关键词：江浙沪地区；降水量；时空分布；EOF分解；Morlet小波分析
中图分类号：P426.6文献标识码：A文章编号：0439-8114（2016）14-3581-06
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.14.012
Abstract：Basingonthedailyprecipitationdataof30meteorologicalstationsfrom1961to2010ofJiangsu-Zhejiang-Shanghaiarea，thetemporalandspatialdistributionofsummerrainfallinJiangsu-Zhejiang-Shanghaiareawasanalyzedbythelinearregressionanalysis，Mann-Kendall（M-K）trendsandmutationanalysis，Morletwaveletanalysis，GIStechnologyandEOFanalysis.Theresultsshowedthat，in50years，summerprecipitationinJiangsu-Zhejiang-Shanghaiareapresentedanoveralltrend.Furthermore，thegrowthofprecipitationinAugustwasfasterthaninJuly，thegrowthofprecipitationinJulywasfasterthaninJune.UsingspatialdecompositionofsummerrainfallanomalybyEOF，itwasshownthatprecipitationanomalypresentedaconsistentincreasegeneraltrendinJiangsu-Zhejiangarea.TheprecipitationanomalyfieldinJiangsuprovincepresentedthedistributionofnorthwesttothesoutheast.TheprecipitationanomalyfieldinZhejiangprovincepresentedthedistributionofnortheasttothesouthwest.AnnualprecipitationandmonthlyprecipitationinJiangsu-Zhejiang-Shanghaiareahadanoscillationperiodofabout3years.Besides，theseregionsexistedtheoscillationperiodfrom3yearsto8yearsindependently.However，theperiodmorethan16yearswasindistinctive.
Keywords：Jiangsu-Zhejiang-Shanghaiarea；precipitation；temporalandspatialdistribution；EOF；Morletwavelet
在全球变暖的大背景下，气候变化对人类的影响受到了广泛的关注。降水是衡量气候变化的重要因素之一，是农作物生长和发育必不可少的客观条件，其变化对于人类的生产、生活有着重要的影响。
20世纪中叶以来，国内外学者对降水的时空变化规律有许多方面的研究，研究内容主要集中在降水的多时间尺度分析[1-3]、利用EOF分解对降水空间分布规律的研究[4-6]、基于GIS技术的降水空间分布研究[7，8]、小波变换[9-11]、趋势及突变检验[12，13]等方面。Fowler等[14]运用小波变换的方法研究在全球变暖的条件下强降水的时间周期规律；Basistha等[15]运用多尺度时间分析法分析了印度喜马拉雅地区降水时空分布规律；Becker等[16]运用Mann-Kendall趋势检验和地理空间分析方法分析了长江流域过去50年的降雨趋势；Chu等[17]运用GIS空间分析技术和小波时间周期分析技术分析了海河盆地的降水时空分布规律；姚淑霞等[18]分析了科尔沁沙地奈曼旗地区1970-2010年降水的多时间尺度；许月卿等[19]基于小波理论分析了河北平原降水的变化规律；吴昊F等[20]利用1971-2009年的降水资料分析了浙江省降水的时空分布规律；陆忠艳等[21]基于GIS技术分析了辽宁省气温和降水的空间分布。
