2020, Vol. 40
2. 中国气象局气象干部培训学院，北京 100081;
3. 山东省农业科学院作物研究所，山东 济南 250100;
4. 山东省气候中心，山东 济南 250031
2. China Meteorological Administration Training Center, Beijing 100081, China;
3. Crop Research Institute, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100, China;
4. Shandong Climate Center, Jinan 250031, China
在我国大力推进现代农业发展背景下，设施农业已成为主要的生产方式[1]，在提高农民收入的同时也极大地丰富了人们的菜篮子[2]。山东省是我国设施农业生产的主要基地之一，在保障北方蔬菜供应、农民增收等方面起到了重要作用[3]。
山东设施农业多以非加温型日光温室为主，受外界气象条件影响较大，抵御不利气象条件能力较弱[4-5]。连阴天是设施农业生产中遇到的主要灾害性天气之一，一般会导致设施内光照和蓄热不足[6-7]，造成作物光合能力下降、生长发育受阻及产量下降和品质降低等[8-11]，在气候变化加剧、极端气候事件频发的背景下，问题显得更加突出。因此，研究连阴天变化规律及其影响对设施农业生产管理具有重要意义。
前人关于连阴天的研究更多侧重于其对设施小气候变化特征[12]、设施内外温度的关系[13]、设施番茄[3]和黄瓜[14]等作物光合特性及活性酶的影响[15-16]等方面，而针对连阴天时空分布和变化特征的研究主要集中在河南[6]和江苏[17]等地，作为设施农业生产主要区域的山东尚未见报道。因此，本文选取山东设施农业生产季(当年10月至次年4月，下同)作为研究时段，拟通过分析1961—2018年连阴天发生次数和发生天数的时空分布和变化特征及不同程度连阴天对设施内气温条件的影响，以期为有关部门研究设施农业种植布局和指导设施农业生产及防灾减灾提供理论依据。
1 资料来源与研究方法 1.1 资料来源数据来源于山东省气象信息中心。为保证数据的连续性和有效性，本文将不连续年份较多或日值数据缺测较多的站点剔除，最终保留了山东全省123个国家级气象观测站(以下简称“观测站”)中59个观测站(站点分布见图 1)1961—2018年逐日日照时数和32个设施农业小气候观测站2008—2018年逐日气温资料(包括逐日平均气温、最高气温和最低气温)作为最终研究资料。文中设施农业小气候观测建站所选日光温室基本架构(棚型)比较一致(东西长度60~100 m，南北跨度10~12 m，脊高2~4 m)。
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图 1 站点分布图 Fig.1 Distribution of used meteorological stations and microclimate meteorological stations for facility agriculture in Shandong |
在设施农业生产中，当日照时数≤3 h时，设施内温度将会不能满足作物生长发育需要；当连续出现3 d日照时数≤3 h时，作物生长速度会减慢，严重时会出现落花、落果等现象，从而受灾[8]。因此本文选取连续3 d及以上日照时数≤3 h作为一次连阴天灾害性天气过程的发生指标，过程持续的天数为连阴天数。
1.2.2 数据处理根据连阴天灾害性天气过程发生指标，统计分析设施农业生产季59个观测站1961—2018年连阴天灾害性天气过程的发生次数和连阴天数(当年10—12月算在次年进行统计分析)，分析其时空变化规律，并研究不同季节、不同持续连阴天时设施内平均气温、最低气温和最高气温的变化情况。利用线性回归法分析研究要素时间序列变化趋势[18-19]，利用Mann-Kendall(M-K)突变检验法进行研究要素突变分析[20-21]，且结合累积距平法确定真实突变点[22-24]，利用反距离权重插值方法对研究要素进行空间插值[25]。研究要素突变分析利用Matlab实现，变化趋势显著性检验利用SPSS实现，空间分析利用ArcGIS实现。
2 结果与分析 2.1 连阴天时间分布与变化规律统计分析59个观测站年总发生次数(年总发生次数为该年59个站年发生次数的总和)得出，1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天平均每年总发生次数为285次，最大值发生在2001年，为444次，最小值发生在1995年，为52次。由图 2可以看出，过去58 a，山东省设施农业生产季连阴天年总发生次数呈增加趋势变化，平均每年约增加1.7次。
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图 2 1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年总发生次数变化趋势 Fig.2 Change trend of annual total times of continuous overcast skies in the production season of facility agriculture in Shandong Province from 1961 to 2018 |
