氣象站、糧倉和糧堆的溫濕度相關性分析

褚春燕，孫桂玉，孫洪偉，姜麗霞，王曉明?

（1. 佳木斯市氣象局，黑龍江 佳木斯 154004；2. 黑龍江省氣象科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150000；3. 黑龍江省氣象數據中心，黑龍江 哈爾濱 150000）

黑龍江省現有耕地超過 2億畝，糧食存儲量居全國第一，糧食的安全儲存可以通過控制兩個重要的物理因素來實現：溫度和水分含量[1]。糧食倉儲過程中，氣象因子溫濕度的變化直接影響糧食的生理變化——呼吸、后熟、發芽、陳化等，進而改變糧食品質，甚至出現霉變、蟲害等造成糧食損失。糧食安全貯藏對環境條件要求較高，如空氣相對濕度需小于 75%、糧溫需低于 20 ℃，糧食水分需在安全水分下等[2]。劉慧[3]研究發現在溫度為 25 ℃，相對濕度為 85%的環境下稻谷儲藏第10周，即進入輕微霉變狀態；在溫度20 ℃及以下的儲藏條件中，霉菌數量增長緩慢，稻谷處于安全狀態。正常情況下，氣溫影響倉溫，倉溫影響糧溫，倉溫滯后于氣溫，糧溫滯后于倉溫[4]。糧溫與環境氣溫的年度變化規律基本一致，糧溫變化滯后于氣溫1～2個月左右，采用糧溫滯后氣溫一個月進行擬合，兩者具有很好的相關性[5]。

目前糧食倉儲提倡準低溫儲藏和低溫儲藏兩種方式，準低溫儲糧要求局部最高糧溫不高于25℃，低溫儲糧局部最高糧溫不高于20 ℃[6]。張前[7]提出在糧食儲藏過程中，糧堆發生蟲害的主要部位集中在糧堆表層（即糧面以下30～50 cm）等糧溫變化活躍區域，外界氣溫對倉溫影響很大，對糧堆表層區域溫度影響也非常明顯，糧堆表層平均溫度和氣象因素中的氣溫呈現較強的正相關關系，糧堆表層平均溫度隨氣溫的變化而變化，有一定的延遲。盧獻禮[8]通過高溫高濕生態區高水分玉米降水保質儲藏試驗得出在6～10月雨季，平均糧溫應控制在20 ℃以內，最高糧溫在25 ℃以內；倉內相對濕度一般應在75%以下，7～10月雨季倉內濕度應控制在 65%以下。李興軍[9-10]研究表明糧食在相對濕度 20%～65%范圍內儲糧是安全的，既不發霉也不發生脂肪過氧作用。前人研究多集中在糧倉內溫、濕度變化規律[11]、建立糧堆溫、濕度預測模型[12]等，但是在氣象臺站與糧庫的溫、濕度數據分析及糧食倉儲氣象服務溫、濕度指標方面研究比較少。

本文利用大數據分析技術，對三個糧庫高大平房倉2017—2020年觀測的溫、濕度資料與氣象臺站觀測的數據進行分析，得出糧食倉儲氣象要素變化特征和相關擬合關系，確定高大平房倉糧食倉儲的溫、濕度氣象服務指標，從而為糧庫提供精準的糧食倉儲氣象服務，保障糧食倉儲安全。

1 材料與方法

1.1 數據來源

1.1.1 糧庫數據

根據三江平原糧庫主要糧倉類型及氣候條件，以2017—2020年三個糧庫（簡稱甲庫、乙庫、丙庫）高大平房倉測量的倉外溫度（外溫）、倉內溫度（倉溫）、糧堆溫度（糧溫），糧倉外部相對濕度（外濕）、倉內相對濕度（倉濕）與對應氣象臺站采集的溫、濕度為數據來源。甲庫地處樺川縣，以樺川國家氣象站數據進行分析；甲庫糧食輪轉出庫周期短，糧情數據不連續，數據延續到2020年11月26日；糧庫在糧食存儲期間測量倉濕和糧食水分含量，不進行大氣濕度與糧濕的分析。糧庫信息及糧情測量情況如表1。糧情數據為每周測查1次，高溫期及特殊時期增加測查次數。