江浙沪地区位于亚洲大陆东岸的中纬度地带，属于中国长江下游的长三角地区，处在亚热带和暖温带的气候过渡地带，是典型的亚热带季风气候控制区。在太阳辐射、大气环流以及长三角地区特定的地理位置、地貌特征共同影响下，江浙沪地区基本的气候特点是四季分明、气候温和、季风显著、冬冷夏热、雨量充沛、降水集中、梅雨季显著。30个站点的气象统计分析资料表明，江浙沪地区降水多集中在夏秋季，以夏季最为集中。江浙沪地区50年来夏季年平均降水量为495.15mm，占全年总降水量的40%以上，暴雨、台风等强对流天气以及洪涝等地质灾害在夏季也比较频繁地发生。目前，降水时空分布规律的研究主要集中于单一省份和大城市，而对于大范围地区如长三角、珠三角等地区研究较少。由于降水与农作物产量密切相关，通过对降水分布和变化的研究，可进一步了解农作物的产量变化特征，以及江浙沪地区整体气候变化的趋势，其结果可为江浙沪地区的农业发展、城市发展和规划提供参考。
1数据和研究方法
1.1数据来源
本研究以江浙沪地区30个站点1961-2010年逐日降水资料为基础，资料的时间序列长度为50年，通过进一步站点的筛选，选取资料完整、地形地貌特征具有较好代表性的27个台站为代表站，并以其为基础展开研究。图1为江浙沪地区台站分布图，其中江苏省台站12个，浙江省台站14个，上海市台站1个。
1.2研究方法
应用线性倾向估计法进行估计计算、M-K（Mann-Kendall）突变及趋势检验，详见文献[22]和文献[23]。估计计算江浙沪地区夏季降水量的年际变化规律及其显著性。Morlet小波[22，23]用于寻找江浙沪地区降水的周期性变化规律。
GIS技术和EOF空间分析[23]，是近年来研究气象要素时空分布规律常用的方法，GIS技术依托ArcGIS软件对各要素值进行插值，从而直观地得到要素值在指定区域的分布情况。EOF（EmpiricalOrthogonalFunction）分解是20世纪80年代后期发展起来的空间分析方法，通过把气象要素分解为时间和空间场量，从而分析各模态的要素值，能够使空间要素的特征更直观地得以呈现。近几年EOF技术迅猛发展，在大气科学学科被广泛应用于强迫气候信号的检测和估计、气候数值模拟模型的构建、气候时间信号的检测和估计等方面。
2结果与分析
2.1夏季降水量的多时间尺度趋势分析
2.1.1夏季降水量年变化趋势分析由图2a可见，50年来，江浙沪地区夏季降水量总体呈现上升趋势，一元线性拟合的结果为y=2.68x+430.797，从中可知50年来降水的年倾向率为2.680mm。由图2b可见，UFk线大部分大于0，说明江浙沪地区1961年以来降水量呈整体上升趋势。而在1987年以后UFk超出了0.05的置信度基准线，说明上升的趋势进一步显著。UFk与UBk在1980-1985年之间有突变交点，之后江浙沪地区降水量急剧上升，分析其成因主要是因为1980年来，随着人类活动的日益频繁，中国经济的迅猛发展，特别是长三角地区工业、农业等领域的突飞猛进，导致气候变暖趋势加剧，从而导致降水量的增加。
由图3可见，50年来，江浙沪夏季降水呈现出比较明显的年代际变化特征。1961-1974年，除1962、1965年降水量高于50年平均降水量外，其余年份降水量均低于50年平均降水量，为少雨期；1975-1988年，多雨期和少雨期交替出现，交替周期为1～3年；1989-2002年，降水量表现为一致的大于平均水平，在这个时间周期中，江浙沪地区进入丰雨期；2003-2010年，多雨期和少雨期再次交替出现，但是周期相对稳定且较短，以2年左右的循环周期为主。
7年滑动平均在这里起到低通滤波的作用，可以比较有效地滤掉降水的年际振荡，从而更为直观容易地观察到降水的年代际变化规律，图3中曲线的变化趋势表明，20世纪60年代至80年代中期降水量整体偏少，1970、1976、1979年分别达到少雨量的3个峰值，其中以1970年的降水量减少最为显著；20世纪60年代至70年代的降水明显少于20世纪70年代至80年代的降水，但是总体都是偏少趋势。20世纪90年代至21世纪初，降水量表现为显著上升趋势，1998年前后到达峰值。2002年后，降水量表现为减少的趋势，2004年前后达到一个减小的峰值。
以降水距平百分率≥25.00%为涝，降水距平百分率≤-25.00%为干旱[24]来研究江浙沪地区整体的旱涝时间分布。干旱的年份为1961、1964、1966、1967、1971、1978、2004年，其中干旱严重的是1967和1978年，降水的距平百分率分别为-49.00%和-41.11%。洪涝的年份相对较少，只有1993、1997、2001年3个年份达到洪涝指标，降水距平百分率分别为29.11%、25.14%、29.38%。
2.1.2夏季降水量月变化趋势分析由图4a可见，50年来，江浙沪地区6月降水量总体呈现上升趋势，一元线性拟合的结果为y=0.54x+171.93，从中可知50年来降水的年倾向率为0.540mm。由图4b可见，UFk线大部分大于0，说明江浙沪地区1961年以来6月降水量呈整体上升趋势。而在1989年以后UFk超出了0.05置信度区间，说明上升的趋势显著。UFk与UBk在1981年有突变交点，在这突变点之后的年份江浙沪地区6月降水量急剧上升。从图4c、图4e可以看出7、8月江浙沪50年降水均呈上升趋势，一元线性拟合的结果分别为y=0.79x+141.54和y=1.44x+115.99，降水的年倾向率分别为0.790和1.440mm。M-K检验结果由图4d、图4f给出，江浙沪7月和8月的降水均呈现出整体上升趋势。7月降水在1983年前后有一个突变点，之后7月降水量急剧上升，并在1986年前后超越了0.05的置信区间，呈显著上升趋势。相比之下，江浙沪地区8月降水量的突变点出现在1985年前后，而直到2000年前后，降水的变化才超过了0.05置信区间，呈显著上升趋势。