给定显著性水平为0.05(对应的临界值线等于±1.96)情况下，由M-K突变检验(图 3)显示，1961—1995年山东省设施农业生产季连阴天年总发生次数以减少趋势为主，1995—2018年以增加趋势为主，UF、UB曲线在临界区间内有1998、1999、2000、2003、2004、2005年多个交点，且相交后的UF曲线在2015年超过了临界值线，故认为1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年总发生次数突变特征通过α=0.05的显著性检验。由于UF、UB两条曲线有多个交点，因此结合累积距平法综合判断其真实突变点，由图 4可以看出，累积距平在1999年前波动增加，至1999年达到峰值，然后总体呈减小趋势，故认为1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年总发生次数在1999年出现了递增突变。
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图 3 1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年总发生次数M-K突变检验 Fig.3 Mann-Kendall mutation test of annual total times of continuous overcast skies in the production season of facility agriculture in Shandong Province from 1961 to 2018 |
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图 4 1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年总发生次数累积距平 Fig.4 Cumulative anomaly of annual total times of continuous overcast skies in the production season of facility agriculture in Shandong Province from 1961 to 2018 |
统计分析59个观测站年总连阴天数(年总连阴天数为该年59个站年连阴天数的总和)得出，1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天平均每年总连阴天数为1 191 d，最大值发生在2007年，为2 168 d，最小值发生在1995年，为171 d。由图 5可以看出，过去58 a，山东省设施农业生产季连阴天年总连阴天数呈增加趋势变化，平均每年约增加6.5 d。
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图 5 1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年总连阴天数变化趋势 Fig.5 Change trend of annual total days of continuous overcast skies in the production season of facility agriculture in Shandong Province from 1961 to 2018 |
给定显著性水平为0.05(对应的临界值线等于±1.96)情况下，由M-K突变检验(图 6)显示，1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年总连阴天数的UF、UB曲线有多个交点，但相交后的UF、UB曲线均未超过临界值线，故认为1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年总连阴天数未出现明显突变。
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图 6 1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年总连阴天数M-K突变检验 Fig.6 Mann-Kendall mutation test of annual total days of continuous overcast skies in the production season of facility agriculture in Shandong Province from 1961 to 2018 |
统计分析59个观测站月总发生次数(月总发生次数为该月59个站过去58 a发生次数的总和)和总连阴天数(月总连阴天数为该月59个站过去58 a连阴天数的总和)(图 7)得出，1961—2018年山东省设施农业生产季内连阴天月总发生次数和总连阴天数均呈先增加后减少趋势变化，12月连阴天总发生次数和总连阴天数均最多为3 182次和13 784 d，4月连阴天总发生次数和总连阴天数均最少为1 248次和4 358 d，总发生次数和总连阴天数从多到少均依次为12月、11月、1月、2月、10月、3月和4月。
