山 西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 48 7 1119 1122 1128 Journal of Shanxi Agricultural Sciences 基于熱平衡分析的山西省日光溫室氣候區(qū)劃 張紀(jì)濤 1 2 閆萬麗 1 2 史向遠(yuǎn) 1 2 李永平 1 2 王秀紅 1 2 張曉晨 1 2 1 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院 山西 太原 030031 2 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心 山西 太原 030031 摘 要 為探索合理的日光溫室氣候區(qū)劃方法 以指導(dǎo)日光溫室合理建設(shè)和生產(chǎn)布局 研究基于日光溫室熱平衡 方程 提取出日光溫室綜合散熱特征系數(shù) 并以山西省 109 個站點(diǎn)多年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ) 通過多元回歸的方法 建立了氣象因子的地理分布模型 然后借助 ArcGIS完成了山西省日光溫室氣候區(qū)劃 結(jié)果表明 山西省日光溫室 綜合散熱系數(shù)為 0 21 0 40 MJ m 2 K d 依據(jù)該值將山西省分為北部高寒區(qū) 中部寒冷區(qū) 中南低溫區(qū) 南部中 溫區(qū)等 4 個日光溫室氣候區(qū) 北部高寒區(qū)的日光溫室綜合散熱特征系數(shù)較小 要求日光溫室具有良好的保溫性能 以減少輻射得熱的散失 隨數(shù)值的增加 保溫性的要求逐漸降低 研究可為日光溫室氣候區(qū)劃提供新的方法 完成 山西省日光溫室氣候區(qū)劃 對指導(dǎo)山西省日光溫室的建設(shè)和產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義 關(guān)鍵詞 日光溫室 氣候區(qū)劃 熱量平衡 山西省 中圖分類號 S626 5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1002 2481 2020 07 1119 05 Climatic Regionalization of Solar Greenhouse in Shanxi Province Based on Heat Balance Analysis ZHANGJitao 1 2 YANWanli 1 2 SHI Xiangyuan 1 2 LI Yongping 1 2 WANGXiuhong 1 2 ZHANGXiaochen 1 2 1 Shanxi AcademyofOrganic Dryland Agriculture Shanxi Agricultural University Taiyuan 030031 China 2 Research Center ofModern Agriculture Shanxi AcademyofAgricultural Sciences Taiyuan 030031 China Abstract Toexplore reasonable Chinese solar greenhouse CSG climate zoningmethods and guide the rational construction and production distribution of CSG based on the thermal balance equation of CSG greenhouse integrated coefficient of heat dissipation characteristics are extracted as the index ofclimate zoning Based on the basis ofthe meteorological data of109 sites in Shanxi province for many years the geographical distribution of meteorological factor model is established by multiple regression method Then the climate division of solar greenhouse in Shanxi province is completed by using ArcGIS The results showthat the integrated coefficient of heat transfer ofCSGin Shanxi province is 0 21 0 40 MJ m 2 K d on the basis ofthe value the whole Shanxi province can be divided into Northern High Cold area Central Cold area Central south low temperature area Southern middle temperature area of Shanxi province such as the comprehensive