由图4a、图4c、图4e对比江浙沪地区6月、7月、8月降水的年际变化趋势，降水的倾向率分布呈8月>7月>6月，这表明8月对于夏季降水量整体的增加贡献最大，同时也表明8月降水总量在整个夏季降水中的比重将有所增加。对照天气形势分析其原因，可能是由于副热带高压南北移动周期增长，8月份副热带高压向南移，江浙沪地区再次进入雨期，由于天气形势稳定，导致雨期增长，从而导致降水量的增加。
由表1可见，夏季降水量均呈增加趋势，以降水增减量、降水增减幅度来研究6、7、8月降水的增加大小和幅度，其中降水增减量=降水线性倾向率×年份，降水增减幅度=降水增减量/年平均降水量×100%。从分析结果看出，8月降水增加最为显著，为72.0mm；6月降水量增加最为缓慢，为27.0mm。8月的降水增加幅度达到48.1%，超过了另外两个月的总和。从季节来看，夏季（6、7、8月）整体表现为增加的趋势，降水增量为134.0mm，降水增幅为27.1%。
2.2夏季降水量的空间分布
EOF分解后的特征量虽然不能够代表降水量的大小，但是可以反映出降水的变化特征和空间分布情况，在将降水量矩阵化的过程中，由于距平场有较高的稳定性，所以将降水数据做距平处理。由于选取江浙地区26个站点作为研究对象，所以EOF分解的结果将以26个模态的形式出现，26个模态对结果的贡献率也不尽相同，从中选取贡献率高的一个或几个模态来研究江浙沪地区降水的空间分布规律是可行的。
由表2可见，EOF分解的26个模态中，前4个模态对样本的贡献率分别为30.58%、25.22%、10.94%、5.81%，累计贡献率为72.55%，其余22个特征向量的贡献率仅占到27.45%。又由于第一、第二向量已经占到总方差的55.80%，既能够较好地表征江浙沪地区降水量场的变化特征，又具有较强的物理表征意义，因此，对第一和第二向量进行分析对该区域降水量具有良好的代表性。
图6为江浙沪夏季降水量的第一特征向量（a）和第二特征向量（b）的空间分布图。第一特征向量表征一个大尺度特征场，是降水分布的一个平均场。从图6a中可以看出，夏季降水量距平除了在江苏西南部和浙江东南部个别地区有微弱的减少趋势外，在江浙大部分地区均呈现出一致的增加趋势，反映出江浙地区降水量年变化要么呈现一致的上升，要么呈现一致的下降趋势，这与先前的时间分析结果基本一致。其最高值中心出现在江苏西北部、江南部、浙江东北部地区，反映出上述地区降水变化量大。
第二特征向量场（图6b）的空间分布表明江浙地区夏季降水的另外一个空间分布特征。江苏地区降水距平量呈现出西北地区增加、东南地区减少的分布特征，等值线呈现出“东北-西南”向分布，其中，西北地区等值线最大值为0.4，东南地区等值线最小值为-0.3。以徐州为中心的苏北地区为高值区，以南京为中心的苏中地区为另一个高值中心区，降水量的增加最为显著；而常州、南通一带为低值中心区，降水量距平呈减少的趋势。浙江地区降水距平量呈现出西南、东部微弱减少，中部微弱增加的自西向东“-+-”的格局，以丽水为中心的地区是强低值区，以金华为中心的浙江中部地区为等值线的一个微弱高值区，该区域占到浙江省总面积的1/2以上，浙江省东部极小的区域等值线的分布为负。
2.3夏季降水量变化多尺度小波分析
图7为江浙沪地区50年降水量的年变化和月（6、7、8月）变化的Morlet小波功率谱、时间功率谱、2～8年尺度平均时间序列图，分别以图a、图b、图c表示，图a中虚线部分包围区域表示通过0.05显著水平的白噪声检验区域，对比年变化和夏季各月变化可以看出，均存在一个2～8年左右的年际振荡周期。
由图Ⅰa和图Ⅰb可以看出，江浙沪地区年降水量存在准2、3年的振荡周期，周期强度随着时间发生变化（图Ⅰa、图Ⅰc），准2年周期出现在1960年代初和1970～1990年之间，1965～1970年之间为准3年的周期。与此同时，小波功率谱还分析出一个周期为16年左右的周期，但是没有通过显著性检验。
由图Ⅱa和图Ⅱb可以看出，江浙沪地区6月降水量存在3～10年左右的周期，且随时间发生一定变化（图Ⅱa、图Ⅱc）。1970年以前，6月降水量无明显的周期变化；1971～1983年之间为准4年的周期；1984～1993年是一个准2年的周期；1994-2010年分别有2个周期，分别是一个准3年的周期和一个准7年的周期，同时小波功率谱还检测到一个16～32年左右的周期。