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图 7 1961—2018年山东省设施农业生产季内连阴天月总发生次数和总连阴天数 Fig.7 Monthly total times and days of continuous overcast skies in the production season of facility agriculture in Shandong Province from 1961 to 2018 |
空间上，由过去58 a单站总发生次数统计结果(图 8)来看，1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天总发生次数由“东北”向“西南”逐渐增加，最大值位于菏泽大部地区及聊城和济宁部分地区，总发生次数超过400次，最小值位于烟台和威海局部地区，总发生次数不足150次。
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图 8 1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天总发生次数空间分布 Fig.8 Spatial distribution of total times of continuous overcast skies in the production season of facility agriculture in Shandong Province from 1961 to 2018 |
由过去58 a单站年发生次数变化趋势统计结果(图 9)来看，1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年发生次数全省几乎均呈增加趋势变化，增加最多地区位于聊城部分地区及德州、济南和济宁局部地区，年发生次数增加超过0.06次·a-1，其中聊城部分地区超过0.09次·a-1。变化趋势显著性检验结果表明，59个观测站中有15个站点通过0.05显著性检验，分别是聊城、冠县、阳谷、茌平、济南、高唐、滨州、郯城、莒县、宁津、莘县、济宁、博兴、淄博和曹县等站点，其中，聊城、冠县、阳谷、茌平、济南、高唐、滨州等7个站点通过0.01极显著检验。
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图 9 1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年总发生次数空间变化趋势 Fig.9 Spatial distribution of trend of annual total times of continuous overcast skies in the production season of facility agriculture in Shandong Province from 1961 to 2018 |
空间上，由过去58 a总连阴天数统计结果(图 10)来看，1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天总连阴天数由“东北”向“西南”逐渐增加，最大值位于菏泽地区及聊城、济宁、济南和临沂部分地区，总连阴天数超过1 700 d，最小值位于烟台和威海地区及青岛部分和东营局部地区，总连阴天数不足800 d。
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图 10 1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天总连阴天数空间分布 Fig.10 Spatial distribution of total days of continuous overcast skies in the production season of facility agriculture in Shandong Province from 1961 to 2018 |
由过去58 a单站年连阴天数变化趋势统计结果(图 11)来看，1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年连阴天数全省几乎均呈增加趋势变化，增加最多地区位于聊城和德州大部地区及济南、菏泽、临沂、滨州、淄博和济宁局部地区，年连阴天数增加超过0.2 d·a-1。变化趋势显著性检验结果表明，59个观测站中有13个站点通过0.05显著性检验，分别是聊城、冠县、茌平、滨州、莒县、莘县、郯城、济南、高唐、宁津、博兴、曹县和淄博等站点，其中，聊城、冠县、茌平、滨州等4个站点通过0.01极显著检验。
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图 11 1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天年总连阴天数空间变化趋势 Fig.11 Spatial distribution of trend of annual total days of continuous overcast skies in the production season of facility agriculture in Shandong Province from 1961 to 2018 |