coefficient numerical heat dissipation characteristics of Northern High Cold area of CSG of Shanxi province requirements CSG with good thermal insulation performance to reduce heat loss from solar radiation the heat preservation requirements graduallyreduces with the increase ofthe coefficient This studyprovides a newmethod for the climate division ofCSG and completes the climate division ofcoefficient in Shanxi province It is ofgreat significance to guide the construction and industrial healthy development ofCSGin Shanxi province Key words solar greenhouse climatic regionalization thermal balance Shanxi province 收稿日期 2019 11 18 基金項目 山西省重點(diǎn)研發(fā)計劃 一般 項目 201603D221036 2 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研創(chuàng)新團(tuán)隊培育專項 YGC2019TD07 山西省農(nóng)業(yè)科 學(xué)院雁門關(guān)農(nóng)牧交錯帶專項 YCX2017D2110 作者簡介 張紀(jì)濤 1986 男 河北河間人 助理研究員 碩士 主要從事溫室工程與園藝栽培研究工作 doi 10 3969 j issn 1002 2481 2020 07 28 日光溫室是我國特有的溫室結(jié)構(gòu)形式 是北方 地區(qū)進(jìn)行越冬生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)設(shè)施 近 20 a 來已成 為農(nóng)業(yè)種植業(yè)中效益最高的產(chǎn)業(yè) 1 日光溫室生產(chǎn) 有較強(qiáng)的地域性 不同區(qū)域氣候決定了不同的日光 溫室的結(jié)構(gòu)形式 栽培方式以及茬口安排等 2 3 因 此 日光溫室建設(shè)氣候區(qū)劃對于日光溫室的合理布 局與指導(dǎo)生產(chǎn)具有重要意義 關(guān)于日光溫室氣候區(qū) 劃的研究報道已有很多 基于 GIS的區(qū)劃方法 綜 合因子法與主導(dǎo)指標(biāo)法 系統(tǒng)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(yù) 測分析方法均被用于區(qū)劃研究中 1 14 對促進(jìn)日光 溫室合理建設(shè)具有重要作用 冬季的光照 溫度等是影響日光溫室生產(chǎn)的主 要因素 15 16 不加溫日光溫室室內(nèi)溫度環(huán)境取決于 1119 山 西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 7 期 本身的結(jié)構(gòu)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(qiáng)的相關(guān)性 因此 可以建立 起日光溫室室內(nèi)溫度與地理要素之間的關(guān)系模型 ArcGIS 中的 地圖代數(shù) 是一種簡單而強(qiáng)大的代數(shù) 語言 利用它可以操作所有 Spatial Analyst 工具 運(yùn) 算符及函數(shù)以執(zhí)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(nèi)溫度模型 借助 ArcGIS的地圖代數(shù)功能完成區(qū)劃圖 為探索合理的日光溫室氣候區(qū)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(qū)劃指標(biāo) 并完成了山西省日光溫室建設(shè)氣候 區(qū)劃 為日光溫室合理建設(shè) 合理生產(chǎn)布局提供依據(jù) 1 資料來源與區(qū)劃流程 1 1 資料來源與數(shù)據(jù)處理方法 采用 1981 2011 年間 12 1 月份的山西 109 個 站點(diǎn)的近 10 a 或 30 a 的地域氣象資料 數(shù)據(jù)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 To pography Mission 網(wǎng)址為 http srtm csi cgiar org 如圖 1 所示 使用 Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理 SPSS20 0 進(jìn)行 數(shù)據(jù)模型擬合 ArcGIS10 