由图Ⅲa和图Ⅲb可以看出，江浙沪地区7月降水量存在3～8年左右的周期，且随时间发生一定变化（图Ⅲa、图Ⅲc）。1960～1972年，江浙沪7月降水量呈现出一个准4年周期；1973～2000年，7月降水量呈现出2个周期的分布，分别为一个准3年的周期和一个准6年的周期，但是通过Ⅲ（b）时间功率谱可知，6年的时间周期信号更为强烈。
由图Ⅳa和图Ⅳb可以看出，江浙沪地区7月降水量存在一个稳定的3年左右的周期，且随时间的变化长期稳定存在（图Ⅳa、图Ⅳc）。
3小结与讨论
1）江浙沪地区50年来，夏季降水量呈现出一个总体上升的趋势，上升的幅度约为每10年增加26.8mm。逐月分析发现，夏季降水量呈现一致的增加趋势，其中8月增幅最大，6月增幅最小。由降水距平百分率可以衡量江浙沪地区的旱涝程度，发现江浙沪地区干旱的年份多于洪涝的年份，且干旱的程度较洪涝程度而言显得更严重。
2）对江浙两省夏季降水量距平进行EOF分解，除浙江省和江苏省部分地区有微弱的负值外，江浙地区降水量距平总体呈现出一致的增加趋势。江苏省的降水距平场呈“西北-东南”向分布，浙江省的降水距平场呈“东北-西南”向分布。
3）对江浙沪地区年降水量和夏季各月降水量进行Morlet小波分析，结果表明年降水和各月降水量变化存在着不同时间周期的振荡。其中年降水量和各月降水量均有3年左右的振荡周期，此外还各自存在3～8年不等的振荡周期，以8月降水量变化的周期最为单一稳定。部分月份检测出16、32年及以上的年代际周期振荡。
参考文献：
[1]刘东，付强.基于小波变换的三江平原低湿地井灌区年降水序列变化趋势分析[J].地理科学，2008，28（3）：380-384.
[2]刘新平，何玉惠，赵学勇，等.科尔沁沙地奈曼旗地区降水变化特征分析[J].水土保持研究，2011，18（2）：155-158.
[3]苏宏超，沈永平，韩萍，等.新疆降水特征及其对水资源和生态环境的影响[J].冰川冻土，2007，29（3）：344-350.
[4]南庆红，杨舵，杨青.应用EOF方法分析新疆降水变化特征[J].中国沙漠，2003，23（5）：554-559.
[5]邱海军，曹明明，刘闻.基于EOF的陕西省降水变化时空分异研究[J].水土保持通报，2011，31（3）：57-59.
[6]TILMAND，WEDIND，KNOPSJ.Productivityandsustainabilityinfluencedbybiodiversityingrasslandecosystems[J].Nature，1996（379）：718-720.
[7]陈亚宁，徐长春，杨余辉，等.新疆水文水资源变化及对区域气候变化的响应[J].地理学报，2009，64（11）：1331-1339.
[8]WANGWG，SHAOQX，PENGSZ，etal.Spatialandtemporalcharacteristicsofchangesinprecipitationduring1957-2007intheHaiheRiverbasin，China[J].StochasticEnvironmentalResearchandRiskAssessment，2011，25（7）：881-895.
[9]辛渝，陈洪武，张广兴，等.新疆年降水量的时空变化特征[J].高原气象，2008，27（5）：993-1003.
[10]李雪梅，姜逢清，李兰海，等.塔里木河北源及干流区域降水变化趋势与多尺度特征对比[J].冰川冻土，2010，32（2）：285-294.
[11]李春强，杜毅光，李保国.1965-2005年河北省降水量变化的小波分析[J].地理科学进展，2010，29（11）：1340-1344.
[12]简虹，骆云中，谢德体.基于Mann-Kendall法和小波分析的降水变化特征研究[J].西南师范大学学报（自然科学版），2011，36（4）：217-222.
[13]刘亚龙，王庆，毕景芝，等.基于Mann-Kendall方法的胶东半岛海岸带归一化植被指数趋势分析[J].海洋学报，2010，32（3）：79-87.
[14]FOWLERAM，HENNESSYKJ.Potentialimpactsofglobalwarmingonthefrequencyandmagnitudeofheavyprecipitation[J].NaturalHazards，1995，11（3）：283-303.
[15]BASISTHAA，ARYADS，GOELNK.AnalysisofhistoricalchangesinrainfallintheIndianHimalayas[J].InternationalJournalofClimatology，2009，29（4）：555-572.
[16]BECKERS，GEMMERM，JIANGT.SpatiotemporalanalysisofprecipitationtrendsintheYangtzeRivercatchment[J].StochasticEnvironmentalResearchandRiskAssessment，2006，20（6）：435-444.