由不同程度、不同季节连阴天条件下设施内平均气温、最高及最低气温变化情况(表 1)统计结果看，连续阴天3 d时，秋、冬、春季设施内平均气温降温幅度均值分别为2.8、3.8和4.6 ℃，变化区间分别为2.5~3.1 ℃、3.0~4.7 ℃和4.4~4.8 ℃；最低气温降温幅度均值分别为2.3、2.2和3.1 ℃，变化区间分别为2.2~2.4 ℃、1.5~2.6 ℃和2.9~3.3 ℃；最高气温降温幅度均值分别为8.1、11.9和10.0 ℃，变化区间分别为7.7~8.5 ℃、11.4~12.6 ℃和9.6~10.4 ℃。连续阴天4~7 d时，秋、冬、春季设施内平均气温降温幅度均值分别为5.5、5.6和6.0 ℃，变化区间分别为3.6~7.1 ℃、2.8~6.5 ℃和5.0~7.1 ℃；最低气温降温幅度均值分别为3.7、2.9和4.1 ℃，变化区间分别为2.0~5.2 ℃、1.7~4.6 ℃和3.2~5.0 ℃；最高气温降温幅度均值分别为13.4、13.9和10.9 ℃，变化区间分别为11.8~15.6 ℃、10.7~19.3 ℃和5.8~15.9 ℃。连续阴天8 d及以上时，秋、冬季设施内平均气温降温幅度均值分别为8.4和7.2 ℃，变化区间分别为4.6~17.8 ℃和4.7~10.1 ℃；最低气温降温幅度均值分别为7.0和5.2 ℃，变化区间分别为3.3~10.8 ℃和4.8~5.6 ℃；最高气温降温幅度均值分别为17.4和13.7 ℃，变化区间分别为10.0~34.7 ℃和9.9~16.2 ℃；春季则未出现8 d及以上连阴天过程。
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表 1 连阴天数对设施内气温条件的影响 Table 1 Influence of days of continuous overcast skies on temperature condition in facility agriculture |
研究连阴天对设施内气温的影响规律发现，不论秋季、冬季还是春季，随着连阴天数增加，设施内平均气温、最低气温和最高气温的平均降温幅度均会增大；而相同连阴天数、不同季节间，连阴天数3 d和4~7 d时，春季的平均气温和最低气温降幅均值较大；连阴天数8 d及以上时，秋季的平均气温、最低气温和最高气温的降幅均值均大于冬季。分析其原因可能是春秋季基础温度高于冬季，从而更容易引起温度的剧烈变化所导致。
3 结论与讨论1) 时间上看，过去58 a山东省设施农业生产季连阴天平均年总发生次数为285次，最大值为2001年444次，最小值为1995年52次；连阴天平均年总连阴天数为1 191 d，最大值为2007年2 168 d，最小值为1995年171 d；过去58 a，连阴天年总发生次数和总连阴天数均呈增加趋势，年总发生次数平均每年约增加1.7次，年总连阴天数平均每年约增加6.5 d；M-K检验与累积距平综合判断显示，年总发生次数在1999年出现了递增突变，而年总连阴天数未出现突变。
2) 空间上讲，1961—2018年山东省设施农业生产季连阴天单站总发生次数和总连阴天数均呈“东北—西南”增加分布，总发生次数最大值位于菏泽大部地区及聊城和济宁部分地区，超过400次，总连阴天数最大值位于菏泽地区及聊城、济宁、济南和临沂部分地区，超过1 700 d；且单站年发生次数和连阴天数几乎均呈增加趋势变化，年发生次数增加最多地区位于聊城大部地区及德州、济南和济宁局部地区，增加超过0.06次·a-1，其中聊城部分地区超过0.09次·a-1；年连阴天数增加最多地区位于聊城和德州大部地区及济南、菏泽、临沂、滨州、淄博和济宁部分地区，增加超过0.2 d·a-1；显著性检验结果表明，聊城、冠县、阳谷、茌平、济南、高唐、滨州、郯城、莒县、宁津、莘县、济宁、博兴、淄博和曹县等15个站点年总发生次数变化趋势通过0.05显著性检验，其中，聊城、冠县、阳谷、茌平、济南、高唐、滨州等7个站点通过0.01极显著检验；聊城、冠县、茌平、滨州、莒县、莘县、郯城、济南、高唐、宁津、博兴、曹县和淄博等13个站点年总连阴天数变化趋势通过0.05显著性检验，其中，聊城、冠县、茌平、滨州等4个站点通过0.01极显著检验。
3) 不论秋季、冬季还是春季，随着连阴天数增加，设施内平均气温、最低气温和最高气温的平均降温幅度均会增大；而季节间，连阴天数3 d和4~7 d时，春季平均气温和最低气温降幅均值最大；连阴天数8 d及以上时，秋季平均气温、最低气温和最高气温降幅均值均大于冬季；分析其原因可能是春秋季基础温度高于冬季，从而更容易引起温度的剧烈变化所导致。
本文只针对山东省连阴天灾害性天气过程进行了一些研究，对其可能导致的次生灾害却未涉及，比如，低温灾害等，未来可从次生灾害变化规律及其影响等方面入手进行更加深入的研究；且连阴天数对设施内气温的影响与不同时段及外界基础温度有关系，日后可分不同时段和不同外界基础温度进行更加精细的研究。
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