表1 糧庫與糧情測量情況Table 1 The measurement of grain depot and grain situation

1.1.2 氣象臺站數據

氣象站數據包含實時數據和日最高溫度數據，實時數據是指進行糧情檢測同一時間的氣象臺站數據，日最高氣溫是指糧情檢測當日的氣象臺站最高氣溫。由于高大平房倉采取保溫措施以及糧堆的導熱系數小，導致倉溫、糧溫日變化較小，因此本文采用氣象臺站日最高溫度與糧溫檢測時間的倉溫和每層最高糧溫進行數據分析。

1.2 數據分析

利用Microsoft Excel 2010整理數據，Minitab進行數據相關性分析。

2 結果與分析

2.1 氣象臺站實時溫度與糧庫外溫數據分析

2.1.1 氣象臺站實時溫度與糧庫外溫數據的對比分析

三個糧庫的溫度對比如圖1所示，臺站溫度與糧庫溫度變化規律相同，圖c重合度最高，圖b最低，臺站溫度多低于糧庫外溫，樺川臺站93.4%的溫度低于乙庫外溫，湯原臺站90%的溫度低于丙庫外溫，佳木斯臺站只有 58.1%的溫度低于甲庫外溫；臺站溫度與糧庫外溫的差值峰值為–3.9 ℃，差值谷值為0.0 ℃，最大差值平均值出現在乙庫，為–2.0 ℃，可能是因為外溫傳感器安裝或維護不規范，造成測量外溫數據偏大。

圖1 氣象臺站實時溫度與糧庫外溫對比分析圖Fig.1 Comparative analysis diagram of real-time temperature of meteorological stations and external temperature of grain depot

2.1.2 氣象臺站實時溫度數據與糧庫外溫的相關分析

氣象臺站實時溫度與糧庫外溫的相關性見表2。氣象臺站實時溫度與糧庫外溫均呈極顯著正相關關系，相關系數達到 0.996以上，回歸方程回歸系數均為正且接近 1，截距均為正，乙庫截距最大；可見，臺站溫度可替代糧庫外溫進行溫度預報和糧庫三溫分析。

表2 氣象臺站實時溫度與糧庫外溫相關分析Table 2 Correlation analysis between real-time temperature of meteorological stations and external temperature of grain depot

2.2 氣象臺站實時溫度與糧庫倉溫、平均糧溫的對比分析

倉儲部門利用三溫曲線圖法分析糧溫的時間變化規律，其中三溫為糧庫外溫、倉溫和平均糧溫。圖2以臺站實時溫度代替糧庫外溫，與倉溫、糧溫進行三溫分析。從圖2來看，三個糧庫倉溫、平均糧溫與臺站實時溫度變化規律基本相同，10月至次年3月平均糧溫、倉溫高于臺站溫度，平均糧溫>倉溫>臺站溫度，夏季平均糧溫、倉溫低于臺站溫度，平均糧溫<倉溫<臺站溫度，倉溫大多低于25 ℃，且滯后臺站溫度1 d，平均糧溫在±10 ℃之間，年變化幅度較小，且有滯后性，三個糧庫平均糧溫極值出現時間滯后于臺站溫度極值約30 d。

圖2 臺站實時溫度與糧庫倉溫、平均糧溫對比分析圖Fig.2 Comparative analysis diagram of real-time temperature of station, warehouse temperature and average grain temperature