[17]CHUJT，XIAJ，XUCY，etal.SpatialandtemporalvariabilityofdailyprecipitationinHaiheRiverbasin，1958-2007[J].JournalofGeographicalSciences，2010，20（2）：248-260.
[18]姚淑霞，张铜会，赵传成.科尔沁沙地奈曼旗1970―2010年降水的多时间尺度分析[J].中国沙漠，2014，34（2）：542-549.
[19]许月卿，李双成，蔡运龙.基于小波分析的河北平原降水变化规律研究[J].中国科学D辑：地球科学，2004，34（12）：1176-1183.
[20]吴昊F，杨羡敏，姜燕敏.浙江省夏秋季降水量时空分布特征及趋势演变规律[J].中国农业气象，2011，32（3）：326-330.
[21]陆忠艳，李长青，袁子鹏，等.基于GIS的辽宁气温和降水空间扩展方法[J].中国农业气象，2008，29（1）：90-93.
[22]黄嘉佑.气象统计分析与预报方法[M].第三版.北京：气象出版社，2004.
贺州市八步区地处广西东部，属亚热带气候，为南岭山地丘陵区，位于东经111°12'～112°03'、北纬23°49'～24°48'，东与广东省连山、怀集、封开县为邻，南与梧州市苍梧县交界，西与广西钟山、昭平两县接壤，北与湖南江华县相毗，地处湘、粤、桂三省（区）交界处。年均气温19.9℃，日照时数1587.3h，降雨量1550.3mm，无霜期299天，非常适合芹菜种植。贺州香芹种植历史悠久，每年销往珠江三角洲的香芹达7000t。
传统的贺州香芹栽培一般9～12月播种，12月至翌年4月收获，如果要在夏季播种、秋季收获，必须采用“三避”栽培技术，自2000年该项技术的推广以来，得到了广大菜农的广泛认可及应用。据统计，仅2005年，八步区应用“三避”技术在夏季栽培贺州香芹面积达166.7hm2，平均667m2产量达2830kg，产值达5000元，比露地栽培增产271kg，增收520元，累计增收130万元，取得了良好的经济效益和社会效益。本文总结、阐述了贺州香芹的“三避”栽培技术，并分析了其推广应用效果。
1贺州香芹对环境条件的要求
贺州香芹为贺州市八步区本地传统的芹菜品种，跟其他芹菜品种一样，需要在较冷、凉、湿的环境下才能正常生长，而且品质好、产量高。其种子适宜发芽温度一般为15～20℃，具有在低温长日照环境条件下花芽分化、开花结果的特性。因此，贺州香芹适合在保水、保肥性好、有机质含量比较丰富的砂壤土或壤土中种植。
2贺州香芹“三避”栽培要点
2.1温控技术破休眠，促发芽
贺州香芹具有一定的休眠期，夏季浸种不容易发芽。选用隔年种子用清水浸泡10～12h后沥干，用干净湿棉布包好抖散，晚上置于冰箱冷藏（5～8℃）12h，白天再拿出来放在阴凉之处，如此反复几次冷藏处理，芹菜种子即可发芽整齐。如没有冰箱冷藏设备，可把装有芹菜种子的袋子吊在离水面约0.5m的深井中进行催芽。
2.2“三避”技术育壮苗
采用遮阳网育苗（6～7月防高温）+小拱棚薄膜覆盖（防雨）培育壮苗+遮阳网防雨防晒的“三避”技术，选择通风、排灌方便及肥沃疏松的地块育苗，在播种前施足基肥，即每667m2施充分腐熟的优质农家肥4500kg、三元复合肥45kg；然后按宽约1.3m，长15～18m作成微“龟背”形育苗畦，在畦面薄撒一层过筛的细泥土；6～7月，将催好芽的芹菜种子拌适量的细沙后均匀撒在床上，盖上过筛细土后，用50%多菌灵500倍液喷洒消毒；再用竹片和农膜搭建80～100cm高的小拱棚，在小拱棚的农膜之上覆盖稻草或遮阳网遮阳，避免夏季阳光直接晒到芹菜苗，达到避阳暴晒和避雨的目的，形成对芹菜幼苗生长有利的阴凉小气候，同时要加强管护，出苗后及时结合浇水追肥，整个苗期一般追肥2～3次，可用10%腐熟粪水或沼液加复合肥（按667m2加复合肥10kg计算）对水淋施，促使芹菜幼苗生长。
2.3贺州香芹夏季田间管理
当芹菜幼苗长至5～6片真叶、高15～20cm时就可以移至大田。大田种植地块要求为排灌方便、肥沃疏松的壤土或砂壤土。在种植前施足基肥，每667m2施充分腐熟的优质农家肥3500～4500kg，按畦宽250～260cm、高10～15cm起好平整的畦面，芹菜可按株行距2cm×8cm丛植，每丛2～3株，种植后及时淋定根水。然后用竹片或木材等按南北朝向作成平棚，棚高180～200cm，将遮阳网覆盖在棚架上并系好，确保夏季芹菜整个生长期都能得到遮阳网的保护，创造一个比较低温、阴凉、利于芹菜生长的环境。
