洛川近地層夜間氣溫逆溫特征及空氣擾動(dòng)防霜可行性分析

曹雪梅，雷延鵬，王鵬，孫智輝（蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州70000；延安市氣象局，陜西延安76000；洛川縣氣象局，陜西洛川77400）

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洛川近地層夜間氣溫逆溫特征及空氣擾動(dòng)防霜可行性分析

曹雪梅1,2，雷延鵬2，王鵬3，孫智輝2
（1蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州730000；2延安市氣象局，陜西延安716000；3洛川縣氣象局，陜西洛川727400）

摘要：為了更加有效地在洛川開展蘋果花期霜凍預(yù)防技術(shù)試驗(yàn)與推廣，筆者利用洛川縣蘋果園梯度觀測(cè)塔觀測(cè)的溫度、風(fēng)速數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析了洛川近地層夜間氣溫逆溫特征。結(jié)果表明：洛川春季輻射降溫時(shí)，逆溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、溫差大、風(fēng)速小，具備開展空氣擾動(dòng)防霜的基本條件。洛川逆溫出現(xiàn)時(shí)間與日出日落時(shí)間密切相關(guān)，日落后逆溫形成，日出后逆溫消失。逆溫的平均強(qiáng)度為0.7～0.8℃，在冬季最大值出現(xiàn)在午夜，春季（4—5月）最大值出現(xiàn)在凌晨。春季出現(xiàn)輻射霜凍時(shí)，近地層平均逆溫強(qiáng)度在2℃以上，最大值可達(dá)4℃。逆溫的出現(xiàn)受天氣影響，當(dāng)夜間為陰天或有降水時(shí)，逆溫不會(huì)形成。風(fēng)速對(duì)逆溫的形成及強(qiáng)度影響極大，當(dāng)春季夜間風(fēng)速大于2.5 m/s時(shí)，逆溫基本上也不存在。

關(guān)鍵詞：洛川；近地層；逆溫特征；空氣擾動(dòng)防霜；天氣

0　引言

洛川縣位于黃土高原腹地，是全國蘋果優(yōu)生區(qū)，從1947年開始種植蘋果，至今面積已達(dá)3.387萬hm2，占總耕地面積的71%。2014年蘋果總產(chǎn)量76萬t，產(chǎn)值超30億元，農(nóng)民人均純收入11106元。蘋果生產(chǎn)經(jīng)常面臨著各種各樣的自然災(zāi)害。洛川縣蘋果遭受的自然災(zāi)害且造成損失的主要為霜凍、冰雹、大風(fēng)沙塵、干旱［1］。洛川是蘋果花期凍害的多發(fā)區(qū)和重發(fā)區(qū)［2-3］，據(jù)統(tǒng)計(jì)，花期凍害基本上3年1遇，但在2005年以后，凍害出現(xiàn)次數(shù)增多、強(qiáng)度增強(qiáng)，在2006、2007、2010、2013、2015年出現(xiàn)5次花期霜凍，影響較大［4］。防霜方法主要有覆蓋法、煙熏法、灌溉噴水法和擾動(dòng)防霜法，其中擾動(dòng)防霜技術(shù)就是根據(jù)逆溫這一特殊現(xiàn)象，使用裝備擾動(dòng)空氣，將上方暖空氣吹下與冠層冷空氣混合，從而提高冠層溫度，從而達(dá)到防除霜凍這一目的［5］。

國內(nèi)外學(xué)者利用擾動(dòng)空氣的原理對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行防霜，取得了一定效果［6-10］。Doesken等［11］和Antuio C等［12］指出，是否開啟風(fēng)扇防霜主要由逆溫強(qiáng)度和最低溫度決定，逆溫強(qiáng)度達(dá)到（1.5～2.0）℃/10 m以上時(shí)才有較好的增溫效果。

開展擾動(dòng)防霜，必須對(duì)近地層溫度垂直分布特征有所認(rèn)識(shí)，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同的下墊面進(jìn)行了觀測(cè)與研究。大多研究以城市為主，為污染擴(kuò)散預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)［13-16］。也有針對(duì)茶園、草地進(jìn)行過觀測(cè)與分析［17-18］，Ribeiro等［19］在蘋果園里試驗(yàn)測(cè)定了46個(gè)輻射霜夜的平均逆溫差（地面上方1.5、15 m處的溫差），發(fā)現(xiàn)其中17個(gè)夜晚均不小于4℃。洛川蘋果園區(qū)地處高原，氣候、地形條件、下墊面特征與之前研究不同。因此，本研究根據(jù)梯度塔觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析洛川近地層氣溫逆溫特征，認(rèn)識(shí)開展空氣擾動(dòng)防霜必需的近地層逆溫強(qiáng)度和出現(xiàn)的天氣條件，對(duì)空氣擾動(dòng)防霜可行性進(jìn)行初步分析，以期為推廣空氣擾動(dòng)防霜技術(shù)提供依據(jù)。

