基于热平衡分析的山西省日光温室气候区划.pdf

山 西农业科学 2020 48 7 1119 1122 1128 Journal of Shanxi Agricultural Sciences 基于热平衡分析的山西省日光温室气候区划 张纪涛 1 2 闫万丽 1 2 史向远 1 2 李永平 1 2 王秀红 1 2 张晓晨 1 2 1 山西农业大学山西有机旱作农业研究院 山西 太原 030031 2 山西省农业科学院现代农业研究中心 山西 太原 030031 摘 要 为探索合理的日光温室气候区划方法 以指导日光温室合理建设和生产布局 研究基于日光温室热平衡 方程 提取出日光温室综合散热特征系数 并以山西省 109 个站点多年的气象数据为基础 通过多元回归的方法 建立了气象因子的地理分布模型 然后借助 ArcGIS完成了山西省日光温室气候区划 结果表明 山西省日光温室 综合散热系数为 0 21 0 40 MJ m 2 K d 依据该值将山西省分为北部高寒区 中部寒冷区 中南低温区 南部中 温区等 4 个日光温室气候区 北部高寒区的日光温室综合散热特征系数较小 要求日光温室具有良好的保温性能 以减少辐射得热的散失 随数值的增加 保温性的要求逐渐降低 研究可为日光温室气候区划提供新的方法 完成 山西省日光温室气候区划 对指导山西省日光温室的建设和产业健康发展具有重要意义 关键词 日光温室 气候区划 热量平衡 山西省 中图分类号 S626 5 文献标识码 A 文章编号 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 zonings 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 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 perance to reduce heat loss from solar radiation the heat preservation requirements graduallyreduces with the increase ofthe coefficient This studyprovides a new 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 基金项目 山西省重点研发计划 一般 项目 201603D221036 2 山西省农业科学院科研创新团队培育专项 YGC2019TD07 山西省农业科 学院雁门关农牧交错带专项 YCX2017D2110 作者简介 张纪涛 1986 男 河北河间人 助理研究员 硕士 主要从事温室工程与园艺栽培研究工作 doi 10 3969 j issn 1002 2481 2020 07 28 日光温室是我国特有的温室结构形式 是北方 地区进行越冬生产的主要农业设施 近 20 a 来已成 为农业种植业中效益最高的产业 1 日光温室生产 有较强的地域性 不同区域气候决定了不同的日光 温室的结构形式 栽培方式以及茬口安排等 2 3 因 此 日光温室建设气候区划对于日光温室的合理布 局与指导生产具有重要意义 关于日光温室气候区 划的研究报道已有很多 基于 GIS的区划方法 综 合因子法与主导指标法 系统聚类方法 模糊评价 方法 主成分分析法 判别分析法以及基于模型预 测分析方法均被用于区划研究中 1 14 对促进日光 温室合理建设具有重要作用 冬季的光照 温度等是影响日光温室生产的主 要因素 15 16 不加温日光温室室内温度环境取决于 1119 山 西农业科学 2020 年第 48 卷第 7 期 本身的结构特征和室外气象条件 而地域的气象特 征与地理要素具有很强的相关性 因此 可以建立 起日光温室室内温度与地理要素之间的关系模型 ArcGIS 中的 地图代数 是一种简单而强大的代数 语言 利用它可以操作所有 Spatial Analyst 工具 运 算符及函数以执行各种地理分析 因此 可以将建 立的基于地理要素的日光温室内温度模型 借助 ArcGIS的地图代数功能完成区划图 