夏芹移栽大田后，及时进行中耕追肥，一般在移植成活至芹菜封行前进行2～3次中耕和3～4次追肥，可结合中耕，直接追施复合肥或使用腐熟干粪渣与复合肥混合均匀施于行间，也可用复合肥对腐熟粪水淋施，施后漫灌浅水。追肥的原则是前轻中重，前1～2次追肥量为总追肥量的15%～20%，第3～4次追肥量为总追肥量的70%～75%，植株封行后可追施1次速效肥，用肥量占总追肥量的10%，可喷施叶面肥。在芹菜生长中期，一般每667m2使用农家肥2500～3000kg，三元复合肥60～70kg。在芹菜生长中后期使用磷酸二氢钾、爱多收（复硝酚钠）、绿旺等叶面肥喷施2～3次，促进叶柄伸长。
2.4遮阳、避晒、避光软化芹菜，提高品质
夏季种植贺州香芹采用遮阳、避晒、避光方法可提高品质，当芹菜30～35cm高即将封行时，将芹菜畦地周围培土20～25cm，用稻草或茅草作成草苫贴围四周，这时要加强水肥管理，及时追施速效肥，促进芹菜快速生长、植株分蘖、叶片繁茂，尽早实现顶部封行，使叶柄在阴暗环境中生长，达到叶柄软化嫩白的目的。
2.5病虫害综合防治
夏季芹菜主要虫害有菜青虫、小菜蛾、斜纹夜蛾等，主要病害有叶斑病、斑枯病、病毒病、美洲斑潜蝇等，在防治过程中按照“预防为主，综合防治”的植保方针，积极进行防治。在夏季芹菜生产中，结合芹菜田间管理改进淋灌技术，在田间地头挖水井，用抽水机抽地下水进行灌溉，这样可以有效地降低土壤温度，提高芹菜产量和品质，也可以减少水污染，减少病虫。
2.6适时采收上市
9月初，当芹菜株高达50～60cm、单株质量
50g左右时即可采收上市，直至10月底。
3“三避”技术增产效果与原因分析
3.1典型农户种植调查
八步区贺街镇河西村郑永明农户，采用“三避”技术种植夏季芹菜1333.3m2，总产量6350kg，总产值16510元，投入成本2200元，获利14310元；长利村邱和平农户，采用“三避”技术种植夏季芹菜800m2，总产值8640元，投入成本1450元，获利7190元。种植基地测产结果显示，八步区贺街镇河西、长利两村，采用“三避”技术种植夏季芹菜面积共5.3hm2，总产量达到16.98万kg，总产值40.8万元，平均667m2产量2122.5kg、产值5100元，比露地栽培667m2增产271kg、增收520元。
3.2降低夏季田间温度、光照强度，利于芹菜生长
芹菜夏季生产过程中，采用黑色遮阳网覆盖后，可使地表温度降低9～13℃，营造了适合芹菜生长的田间小气候环境。夏季晴天光照强度可达10万～20万lx，覆盖了遮光率为70%～80%的遮阳网后，可使光照强度降到较适合芹菜生长的范围。芹菜的适宜光照强度为2万～3万lx。
关键词：地源热泵竖直埋管综合传热系数
1概述
地源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可持续发展的新技术，它既不会污染地下水，又不会影响地面沉降。因此，目前在国内空调行业引起了人们广泛的关注，希望尽快应用这项新技术。现在尚未见到有关地源热泵技术设计手册供设计人员使用，但又不能等待设计手册出版后才使用地源热泵技术。笔者从实践角度对中小型地源热泵空调工程设计程序进行深讨，供同行讨论。
地源热泵技术的关键是地下换热器的设计。本文将着重探讨有关地下换热器的问题。
2地源热泵地下换热器的形式
众所周知，热泵机组的热源有空气源、水源、土壤源等。
土壤源热泵空调也叫地源热泵空调，就是在地下埋设管道作为换热器，管道与热泵机组连接形成闭式环路，管道中有液体流动通过循环将热泵机组的凝结热通过管道散入地下（供冷工况），或从大地吸取热量供给热泵机组向建筑物供热（供热工况）。
土壤源热泵换热器有多种形式，如水平埋管、竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在中国采用竖直埋管更显示出其优越性：节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。
3竖直埋管换热器型式
最常用的竖直埋管换热器就是由垂直埋入地下的U型管连接组成。
3.1竖直埋管深度