1　資料與方法

1.1研究區(qū)概況

洛川縣位于陜西中部，延安地區(qū)南部，地處渭北黃土高原溝壑區(qū)，109°133′144″—109°45'47"E，35°26′29″—36°04′12″N，境內(nèi)屬北溫帶大陸性濕潤(rùn)易干旱季風(fēng)氣候，年均氣溫9.2℃，年降水量622 mm，無霜期167天，日照充足，晝夜溫差大，平均海拔1072 m。蘋果主要種植在塬上，塬面平坦，土地寬廣，塬面上黃土松疏，土質(zhì)肥沃，是世界級(jí)的優(yōu)質(zhì)蘋果生產(chǎn)基地。

1.2資料來源

2013年以后，在洛川不同區(qū)域先后安裝小氣候梯度觀測(cè)塔3個(gè)，觀測(cè)2、4、6、8、10 m高度溫度和風(fēng)速。觀測(cè)儀器為：AV-14TH溫度傳感器（測(cè)量溫度量程-45～65℃，精度：±0.1℃）；AV-30WS型風(fēng)速風(fēng)向傳感器（北京雨根科技有限公司，量程：0～60 m/s，精度：±0.5m/s）。

資料時(shí)間為2014年10月—2015年5月。

1.3研究方法

溫度統(tǒng)計(jì)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。逆溫分析以洛川果樹研究所安裝的儀器觀測(cè)為準(zhǔn)，因最高只觀測(cè)到6 m高度，逆溫強(qiáng)度是6 m處溫度減去2 m溫度。

2　結(jié)果與分析

2.1逆溫出現(xiàn)時(shí)間

以12月和4月分別代表冬春季分析逆溫出現(xiàn)時(shí)間。12月，逆溫一般在17時(shí)出現(xiàn)，在次日8時(shí)消失；4月，逆溫開始時(shí)間為20時(shí)，結(jié)束時(shí)間在6時(shí)。分析逆溫開始與結(jié)束時(shí)間，與日出日落時(shí)間密切相關(guān)，日落后出現(xiàn)逆溫，日出后逆溫消失。如洛川12月日出時(shí)間在7:30—7:52之間，日落時(shí)間在17:29—17:38之間，日出后，逆溫逐漸消失。4月日出時(shí)間6:30—5:52，日落時(shí)間19:03—19:28之間，日落后，逆溫形成。

2.2逆溫強(qiáng)度

2013年12月，逆溫平均強(qiáng)度為0.8℃。由圖1a可知，逆溫最大的并不是出現(xiàn)在凌晨，而是出現(xiàn)在午夜2時(shí)，平均值為1.3℃。2014年4—5月，由于進(jìn)入春季后，云量增多、降水增多，因此并不是每個(gè)夜間均會(huì)出現(xiàn)逆溫，只有4月下旬和5月上旬逆溫明顯。統(tǒng)計(jì)這個(gè)時(shí)段的逆溫強(qiáng)度平均為0.7℃，2—6時(shí)逆溫明顯偏高，逆溫值在1℃以上，3—5時(shí)達(dá)到1.5℃以上（見圖1b）。

2.3輻射降溫逆溫情況

2014年5月5日，出現(xiàn)1次典型的輻射逆溫過程，天氣晴朗，微風(fēng)。整個(gè)夜間從0時(shí)開始，風(fēng)速基本小于1 m/s，5日凌晨最低氣溫為-0.6℃，形成霜凍天氣。以0時(shí)為界，前半夜，風(fēng)速較大，溫差較小，維持0.5℃以下，后半夜，溫差迅速增大，2～6 h溫差均達(dá)到2℃以上，持續(xù)5 h，平均值為3.1℃，其中以3～4 h溫差最大，達(dá)到4℃以上。

2015年5月9—12日，出現(xiàn)1次明顯的降溫天氣過程，最低溫度出現(xiàn)在5月12日，部分地方溫度降至0℃以下，洛川縣蘋果處于幼果期，出現(xiàn)了凍害。5月12日，天氣明朗，風(fēng)速普遍小于1 m/s，輻射降溫明顯。用10 min數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在19:30逆溫開始形成，至6:50消失，持續(xù)時(shí)間接近12 h，平均溫差為2.3℃（見圖2）。20:40—6:10溫差均大于1.5℃，持續(xù)時(shí)間9.5 h，最大溫差達(dá)到3.5℃。

2.4逆溫與氣象要素的關(guān)系

圖1　洛川縣12月、4月夜間近地層逆溫變化圖

圖2　洛川縣2015年5月12日夜間近地層逆溫溫差變化圖

2.4.1逆溫與云量筆者選擇2013年11月22日、25日、2014年4月19日的逆溫、風(fēng)速、云量、降水等進(jìn)行分析（見表1），可以看出，這3日的風(fēng)速較小，平均值為1.2 m/s，可以認(rèn)定風(fēng)速的影響較小。對(duì)應(yīng)的云量較多時(shí)，逆溫值小，而云量多時(shí)，逆溫值大。如11月25日，23時(shí)、5時(shí)云量為10成，相應(yīng)的逆溫值是0.9℃、0.2℃，而2時(shí)云量為4成，逆溫值為2.4℃，有明顯差異。4月19日不僅維持陰天，還有降水產(chǎn)生，逆溫完全消失。

