温最小值低至4 ℃以下。从7：00开始随着时间变化最低气温逐渐升高，这期间晴天和多云天气日最低气温变化非常明显，表现为晴天>多云>寡照，晴天和多云在午时之后气温升至35 ℃以上，晴天在14：50最低气温出现最大值，多云和寡照天气在14：40气温出现最大值，此时最低气温表现为晴天>多云>寡照，这与不同的天气状况下大棚吸收的太阳辐射有关，晴天的日照时间最长，吸收到的太阳辐射最多，增温效应也最为明显。14：00之后气温逐渐降低，且晴天的气温下降速率最快。由于太阳辐射的作用，大棚内最低气温白天的变化要大于夜晚。

2.3  冬季大棚最低气温预报模型因子筛选

在分析塑料大棚内外气温相互影响机理的基础上，考虑日常天气预报中的预报要素，将当天和前一天棚外平均气温、最高气温、最低气温，前一天棚内最高气温、最低气温与当天棚内最低气温分别进行单因子相关分析，筛选出与当天棚内最低气温显著相关的因子。筛选的原则包括选取通过显著性检验因子，所选的因子组合必须消除共线性影响。

结果（表2）表明，晴天时当天棚外平均气温、最高气温、最低气温与棚内最低气温均通过了信度为0.01水平的显著性检验，呈正相关，由于平均气温、最高气温、最低气温三者之间具有高度相关关系，为了消除模型组合因子共线性，选取相关系数最大的当天棚外最低气温作为模型备选因子;前一天棚外平均气温、最低气温与棚内最低气温均通过了信度为0.01水平的显著性检验，呈正相关，但前一天棚外平均气温与最低气温存在共线性，选取相关系数最大的前一天棚外最低气温作为模型备选因子;前一天棚内最高气温、最低气温与棚内最低气温均通过了信度为0.01水平的显著性检验，前一天棚内最高气温与当天棚内最低气温呈负相关，前一天棚内最低气温与当天棚内最低气温呈正相关，考虑晴天棚内最高气温与最低气温自身存在显著负相关，选择相关系数较大的前一天棚内最低气温作为模型备选因子。因此晴天状况下选取当天棚外最低气温、前一天棚外最低气温、前一天棚内最低气温作为模型因子。

多云天气状况下，当天棚外平均气温、最低气温与棚内最低气温通过了信度为0.05水平的显著性检验，呈正相关，为了消除共线性影响，选取当天棚外平均气温作为模型备选因子;前一天棚内最低气温与当天棚内最低气温通过了信度为0.05水平的显著性检验，呈正相关，选取为模型备选因子。因此，多云天气状况下选取当天棚外平均气温、前一天棚内最低气温作为模型因子。

寡照天气状况时，当天和前一天棚外平均气温、最高气温、最低气温，前一天棚内最高气温、最低气温与当天棚内最低气温均通过了信度为0.01水平的显著性检验，呈正相关，为了消除因子共线性影响，选取相关系数较大的当天棚外最低气温、前一天棚外平均气温、前一天棚内最低气温作为模型因子。

2.4  冬季大棚最低气温预报模型构建

2.4.1  模型构建  以模型备选因子作为自变量，采用逐步回归方法进行建模，分别建立3种天气状况下日最低气温多元回归模型。由表3可知，模型均通过0.01水平的显著性检验。

2.4.2  模型检验  利用棚内日最低气温预报模型，对模型进行回代检验，结果（图3）表明，模拟值与实测值平均绝对误差晴天时为0.49 ℃，均方根误差为0.69 ℃。多云与寡照模拟值与实测值平均绝对误差为1.10～1.20 ℃，均方根误差为1.30 ℃。预报模型具有良好的拟合效果。

3  小结

1）大棚内最低气温始终高于棚外。观测期间，大棚内日平均最低气温较大棚外高2.60～20.90 ℃。棚外最低气温越低，棚内外的最低气温差异越大;大棚外最低气温越高，棚内外最低气温差异越小。棚外气温越低大棚的增温效果越显著，棚外气温升高棚内气温也随之逐渐升高。

2）不同天气状况下，大棚内最低气温的增幅均高于最高气温和日平均气温，晴天时日平均最低气温变化幅度最大，多云天气的变化小于晴天，寡照天气的日平均最低气温变化幅度较小。大棚内最低气温的日变化白天大于晚上，最低气温最高值均出现在14：00—15：00（午后），最低气温最低值均出现在7：00左右（早上）。

3）根据大棚内外气温的变化特征，以及对冬季大棚不同天气条件下气温的特征分析，筛选出与当天棚内最低气温显著相关的因子作为预测模型的因子。晴天选取当天棚外最低气温、前一天棚外最低气温和前一天棚内最低气温;多云天气选取当天棚外平均气温和前一天棚内最低气温;寡照天气选取当天棚外最低气温、前一天棚外平均气温和前一天棚内最低气温。

4）采用逐步回归方法建立3种天气状况下日最低气温多元回归模型，均通过0.01水平的显著性检验。对模型进行回代检验，不同天气条件下的实测值和模拟值误差均在1.30 ℃以下，说明该模型与实际情况拟合效果较好。

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