竖直埋管可深可浅，须根据当地地质条件而定，如20m、30m……直到200m以下。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。例如天津地区地表土壤层很厚，钻孔费用相对便宜，宜采用较深的竖直埋管，因深埋管的成本低、换热性能好、并可节约用地。
3.2竖直埋管材料
埋管材料最好采用塑料管，因与金属管相比，塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点。可供选用的管材有高密度聚乙烯管（PE管），铝塑管等。竖直埋管的管径也可有不同选择，如DN20、DN25、DN32等。
3.3竖直埋管换热器钻孔孔径及回填材料
竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度，将制作好的U型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。
根据地质结构不同，钻孔孔径可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地区地表土壤层很厚，为了钻孔、下管方便多采用Ф300孔径。
回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。回填沙石或碎石换热效果比较好，而且施工容易、造价低，可广泛采用。
4竖直埋管换热器中循环水温度的设定
竖直埋管换热器中流动的循环水的温度是不断变化的。夏季供冷工况进行时，由于蓄热地温提高，机组运行时水温不断上升，停机时水温又有所下降，当建筑物得热达到最大时水温升至最高点。冬季供热工况运行时则相反，由于取热地温下降，当建筑物失热最多时，换热器中水温达到最低点。
设计时，首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度，因为这个设定和整个空调系统有关。如夏季温度设定较低，对热泵压缩机制冷工况有利，机组耗能少，但埋管换热器换热面积要加大，即钻孔数要增加，埋管长度要加长。反之温度设定较高，钻孔数和埋管长度均可减少，可节省投资，但热泵机组的制冷系数cop值下降，能耗增加。设定值应通过经济比较选择最佳状态点。笔者认为埋管水温应如下设定：
4.1热泵机组夏季向末端系统供冷水，设计供回水温度为7—12℃，与普通冷水机组相同。地埋管中循环水进入U管的最高温度应<37℃，与冷却塔进水温度相同。
4.2热泵机组冬季向末端系统供水温度与常规空调不同，在满足供热条件下，应尽量减低供热水温度，这样可改善热泵机组运行工况、减小压缩比、提高cop值，并降低能耗。
我们知道风机盘管供热能力大于供冷能力，而一般建筑物的夏季冷负荷大于冬季热负荷，所以风机盘管的选型是以夏季冷负荷选型、冬季热负荷校核。采用地源热泵空调冬季供热时，可根据冬季热负荷实际情况，让风机盘管冬季也满负荷运行而反算出供热水温度，此温度要小于常规空调60℃的供水温度（大约供水为40℃左右）。将此温度定为热泵机组冬季供水温度。供回水温差取7～10℃。
地埋管中循环水冬季进水温度，以水不冻结并留安全余地为好，可取3—4℃。当然为了使地埋管换热器获得更多热量，可加大循环水与大地间温差传热，然而大地的温度是不变的，因此只有将循环水温降至0℃以下，为此循环水必须使用防冻液，如乙二醇溶液或食盐水。但这样会提高工程造价、增加对设备的腐蚀。在严寒地区不得不这样做，而在华北地区的工程中用水就可满足要求，不一定要加防冻液。
5换热面积与综合传热系数
5.1换热面积
一般换热器换热面积计算公式为：
……………………⑴
式中：
Q—换热器换热量w；
K—传热系数w/m·℃；
ΔT—对数温差℃。
5.2综合传热系数
地埋管换热器用以上公式计算很不方便，因为很难确定其换热面积。
竖直埋管换热器可以假设为“线热源”模型。引入综合传热系数进行计算，则较为简单、方便。
这里，将以某一流经地埋管换热器内的流体介质与大地初始温度每相差1℃，通过单位长度换热管，单位时间所传递的热量定义为综合传热系数K。
……………………⑵
式中：
K—综合传热系数w/m℃；
Q—换热器单位时间换热量，Q=Cm(t进-t出)W；
L—换热管有效长度m；
TP—流体介质平均温度，℃；
T进—U型管换热器进水温度℃；
T出—U型管换热器出水温度℃；
C—水比热4.180KJ/Kg·k；
m—水的质量流量kg/s；
Td—地温℃。
地温是恒定值，可通过测井实测。有关资料介绍某地地下约100米的地温是当地年平均气温加4℃左右。天津市年平均气温是12.2℃，实测天津市地下约100米的地温约为16℃，基本符合以上规律。