進(jìn)行地理區(qū)劃圖的繪制 1 2 區(qū)劃流程 基于日光溫室內(nèi)部熱環(huán)境與室外環(huán)境條件的 關(guān)系和室外環(huán)境條件與地理要素的關(guān)系 通過 3 個 步驟完成日光溫室氣候區(qū)劃 第一 基于日光溫室 熱平衡方程 分析日光溫室內(nèi)部氣溫與室外氣象的 相關(guān)關(guān)系 進(jìn)而提取合理的氣候區(qū)劃指標(biāo) 第二 建 立相關(guān)氣象要素的地理分布模型 第三 基于 Ar cGIS完成氣候區(qū)劃圖 區(qū)劃流程如圖 2 所示 2 日光溫室內(nèi)氣溫與結(jié)構(gòu)及室外氣 象要素關(guān)系分析 日光溫室的熱平衡方程 17 如公式 1 所示 Q s Q m Q h Q r Q w Q f Q vs Q vl Q p 0 1 式中 Q s 為室內(nèi)太陽輻射得熱 Q m 為設(shè)備發(fā)熱 量 Q h 為補(bǔ)充的供熱量 溫室采暖系統(tǒng)熱負(fù)荷 Q r 為作物 土壤等呼吸放熱量 Q w 為通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)散 失的熱量 Q f 為地中傳熱量 Q vs Q vl 分別為通風(fēng)排 出的顯熱量和潛熱量 Q p 為植物光合作用吸熱 一 般情況下 日光溫室中的 Q m Q r Q p 數(shù)值很小 可以 忽略不計 因此 日光溫室采暖負(fù)荷 Q h 可以簡寫 為公式 2 Q h Q w Q f Q vs Q vl Q s 2 Q h K j A gj L a c p t i t o Q o A S 1 1 e 3 式中 A S 為溫室內(nèi)接受太陽輻射面積 m 2 為室內(nèi)日照反射率 一般為 0 1 為溫室覆蓋材料對 太陽輻射的透射率 t i 為室內(nèi)氣溫 t o 為室外氣 溫 A gj 為溫室各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積 m 2 K j 為溫室各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù) W m 2 L 為通風(fēng)量 m 3 s a 為空氣密度 W m 2 c p 為 空氣的定壓比熱容 取 1 030 J kg e 為通風(fēng)潛 熱損失與溫室吸收的太陽輻射熱之比 一般取值 1120 張 紀(jì)濤等 基于熱平衡分析的山西省日光溫室氣候區(qū)劃 0 4 0 6 Q o 為地面總輻射 對于不加溫日光溫室 Q h 0 公式 3 可以改 寫成公式 4 K j A gj L a c p t i t o Q o A S 1 1 e 4 室內(nèi)溫度 t i 可以描述為公式 5 t i Q o A S 1 1 e K j A gj L a c p t o 5 對于具體的不加溫溫室 其圍護(hù)結(jié)構(gòu)與通風(fēng)的 散熱系數(shù)為確定值 因此 公式 5 可簡寫為 t i Q o B t o 該式中 B 值反應(yīng)日光溫室結(jié)構(gòu)部分的 綜合散熱系數(shù) 即維持室內(nèi)溫度的能力 是設(shè)計日 光溫室的依據(jù) 該值越低表示日光溫室有更高的保 溫性能 反之亦然 依據(jù)上述分析可以看出 日光溫室室內(nèi)溫度決 定于室外溫度和太陽輻射 以及日光溫室的結(jié)構(gòu) 對 于不加溫日光溫室 B值的大小就決定了日光溫室 內(nèi)部溫度環(huán)境條件 同理 在一定的區(qū)域內(nèi) 要達(dá) 到要求的室內(nèi)溫度 需要調(diào)整日光溫室結(jié)構(gòu)及其參 數(shù)等 因此 B值是最理想的日光溫室氣候區(qū)劃的指 標(biāo) 用以日光溫室區(qū)劃 指導(dǎo)日光溫室的合理建設(shè) 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(qū)的蔬菜生產(chǎn) 問題而出現(xiàn)的 12 1 月為北方地區(qū)最冷的時期 是 限制日光溫室生產(chǎn)最突出的時期 因此 選取 12 月 至次年 1 月的氣象數(shù)據(jù)建立地理分布模型 不同區(qū) 域的氣候要素指標(biāo)的空間變異性分析如表 1 所示 變異系數(shù)越大說明區(qū)域差異也越大 3 1 氣溫數(shù)據(jù)的區(qū)域推算模型 為了更好地描述氣候資源的空間地域特征 參 考文獻(xiàn) 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(jié)果如表 2 所示 Y f h 6 式中 Y 為氣象要素 為經(jīng)度 為緯度 h 為 海拔 為綜合地理殘差 3 2 輻射數(shù)據(jù)的區(qū)域推算模型 山西省只有大同 太原 侯馬 3 個站點(diǎn)的地面 總輻射數(shù)據(jù) 難以直接進(jìn)行插值計算 因此 必須根 據(jù)已有的方法進(jìn)行地面輻射數(shù)據(jù)的推算 然后建立 地理分布模型 依據(jù)文獻(xiàn) 20 22 中的方法 地面總 輻射的推算模型如公式 7 所示 Q o Q a c d S p 7 