为探索合理的日光温室气候区划方法 本研究 基于日光温室热平衡方程 提取了适宜的日光温室 气候区划指标 并完成了山西省日光温室建设气候 区划 为日光温室合理建设 合理生产布局提供依据 1 资料来源与区划流程 1 1 资料来源与数据处理方法 采用 1981 2011 年间 12 1 月份的山西 109 个 站点的近 10 a 或 30 a 的地域气象资料 数据来源 于山西省气象信息中心 中国气象信息中心 山西省 90 m分辨率 DEM来源于 SRTM Shuttle Radar To pography Mission 网址为 http srtm csi cgiar org 如图 1 所示 使用 Excel 2003 进行数据整理 SPSS20 0 进行 数据模型拟合 ArcGIS10 进行地理区划图的绘制 1 2 区划流程 基于日光温室内部热环境与室外环境条件的 关系和室外环境条件与地理要素的关系 通过 3 个 步骤完成日光温室气候区划 第一 基于日光温室 热平衡方程 分析日光温室内部气温与室外气象的 相关关系 进而提取合理的气候区划指标 第二 建 立相关气象要素的地理分布模型 第三 基于 Ar cGIS完成气候区划图 区划流程如图 2 所示 2 日光温室内气温与结构及室外气 象要素关系分析 日光温室的热平衡方程 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 为室内太阳辐射得热 Q m 为设备发热 量 Q h 为补充的供热量 温室采暖系统热负荷 Q r 为作物 土壤等呼吸放热量 Q w 为通过围护结构散 失的热量 Q f 为地中传热量 Q vs Q vl 分别为通风排 出的显热量和潜热量 Q p 为植物光合作用吸热 一 般情况下 日光温室中的 Q m Q r Q p 数值很小 可以 忽略不计 因此 日光温室采暖负荷 Q h 可以简写 为公式 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 为温室内接受太阳辐射面积 m 2 为室内日照反射率 一般为 0 1 为温室覆盖材料对 太阳辐射的透射率 t i 为室内气温 t o 为室外气 温 A gj 为温室各部分围护结构的面积 m 2 K j 为温室各部分围护结构的传热系数 W m 2 L 为通风量 m 3 s a 为空气密度 W m 2 c p 为 空气的定压比热容 取 1 030 J kg e 为通风潜 热损失与温室吸收的太阳辐射热之比 一般取值 1120 张 纪涛等 基于热平衡分析的山西省日光温室气候区划 0 4 0 6 Q o 为地面总辐射 对于不加温日光温室 Q h 0 公式 3 可以改 写成公式 4 K j A gj L a c p t i t o Q o A S 1 1 e 4 室内温度 t i 可以描述为公式 5 t i Q o A S 1 1 e K j A gj L a c p t o 5 对于具体的不加温温室 其围护结构与通风的 散热系数为确定值 因此 公式 5 可简写为 t i Q o B t o 该式中 B 值反应日光温室结构部分的 综合散热系数 即维持室内温度的能力 是设计日 光温室的依据 该值越低表示日光温室有更高的保 温性能 反之亦然 依据上述分析可以看出 日光温室室内温度决 定于室外温度和太阳辐射 以及日光温室的结构 对 于不加温日光温室 B值的大小就决定了日光温室 内部温度环境条件 同理 在一定的区域内 要达 到要求的室内温度 需要调整日光温室结构及其参 数等 因此 B值是最理想的日光温室气候区划的指 标 用以日光温室区划 指导日光温室的合理建设 3 山西省气象要素的地理分布模型 日光温室是为解决冬季寒冷地区的蔬菜生产 问题而出现的 12 1 月为北方地区最冷的时期 是 限制日光温室生产最突出的时期 因此 选取 12 月 至次年 1 月的气象数据建立地理分布模型 不同区 域的气候要素指标的空间变异性分析如表 1 所示 变异系数越大说明区域差异也越大 3 1 气温数据的区域推算模型 为了更好地描述气候资源的空间地域特征 参 考文献 18 19 中的方法建立气象要素的多元回归 插值模型 公式 6 