影响竖直埋管综合传热系数的因素有：地理位置、地质构造、埋管深度、埋管材料及管径、钻孔直径及回填材料、管中水的流速、热泵运行方式（连续运转还是间断运转）。
综合传热系数k可通过测井测得。由公式⑵可以看出，做一个地面钻孔与预计工程应用完全相同的U型竖直埋管，人为制作冷、热源，通入冷、热水，测出各个参数带入公式⑵即可计算出综合传热系数。
测井也可测出U型竖埋管出水温度T出。
综合传热系数K在系统运行初期波动值较大，系统运行一段时间后其值趋于一稳定值。我们通过实测K值波动在一个较小的范围内，在目前数据资料较少情况下可取波动平均值作为计算数据误差不会太大。
6竖直埋管地源热泵空调的设计
6.1确定设计参数与热泵机组
6.1.1计算建筑物空调夏季冷负荷及冬季热负荷。
6.1.2确定夏季冷水的供回水温度及地埋管进出水温度，进而确定机组中工质的夏季蒸发温度及冷凝温
度。
6.1.3计算冬季风机盘管的供水温度，取回水温度比供水温度低7～12℃。设定地埋管进水温度，根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度，进而确定热泵机组中工质冬季的蒸发温度和冷凝温度。
6.1.4由建筑物空调夏季冷负荷、机组蒸发温度和冷凝温度,以及冬季热负荷和冬季机组蒸发温度和冷凝
温度，就可以进行热泵机组的选型设计，或将参数提供给生产厂家，由厂家制造热泵机组。
6.1.5确定热泵机组型式（活塞机、螺杆机、蜗旋压缩机等），查出或计算出
该机组在夏季埋管水温最高时和冬季埋管水温最低时工况下的COP值。
6.2计算夏季总放热量和冬季总吸热量
6.2.1夏季竖直埋管换热器总放热量等于建筑总冷负荷加上埋管最高水温时机组消耗功率（机组消耗功率等于夏季冷负荷除以埋管最高水温时的COP值）。
6.2.2冬季竖直埋管换热器总吸热量等于建筑物总热负荷减去埋管最低水温
时机组所消耗的功率（机组消耗功率等于冬季热负荷除以埋管最低水温时COP值）。
6.3计算竖直埋管总长度
6.3.1夏季竖直埋管总长度计算
①夏季换热温差DTx8C
DTx=Tx-Td……………………⑶
式中：
Txü夏季竖直埋管内最高设计平均水温8C；
Tdü地温8C。
②夏季每米竖直埋管散热量qxW/m
qx=Kx·DTx……………………⑷
式中：
Kxü夏季综合传热系数W/m8C。
③夏季竖直埋管换热器埋管总长度Lxm
……………………⑸
式中：
Q夏—建筑物夏季总冷负荷W；
A—安全系数，取1.1-1.2。
6.3.2冬季竖直埋管总长度计算
①冬季换热温差DTD8C
DTD=Td-TD……………………⑹
式中:
TDü冬季竖直埋管内最低设计平均水温8C。
②冬季每米竖直埋管散热量qDW/m
qD=KD·DTD……………………⑺
式中：
KDü冬季综合传热系数W/m8C。
③冬季竖直埋管换热器埋管总长度LDm
……………………⑻
式中：
Q冬—建筑物冬季总热负荷W；
A—安全系数取1.1-1.2。
6.3.3确定竖直埋管换热器埋管总长度
以上计算取LX、LD二者中较大数值为本工程埋管总长度Lm。
6.4计算竖直埋管数量并确定布置形式
6.4.1竖直埋管数量计算
……………………⑼
式中:
n—U型竖直埋管个数；
H—竖直埋管设计有效深度m；
L—埋管总长度m。
6.4.2竖直埋管布置形式
结合工程场地可一字型布置、L型布置或矩阵型布置均可，根据测试结果分析,U型竖直埋管间距以5—6m为宜。
6.5确定竖直埋管水流速度与水泵选型
6.5.1确定水流速
试验显示，竖直埋管中如提高水流速度则换热量可适当增加，但增加量不与流速提高量成比例。竖直埋管中水流应为紊流状态，流速太快会增加循环水泵能量消耗，流速取1m/s左右为宜。
6.5.2确定水泵型号
流速确定后计算循环水流量及压力损失即可选择循环水泵的型号。
7结论
7.1地源热泵空调是节能、环保、对地下水无污染，并不影响地面沉降的好形式。特别是竖直埋管地源热泵更具有诸多优点，应予推广。
7.2采用土壤钻孔的综合传热系数法，可简化地源热泵的传热计算。
7.3竖直埋管地源热泵空调的设计步骤，为设计人员提供了一种设计方法，有利于提高设计速度，并减少设计失误。
参考文献
1、曾淼等，地源热泵地下U型管换热器实验研究，全国暖通空调制冷1998年学术年会《论文集》，P371；