式中 Q o 為地面總輻射 Q a 為天文總輻射 c d 為系數(shù) S p 為日照百分率 天文總輻射的推算模型 如公式 8 所示 Q a tI 0 0 sin sin cos cos cos 0 8 式中 t 為時間周期 取值為 8 64 10 4 s I 0 為太 陽常數(shù) 取值 1 367 10 3 MJ m 2 s 為日地相對 距離 0 為太陽時角 為太陽赤緯 為緯度 根據(jù)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 表 1 山西省地區(qū)氣候要素特征值的空間變異性分析 均值 22 5 5 0 5 5 56 0 0 9 21 8 變異系數(shù) 22 2 61 6 12 1 12 8 40 0 35 6 范圍 37 4 12 2 13 1 0 6 4 0 6 7 40 7 70 2 0 3 2 0 10 48 要素 極端低溫 平均溫度 日照時數(shù) h 日照百分率 凍土深度 cm 最大積雪深度 cm 代號 T e T a S h S p FD SD 表 2 氣象要素與地理要素之間的關(guān)系 R 2 0 769 0 899 0 833 0 589 0 636 0 831 要素 極端低溫 平均溫度 平均年最低溫度 日照時數(shù) 日照百分率 凍土深度 擬合公式 T e 1 848 0 007h 52 754 T a 1 226 0 005h 44 975 T ae 1 595 0 007h 46 782 S h 0 002h 3 924 S p 1 050 0 018h 77 542 FD 0 048 0 177 0 000 1h 0 681 1121 下轉(zhuǎn)第 1128 頁 山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 7 期 4 山西省日光溫室氣候區(qū)劃 日平均溫度在 15 以上可以進(jìn)行喜溫茄果類 蔬菜的生產(chǎn) 因此 設(shè)定 12 月至次年 1 月份的日光 溫室內(nèi)的平均溫度 t i 為 15 依據(jù)圖 2 的區(qū)劃流 程 按照以下具體步驟完成山西省日光溫室氣候區(qū) 劃 1 基于獲取的 DEM 提取 109 個氣象站點(diǎn)的 地理參數(shù) 經(jīng)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(shù)的地 理分布圖 即山西省日光溫室氣候區(qū)劃圖 區(qū)劃結(jié)果如圖 4 所示 山西省不同區(qū)域綜合散 熱系數(shù) B 值 范圍在 0 21 0 40 MJ m 2 K d 具 有一定的緯度分布規(guī)律 緯度越高 B值越小 依據(jù) B值大小將山西省劃分為 4 個日光溫室氣候區(qū)域 一是北部高寒區(qū) 該區(qū) B 值為 0 21 0 25 MJ m 2 K d 包括大同 朔州及忻州部分地區(qū) 該區(qū)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(qū) 該區(qū) B 值為 0 25 0 30 MJ m 2 K d 包括呂梁 太原 陽泉及晉中的部分地區(qū) 三 是中南低溫區(qū) 該區(qū) B值為 0 30 0 35MJ m 2 K d 包括長治 臨汾大部分區(qū)域及晉中和晉城的部分區(qū) 域 四是南部中溫區(qū) 該區(qū) B 值為 0 35 0 40 MJ m 2 K d 包括運(yùn)城的全部區(qū)域及晉城的部分區(qū) 域 該區(qū)屬于山西省冬季氣溫最高的區(qū)域 對越冬 生產(chǎn)的日光溫室來說要求低于其他 3 個區(qū)域 5 結(jié)論與討論 本研究為日光溫室氣候區(qū)劃提供了新的方法 即采用建立的室內(nèi)溫度預(yù)測模型和氣象數(shù)據(jù)的地 理分布模型 然后借助 ArcGIS 的地圖代數(shù)功能完 成區(qū)劃 該區(qū)劃方法直接從影響日光溫室熱量平衡 的因素入手 區(qū)劃結(jié)果對于直接指導(dǎo)日光溫室的建 設(shè)具有重要意義 本研究選擇了山西 109 個站點(diǎn)的 氣象數(shù)據(jù) 可以為相關(guān)要素地理分布模型的建立提 供足夠數(shù)據(jù)支持 但全省輻射只有 3 個監(jiān)測站點(diǎn) 輻射的地理分布模型還需通過更多的站點(diǎn)和數(shù)據(jù) 建立精準(zhǔn)模型 參考文獻(xiàn) 1 黃川容 楊再強(qiáng) 劉洪 等 北京日光溫室風(fēng)災(zāi)風(fēng)險分析及區(qū)劃 J 自然災(zāi)害學(xué)報 2012 21 3 43 49 2 張玉鑫 王志偉 趙鵬 甘肅省日光溫室蔬菜生產(chǎn)氣候區(qū)劃研究 J 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃 2013 34 6 169 175 3 李海濤 王志偉 趙永強(qiáng) 山西省日光溫室低溫寡照災(zāi)害分析 J 山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016 44 2 212 217 4 胡德奎 張婷華 朱寶文 