结果如表 2 所示 Y f h 6 式中 Y 为气象要素 为经度 为纬度 h 为 海拔 为综合地理残差 3 2 辐射数据的区域推算模型 山西省只有大同 太原 侯马 3 个站点的地面 总辐射数据 难以直接进行插值计算 因此 必须根 据已有的方法进行地面辐射数据的推算 然后建立 地理分布模型 依据文献 20 22 中的方法 地面总 辐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 为地面总辐射 Q a 为天文总辐射 c d 为系数 S p 为日照百分率 天文总辐射的推算模型 如公式 8 所示 Q a tI 0 0 sin sin cos cos cos 0 8 式中 t 为时间周期 取值为 8 64 10 4 s I 0 为太 阳常数 取值 1 367 10 3 MJ m 2 s 为日地相对 距离 0 为太阳时角 为太阳赤纬 为纬度 根据上述方法 山西省 12 1 月份的平均地面 日总辐射量的地理分布如图 3 所示 表 1 山西省地区气候要素特征值的空间变异性分析 均值 22 5 5 0 5 5 56 0 0 9 21 8 变异系数 22 2 61 6 12 1 12 8 40 0 35 6 范围 37 4 12 2 13 1 0 6 4 0 6 7 40 7 70 2 0 3 2 0 10 48 要素 极端低温 平均温度 日照时数 h 日照百分率 冻土深度 cm 最大积雪深度 cm 代号 T e T a S h S p FD SD 表 2 气象要素与地理要素之间的关系 R 2 0 769 0 899 0 833 0 589 0 636 0 831 要素 极端低温 平均温度 平均年最低温度 日照时数 日照百分率 冻土深度 拟合公式 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 下转第 1128 页 山西农业科学 2020 年第 48 卷第 7 期 4 山西省日光温室气候区划 日平均温度在 15 以上可以进行喜温茄果类 蔬菜的生产 因此 设定 12 月至次年 1 月份的日光 温室内的平均温度 t i 为 15 依据图 2 的区划流 程 按照以下具体步骤完成山西省日光温室气候区 划 1 基于获取的 DEM 提取 109 个气象站点的 地理参数 经纬度 海拔等 2 完成山西省 12 月 至次年 1 月份的平均温度的地理分布图 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 图 4 完成山西省 12 月至次年 1 月份的天文辐射 的地理分布图 5 完成山西省 12 月至次年 1 月份 的地面总辐射的地理分布图 6 完成山西省 12 月 至次年 1 月份的日光温室综合散热特征系数的地 理分布图 即山西省日光温室气候区划图 区划结果如图 4 所示 山西省不同区域综合散 热系数 B 值 范围在 0 21 0 40 MJ m 2 K d 具 有一定的纬度分布规律 纬度越高 B值越小 依据 B值大小将山西省划分为 4 个日光温室气候区域 一是北部高寒区 该区 B 值为 0 21 0 25 MJ m 2 K d 包括大同 朔州及忻州部分地区 该区纬度 高 冬季气温低 温室要求有良好的蓄热保温性能 二是中部寒冷区 该区 B 值为 0 25 0 30 MJ m 2 K d 包括吕梁 太原 阳泉及晋中的部分地区 三 是中南低温区 该区 B值为 0 30 0 35MJ m 2 K d 包括长治 临汾大部分区域及晋中和晋城的部分区 域 四是南部中温区 该区 B 值为 0 35 0 40 MJ m 2 K d 包括运城的全部区域及晋城的部分区 域 该区属于山西省冬季气温最高的区域 对越冬 生产的日光温室来说要求低于其他 3 个区域 5 结论与讨论 本研究为日光温室气候区划提供了新的方法 即采用建立的室内温度预测模型和气象数据的地 理分布模型 然后借助 ArcGIS 的地图代数功能完 成区划 该区划方法直接从影响日光温室热量平衡 的因素入手 区划结果对于直接指导日光温室的建 设具有重要意义 本研究选择了山西 109 个站点的 气象数据 