基于气象因素的日光温室蓄放热研究

摘要 为探索寿光各代日光温室引进喀什地区后蓄热保温性能降低的原因，以气象学土壤热量收支平衡理论为依据，对2000—2020年越冬季潍坊市和喀什市的气象因素进行对比。结果表明，喀什市平均日照时数、地面接收到的太阳辐射强度分别为潍坊市的92.94%、91.55%～94.77%。喀什市白天最高气温比潍坊市最高气温低3.79 ℃；喀什市夜间最低气温比潍坊市最低气温低3.50 ℃，日光温室夜间放热量多。喀什市日光温室蓄放热更容易失去平衡，温室温度降低；外地引进寿光各代日光温室后，要对采光面倾斜程度、温室跨度、温室保温被厚度等进行调整，以适应引进地区的气象条件。

关键词 气象因素；日光温室；蓄放热；平衡

中图分类号 S 625.1  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）07-0196-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.045

Study on the Heat Absorption and Release in Solar Greenhouse Based on the Meteorological Factors

ZHANG Chuan-kun1，2， LI Feng-jing3， LI Guang2 et al

（1. Institute of Vegetables， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan， Shandong 250100;2.Bureau of Agriculture and Rural Affairs in Kashgar of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Kashgar， Xinjiang 844000;3.Meteorological Bureau in Kashgar of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Kashgar， Xinjiang 844000）

Abstract In order to explore the reasons for the reduction of heat storage and insulation performance of each generation of Shouguang solar greenhouses after being introduced in Kashgar region， based on the theory of soil heat absorption and release balance in meteorology， the meteorological factors of Weifang City and Kashgar City in the wintering season during 2000-2020 were compared. The results showed the average sunshine hours and the solar radiation intensity received in ground in Kashgar City were 92.94% and 91.55%-94.77% of those indices in Weifang City respectively. The maximum air temperature in Kashgar City was 3.79 ℃ lower than that in Weifang City. The minimum temperature at night in Kashgar City was 3.50 ℃ lower than that in Weifang City， heat volume released from solar greenhouse at night was more in Kashgar City than that in Weifang City. The solar greenhouse in Kashgar City was easier to lose balance between heat absorption and heat release， and the greenhouse temperature decreased. After each generation of Shouguang solar greenhouses was introduced into other places， the slope of lighting surface， the thickness of greenhouse insulation quilt should be adjusted to adapt the meteorological conditions of the introduced region.

Key words Meteorologic factors;Solar greenhouse;Heat absorption and release;Balance

基金项目 山东省援疆资金资助项目。

作者简介 张传坤（1972—），男，山东临朐人，研究员，博士，从事设施工程与环境调控研究。

收稿日期 2022-05-09；修回日期 2022-06-10

日光温室是在生产实践中不断发展完善起来的一种栽培模式，依靠其特有的棚型结构和保温性能，实现了喜温果菜的越冬生产，在我国北方地区得到大面积推广［1-3］，为北方地区越冬季蔬菜供应发挥了重要作用。在众多棚型结构中，以山东寿光各代日光温室［4-6］为代表的棚型结构被许多地区引进，在北方地区得到大面积应用。自1990年以来，喀什地区引进寿光各代日光温室，但引进的寿光各代日光温室在喀什地区表现一般，越冬季蓄热保温性能低下，夜间气温普遍较低，喜温果菜很难进行越冬季生产。为此，探索寿光各代日光温室引进喀什地区后温度水平降低的原因，不仅能够有针对性地加以改进，而且会对喀什地区的设施蔬菜产业发展产生深远影响。研究表明，后墙和土壤作为日光温室的热源［7］，其温度高低直接影响温室夜间空气温度的高低［8］。热源蓄热是被动蓄热［9-12］，其蓄热量与太阳辐射密切相关。考虑到一天之内太阳辐射强度的规律性变化，日照时间越长，热源蓄热量越多；热源放热同样也是被动放热［13］，其放热量受到外界低温的影响，外界温度越低，热源放热量越多。由此可见，日光温室热源的蓄热、放热受到所在地区白天日照和夜间低温的影响。热源蓄热量与放热量之间的关系也就是温室所在地区白天日照与夜间低温之间的关系，已有研究也给出了明确答案：根据非稳态导热［14-16］温度与热量转化的基础模型［17］，热源白天蓄热量大于夜间放热量时，热源温度水平提高，反之，热源温度水平降低。因此，日光温室温度水平取决于白天蓄热量与夜间放热量之间的关系，与引进地区白天日照和夜间低温密切相关。笔者对越冬季潍坊市和喀什市日照时数、地面接收到的太阳幅射强度、最高气温、最低气温进行对比研究，分析两地日光温室蓄热量与放热量之间的差异，探索寿光各代日光温室引进喀什地区后蓄热保温性能降低的原因，以期为不同地区日光温室引进后的结构调整提供理论依据。

1 材料与方法

2000—2020年喀什市与潍坊市越冬季的日照时数、最高气温、最低气温数据来源于国家气象科学数据中心。

越冬季指的是每年12月到次年1月；最高气温指的是一天24 h内的最高气温；最低气温指的是一天24 h内的最低气温。

1.1 喀什市与潍坊市日光温室白天蓄热的对比

对日照时数、地面接收到的太阳幅射强度、最高气温3个指标进行对比。

①计算2000—2020年每个越冬季喀什市和潍坊市日照时数的均值、整个越冬季的均值，并进行对比。

②根据喀什市、潍坊市的纬度，计算出冬至日两地太阳高度角，以此高度角进行计算，对冬至日两地地面接收到的太阳辐射强度进行对比，然后对越冬季两地地面接收到的太阳辐射强度进行对比。