2.3 氣象臺站日最高氣溫與糧庫倉溫、各層最高糧溫的相關分析

根據低溫、準低溫儲糧要求，糧堆平均溫度常年保持在 20 ℃及以下，局部最高糧溫不高于25 ℃，黑龍江省夏季6～8月氣溫升高，外界氣溫超過 25 ℃會影響倉溫變化，從而影響到糧溫，倉溫的變化滯后于外溫變化，糧溫的變化滯后于倉溫變化。為保證夏季糧食存儲安全，以氣象臺站日最高氣溫與糧庫倉溫、各層最高糧溫進行相關分析，建立回歸方程，預測倉溫和最高糧溫變化。

表3中可以看出，三個糧庫倉溫與氣象臺站日最高氣溫的相關系數均達到0.96以上，倉溫均滯后氣象臺站日最高氣溫1 d，回歸方程的截距均為負，回歸系數均為正，倉溫與日最高溫呈正相關且隨日最高氣溫的升高而升高。根據回歸方程得出，當佳木斯臺站日最高氣溫達到 29 ℃，湯原臺站達到32 ℃，樺川臺站達到30 ℃，相應的糧庫倉溫達到25 ℃。

表3 氣象臺站日最高氣溫與糧庫倉溫、糧溫相關性Table 3 Correlation between the daily maximum temperature at meteorological stations and grain depot temperature and grain temperature

甲庫表層糧溫檢溫線鋪設深度與其他糧庫不同，導致其表層糧溫變化與其他糧庫規律略有不同。糧庫表層最高糧溫與氣象臺站日最高氣溫相關性最好，相關系數均在 0.9以上；甲庫表層最高糧溫滯后于佳木斯臺站日最高氣溫11 d，丙庫和乙庫分別滯后于氣象臺站日最高氣溫約30 d；三個糧庫回歸方程的截距和回歸系數均為正，表層最高糧溫與日最高氣溫呈正相關，隨日最高氣溫的升高而升高；根據回歸方程得出，佳木斯臺站日最高氣溫達到27 ℃，湯原臺站達到37 ℃，樺川臺站達到 31 ℃，對應糧庫表層最高糧溫達到25 ℃。

甲庫第二至五層最高糧溫與臺站日最高氣溫相關系數均小于0.9，且逐層降低，滯后天數逐層增加，四層和五層最高糧溫滯后天數相近，由于第二層糧溫檢測線鋪設深度淺，根據回歸方程計算得出，臺站日最高氣溫達到 29 ℃，對應的第二層最高糧溫達到 25 ℃，氣溫對三至五層最高糧溫影響較小，臺站日最高氣溫達到 40 ℃以上，對應的各層最高糧溫達到 25 ℃；丙庫和乙庫第二層最高糧溫規律相同，相關系數一致，滯后天數、回歸方程相近，根據回歸方程計算得出，氣溫對第二至四層糧溫影響較小，日最高氣溫達到40 ℃以上，對應的各層最高糧溫達到25 ℃。

2.4 氣象臺站相對濕度與糧庫外濕、倉濕的對比分析

在糧食倉儲過程中根據大氣濕度條件開展通風降濕、提濕增質等生產活動。對氣象臺站相對濕度與糧庫外濕、倉濕進行對比分析，如圖3所示，佳木斯、湯原、樺川氣象臺站相對濕度略高于糧庫外濕，年變化規律相同，極小值出現在春季，極大值出現在夏季，臺站相對濕度與糧庫外濕差值較小，三個糧庫倉濕冬、春季升高，高于糧庫外濕和氣象臺站相對濕度，夏季降低，低于外濕和臺站相對濕度，三個糧庫倉濕均在夏季達到最低值，冬季達到最高值。為防止高溫高濕導致糧食霉變，三個糧庫倉濕均控制在70%以下，丙庫部分倉濕數據高于70%，可能是由于糧庫提濕增質等生產活動造成的。

圖3 氣象臺站相對濕度與糧庫外濕、倉濕的對比分析Fig.3 Comparative analysis of relative humidity between meteorological stations and external humidity and warehouse humidity of grain depot