可以为相关要素地理分布模型的建立提 供足够数据支持 但全省辐射只有 3 个监测站点 辐射的地理分布模型还需通过更多的站点和数据 建立精准模型 参考文献 1 黄川容 杨再强 刘洪 等 北京日光温室风灾风险分析及区划 J 自然灾害学报 2012 21 3 43 49 2 张玉鑫 王志伟 赵鹏 甘肃省日光温室蔬菜生产气候区划研究 J 中国农业资源与区划 2013 34 6 169 175 3 李海涛 王志伟 赵永强 山西省日光温室低温寡照灾害分析 J 山西农业科学 2016 44 2 212 217 4 胡德奎 张婷华 朱宝文 我国日光温室气候适宜性区划研究与 展望 J 青海农林科技 2017 2 45 50 5 张亚红 陈青云 中国温室气候区划及评述 J 农业工程学报 2006 22 11 197 202 6 李春 柳芳 黎贞发 等 环渤海地区节能型日光温室生产的气 候资源分析 J 中国农业资源与区划 2009 30 2 50 53 7 陈友根 王东良 吕国华 等 多因素模糊综合评判日光温室在 新疆分布区划中的应用 J 安徽农业大学学报 2004 31 2 246 249 8 赵子征 彭高军 辛本胜 我国西北地区节能型日光温室蔬菜生 产气候区划 J 农机化研究 2006 5 50 53 9 魏瑞江 赵春雷 基于 GIS的河北省果菜日光温室最佳发展区 域的确定 J 中国农业资源与区划 2009 26 1 35 38 10 张明洁 赵艳霞 日光温室气候适宜性区划 J 中国农业资源 与区划 2012 33 5 40 48 11 张明洁 赵艳霞 北方地区日光温室气候适宜性区划方法 J 应用气象学报 2013 24 3 278 286 12 姚益平 苏高利 罗卫红 等 基于光热资源的中国温室气候区 划与能耗估算系统建立 J 中国农业科学 2011 44 5 898 908 1122 上接第 1122 页 13 马成芝 孙立德 穆春华 喀左日光温室内气温变化规律及其 应用 J 气象与环境学报 2007 5 49 52 14 吴长春 我国蔬菜设施栽培的气候分析和区划研究 D 合肥 安徽农业大学 2009 15 农业部种植业管理司 日光温室发展的适宜地区及优型结构 参数 J 农业工程技术 温室园艺 2014 9 18 19 16 张亚红 陈青云 中国大陆园艺设施气候区划方法研究 J 农 业科学研究 2005 26 4 1 6 17 马承伟 苗香雯 农业生物环境工程 M 北京 中国农业出版 社 2010 18 李文华 云南省山区气温的空间插值研究 J 测绘与空间地理 信息 2010 33 3 18 21 25 19 王丽 王培法 刘爱利 基于 DEM的江苏气温空间插值研究 J 南京信息工程大学学报 自然科学版 2015 7 1 79 85 20 程炳岩 孙卫国 孙仕强 等 重庆地区太阳总辐射的气候学计 算方法研究 J 西南大学学报 自然科学版 2011 9 94 104 21 谭文 古书鸿 廖留峰 等 贵州省分月太阳辐射参数模型计算 J 气象科技 2018 46 2 316 323 22 中国气象局 太阳能资源评估方法 QX T89 2008 S 北京 气象出版社 2008 责任编辑 李素娟 山西农业科学 2020 年第 48 卷第 7 期 在书中对龙虱的寄主进行了介绍 但是龙虱均 为肉食性昆虫 均以水生动物为食 参考文献 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 Coleoptera J Water Beetles ofChina 2003 3 21 36 4 NILSSONAN Noteridae and Dytiscidae Annotated check list ofthe Noteridae and Dytiscidae ofChina Coleoptera J Water Beetles of China 1995 1 35 96 5 石福明 王建军 历山昆虫与蛛形动物 M 北京 科学出版社 2018 6 王瑞 周运宁 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