③计算2000—2020年每个越冬季喀什市和潍坊市最高气温的均值、整个越冬季的均值，然后对比日光温室白天热量的变化。

1.2 喀什市与潍坊市日光温室夜间放热的对比

计算2000—2020年每个越冬季喀什市、潍坊市最低气温的均值、整个越冬季的均值，并进行对比。

2 结果与分析

2.1 越冬季喀什市与潍坊市气象因素的对比分析

2.1.1 喀什市与潍坊市日照时数对比。

2000—2020年越冬季喀什市和潍坊市平均日照时数如图1所示。

从图1可以看出，不同越冬季喀什市的平均日照时数不同，潍坊市的平均日照时数也不同。同一越冬季喀什市的平均日照时数与潍坊市的平均日照时数也不同，有些越冬季喀什市的平均日照时数比潍坊市的平均日照时数要长，比如2000年越冬季、2006年越冬季等；有些越冬季喀什市的平均日照时数比潍坊市的平均日照时数要短，比如2005年越冬季、2008年越冬季等。造成不同年份喀什市、潍坊市日照时数不同，同一年份喀什市与潍坊市日照时数也存在差别的原因可能是由于不同年份、不同地区的云层、尘埃随太阳辐射的反射不同，导致大气透明程度不同造成的［18］。

2000—2020年越冬季喀什市平均日照时数的均值为4.87 h，2000—2020年越冬季潍坊市平均日照时数的均值为5.24 h，喀什市平均日照时数是潍坊市平均日照时数的92.94%。以上结果表明2000—2020年越冬季喀什市的平均日照时数比潍坊市的平均日照时数短，这可能是由于越冬季喀什地区的浮尘天气较多所致。

2.1.2 喀什市和潍坊市地面接收到的太阳辐射强度对比。

太阳高度角与地面太阳辐射强度的关系如图2所示。

从图2可以看出，太阳辐射强度（ac）到达地面后，受太阳高度角α的影响，地面接收到的太阳辐射强度（bc）发生变化，二者之间的关系可用下式表达：

bc×sinα=ac（1）

受地球围绕太阳公转的影响，同一地区不同日期的太阳高度角会发生变化。由于喀什市纬度比潍坊市纬度高2.76°，所以越冬季潍坊市太阳高度角始终大于喀什市太阳高度角2.76°，越冬季喀什市地面接收到的太阳辐射强度始终小于潍坊市地面接收到的太阳辐射强度。

从太阳赤纬的周年变化曲线［18］可以看出，越冬季太阳直射纬度为-23.26°～-10.00°，喀什市太阳高度角的最小值、最大值分别为27.27°和40.53°，潍坊市太阳高度角的最小值、最大值分别为30.03°和43.29°。

越冬季喀什市地面接收到的太阳辐射强度与潍坊市地面接收到的太阳辐射强度比值分别用下式计算：

sin27.27°/sin30.03°×100%=91.55%（2）

sin40.53°/sin43.29°×100%=94.77%（3）

2.1.3 喀什市和潍坊市最高气温、最低气温对比。

2000—2020年越冬季喀什市和潍坊市最高气温、最低气温如图3所示。从图3可以看出，2000—2020年越冬季喀什市、潍坊市最高气温不断变化，除了2009年越冬季、2012年越冬季喀什市与潍坊市最高气温比较接近外，其余越冬季喀什市最高气温均低于潍坊市越冬季最高气温。这可能是由于越冬季潍坊市的平均日照时数比喀什市的平均日照时数长（图1），且潍坊市地面接收到的太阳辐射强度大于喀什市地面接收到的太阳辐射强度。

从图3可以看出，除了2003年越冬季、2009年越冬季喀什市与潍坊市最低气温比较接近外，其余越冬季喀什市越冬季最低气温均低于潍坊市越冬季的最低气温。这可能是由于一方面越冬季喀什市白天地面接收到的太阳辐射较少，气温本来就低于潍坊市气温；另一方面，喀什市海拔在1 298 m左右，而潍坊市的海拔在30 m左右，由于地面大气层气温随着海拔高度的增加而逐渐降低，夜间喀什市气温比潍坊市的气温更低。

2000—2020年越冬季潍坊市最低气温和最高气温的均值分别为-4.81和4.61 ℃，气温变化区间为-4.81～4.61 ℃；喀什市最低气温和最高气温的均值分别为-8.31和0.82 ℃，气温变化区间为-8.31～0.82 ℃。根据气象学下垫面土壤热量收支平衡可知，这可能是由于潍坊市和喀什市所处的纬度不同、海拔高度不同，导致两地下垫面土壤热量收支存在差别，进而造成下垫面土壤蓄放热失衡程度不同。

2.2 喀什市和潍坊市越冬季气象因素对日光温室蓄放热的影响

2.2.1 喀什市和潍坊市越冬季气象因素对日光温室白天蓄热的影响。

日照时间短使得喀什市日光温室蓄热时间短，进而导致温室热源白天蓄热量少；太阳高度角小造成太阳光线透过率低、太阳辐射强度低，进而造成温室热源白天蓄热量少；最高气温低，可能造成白天采光面塑料薄膜两侧空气温差较大，从温室内部向温室外释放出的热量较多，从而导致温室热源蓄积的热量较少。由此可见，对于相同结构的日光温室，喀什市白天蓄积的热量少于潍坊市白天蓄积的热量。