由于糧食倉儲對倉濕有標準規范，倉內均有自動控濕設備，可人為調控倉濕，不受倉外相對濕度影響，因此不做相關性分析。

3 討論

黑龍江省位于儲糧生態第三區，屬于低溫高濕儲糧區，在糧食倉儲過程中主要關注夏季高溫和通風期大氣相對濕度。目前糧食倉儲中一般采用控溫、控濕儲糧技術，控制倉溫、糧溫、倉濕和糧食水分，Deepak Kumar[13]認為大多數儲糧生物體在70%以上的相對濕度、20～40 ℃的溫度下生長迅速，產生大量的熱量和水分，導致在糧堆內部形成發熱點，對整倉糧食造成危害；王士臣[14]研究表明，在 7～8月控溫期內，倉溫控制在 16～20 ℃，可延緩糧食品質劣變；祁智慧[15]提出倉庫內糧堆表層40 cm深處的平均糧溫在5～6月處于20 ℃左右，6～9月采取空調控溫，平均糧溫控制在20～25 ℃；梁兆岷[16]等開展了高大平房倉內環流控溫技術準低溫儲藏試驗，研究表明應用了內環流控溫技術的試驗倉倉溫和表層糧溫均保持在25 ℃以下，平均糧溫控制在20 ℃以下，符合準低溫儲糧要求，宋峰[17]等研究表明倉溫控制在25.0 ℃以內，表層糧溫控制在 22.0 ℃以內，有利于糧食安全度夏；佘昆[18]等提出倉濕超過允許上限85%時，必須采取措施降濕；李興軍[19]等研究發現秋、冬季通風時期大氣相對濕度北方儲糧區為52.0%～68.5%。

本研究通過對氣象臺站與糧庫的溫、濕度進行對比和相關分析，發現氣象臺站溫濕度數據與糧庫外部溫濕度變化規律相同，相關系數達0.996，通過回歸方程計算出氣象臺站溫度超過 28 ℃會影響糧食安全，應及時采取措施降溫。黑龍江省夏季氣溫極值超過 40 ℃的高溫天氣出現概率極小，佳木斯地區氣象臺站建站以來歷史氣溫最高極值為38.9 ℃，綜合高大平房倉不同通風降溫措施、糧食種類、糧食熱容率、糧庫儲糧現代化發展因素等，結合氣象服務高溫指標的通用性、可行性，糧食倉儲氣象服務高溫指標確定為28 ℃，開倉通風降濕的條件為空氣濕度低于70%。氣象服務指標可為服務部門制作針對性、精細化、定量化糧食倉儲氣象服務產品奠定基礎，為糧食存儲部門規避不利氣象條件或提前采取有效的預防措施避免經濟損失或利用有利的氣象條件節省成本，保證糧食儲藏安全提供依據。

4 結論

本研究通過對氣象臺站溫、濕度與糧庫溫、濕度進行對比和相關分析，結果表明：

（1）氣象臺站實時溫、濕度數據與糧庫外溫、外濕變化規律相同，臺站溫度大多低于糧庫外溫，臺站相對濕度高于糧庫外濕，數據差值較小，溫度相關系數在0.996以上。

（2）氣象臺站日最高溫度與糧庫倉溫、表層最高糧溫相關性較好，相關系數達到0.90以上，倉溫變化滯后于臺站日最高氣溫變化1 d，表層最高糧溫滯后約30 d，氣象臺站日最高氣溫與倉溫回歸方程的截距均為負，各層最高糧溫為正，通過回歸方程根據臺站日最高氣溫預測倉溫和各層最高糧溫，滿足低溫、準低溫儲糧要求，回歸方程計算氣象臺站日最高氣溫低于28 ℃。

（3）氣象臺站相對濕度略高于糧庫外濕，極小值出現在春季，極大值出現在夏季，三個糧庫倉濕冬、春季高，夏季低，三個糧庫倉濕均控制在70%以下。

（4）糧食倉儲氣象服務高溫指標確定為28 ℃，開倉通風降濕的條件為空氣濕度低于70%。