我國日光溫室氣候適宜性區(qū)劃研究與 展望 J 青海農(nóng)林科技 2017 2 45 50 5 張亞紅 陳青云 中國溫室氣候區(qū)劃及評述 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2006 22 11 197 202 6 李春 柳芳 黎貞發(fā) 等 環(huán)渤海地區(qū)節(jié)能型日光溫室生產(chǎn)的氣 候資源分析 J 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃 2009 30 2 50 53 7 陳友根 王東良 呂國華 等 多因素模糊綜合評判日光溫室在 新疆分布區(qū)劃中的應(yīng)用 J 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2004 31 2 246 249 8 趙子征 彭高軍 辛本勝 我國西北地區(qū)節(jié)能型日光溫室蔬菜生 產(chǎn)氣候區(qū)劃 J 農(nóng)機(jī)化研究 2006 5 50 53 9 魏瑞江 趙春雷 基于 GIS的河北省果菜日光溫室最佳發(fā)展區(qū) 域的確定 J 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃 2009 26 1 35 38 10 張明潔 趙艷霞 日光溫室氣候適宜性區(qū)劃 J 中國農(nóng)業(yè)資源 與區(qū)劃 2012 33 5 40 48 11 張明潔 趙艷霞 北方地區(qū)日光溫室氣候適宜性區(qū)劃方法 J 應(yīng)用氣象學(xué)報 2013 24 3 278 286 12 姚益平 蘇高利 羅衛(wèi)紅 等 基于光熱資源的中國溫室氣候區(qū) 劃與能耗估算系統(tǒng)建立 J 中國農(nóng)業(yè)科學(xué) 2011 44 5 898 908 1122 上接第 1122 頁 13 馬成芝 孫立德 穆春華 喀左日光溫室內(nèi)氣溫變化規(guī)律及其 應(yīng)用 J 氣象與環(huán)境學(xué)報 2007 5 49 52 14 吳長春 我國蔬菜設(shè)施栽培的氣候分析和區(qū)劃研究 D 合肥 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 2009 15 農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司 日光溫室發(fā)展的適宜地區(qū)及優(yōu)型結(jié)構(gòu) 參數(shù) J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 2014 9 18 19 16 張亞紅 陳青云 中國大陸園藝設(shè)施氣候區(qū)劃方法研究 J 農(nóng) 業(yè)科學(xué)研究 2005 26 4 1 6 17 馬承偉 苗香雯 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程 M 北京 中國農(nóng)業(yè)出版 社 2010 18 李文華 云南省山區(qū)氣溫的空間插值研究 J 測繪與空間地理 信息 2010 33 3 18 21 25 19 王麗 王培法 劉愛利 基于 DEM的江蘇氣溫空間插值研究 J 南京信息工程大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 2015 7 1 79 85 20 程炳巖 孫衛(wèi)國 孫仕強(qiáng) 等 重慶地區(qū)太陽總輻射的氣候?qū)W計 算方法研究 J 西南大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 2011 9 94 104 21 譚文 古書鴻 廖留峰 等 貴州省分月太陽輻射參數(shù)模型計算 J 氣象科技 2018 46 2 316 323 22 中國氣象局 太陽能資源評估方法 QX T89 2008 S 北京 氣象出版社 2008 責(zé)任編輯 李素娟 山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 7 期 在書中對龍虱的寄主進(jìn)行了介紹 但是龍虱均 為肉食性昆蟲 均以水生動物為食 參考文獻(xiàn) 1 NILSSONAN Dytiscidae Coleoptera M World catalogue of in sects Vol 3 Stenstrup ApolloBooks 2001 2 LARSON D J ALARIE Y ROUGHLEY R E Predaceous diving beetles Coleoptera Dytiscidae of the Nearctic Region with em phasis on the fauna ofCanada and Alaska M Canada Ottawa NRC Research Press 2000 3 J魧CH MA BALKE M Key to adults of Chinese water beetle fami lies 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