2.4.2逆溫與風(fēng)速逆溫與風(fēng)速有很大關(guān)系，Snyder博士［20］指出，當(dāng)風(fēng)速大于2.5 m/s時(shí)，逆溫消失。筆者選擇洛川4月至5月上旬出現(xiàn)的夜間溫度與風(fēng)速數(shù)據(jù)160對(duì)，做出點(diǎn)聚圖，盡管點(diǎn)比較分散，還可以看到，點(diǎn)群的上包線具有1個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。與之對(duì)應(yīng)，風(fēng)速為2.5 m/s（圖3）。說明在洛川春季夜間風(fēng)速大于2.5 m/s時(shí)，逆溫基本上也不存在。

表1　洛川縣逆溫、風(fēng)速、云量分析表

續(xù)表1

圖3　洛川縣近地層逆溫與風(fēng)速分析圖

2.5空氣擾動(dòng)防霜可行性分析

空氣擾動(dòng)防霜也稱為送風(fēng)法，是當(dāng)近地面出現(xiàn)逆溫層時(shí)，用排風(fēng)扇或螺旋槳等送風(fēng)機(jī)吹風(fēng)，使上下層空氣混合，從而提高低層空氣溫度，達(dá)到防霜的目的。在美國，多利用大型風(fēng)機(jī)進(jìn)行防霜；在日本，以高速風(fēng)扇為主。風(fēng)扇防霜能否發(fā)揮作用，主要由逆溫強(qiáng)度和最低溫度決定，一般逆溫強(qiáng)度達(dá)到（1.5～2.0）℃/10 m以上時(shí)才有較好的增溫效果。根據(jù)前文對(duì)洛川2次霜凍過程夜間近地層逆溫強(qiáng)度分析，洛川逆溫強(qiáng)度達(dá)到2℃以上，最大值可達(dá)4℃，從逆溫強(qiáng)度這一點(diǎn)分析，洛川具備開展空氣擾動(dòng)防霜的條件。

3　結(jié)論與討論

（1）洛川逆溫出現(xiàn)時(shí)間與日出日落時(shí)間密切相關(guān)，日落后逆溫形成，日出后逆溫消失。逆溫的平均強(qiáng)度為0.7～0.8℃，在冬季最大值出現(xiàn)在午夜，春季4—5月，最大值出現(xiàn)在凌晨，逆溫強(qiáng)度春季還大于冬季。春季輻射降溫時(shí)，逆溫最大，可達(dá)到4℃以上。逆溫的出現(xiàn)受天氣影響，當(dāng)夜間為陰天或有降水時(shí)，逆溫不會(huì)形成。風(fēng)速對(duì)逆溫的形成及強(qiáng)度影響極大，當(dāng)春季夜間風(fēng)速大于2.5 m/s時(shí)，逆溫基本上也不存在。

2014年和2015年春季蘋果花期時(shí)，出現(xiàn)降溫天氣過程，在2014年5月5日、2015年5月12日形成輻射霜凍，出現(xiàn)蘋果受凍現(xiàn)象。這兩日逆溫非常明顯，溫差大于1.5℃持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，溫差大，風(fēng)速小，具備空氣擾動(dòng)防霜的條件。從這2個(gè)事例可得出在洛川出現(xiàn)輻射霜凍時(shí)可以通過空氣擾動(dòng)達(dá)到防霜目的。

（2）本研究是第1次對(duì)洛川近地層逆溫特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為開展空氣擾動(dòng)防霜提供技術(shù)支撐。洛川近地層逆溫強(qiáng)度小于其他文獻(xiàn)結(jié)論，這可能與洛川的地形和洛川平均風(fēng)速較大有關(guān)系。

（3）洛川蘋果花期凍害出現(xiàn)時(shí)，平流霜凍影響大，但出現(xiàn)平流霜凍時(shí)，風(fēng)速大，限制了空氣擾動(dòng)防霜的應(yīng)用。

（4）由于觀測(cè)時(shí)間較短，采用的輻射霜凍樣本數(shù)較少，可能對(duì)結(jié)論有一定影響，今后應(yīng)繼續(xù)開展研究和試驗(yàn)，提高防霜效益。

參考文獻(xiàn)

［1］李軍民.陜西洛川蘋果主要自然災(zāi)害及防災(zāi)減災(zāi)體系現(xiàn)狀［J］.果樹實(shí)用技術(shù)與信息,2013（10）:33-35.

［2］柴芊,栗珂,劉璐.陜西果業(yè)基地蘋果花期凍害指數(shù)及預(yù)報(bào)方法［J］.中國農(nóng)業(yè)氣象,2010,31（4）:621-626.

［3］柏秦鳳,王景紅,郭新,等.基于縣域單元的陜西蘋果越冬凍害風(fēng)險(xiǎn)分布［J］.氣象,2013,39（11）:1507-1513.

［4］孫智輝,馬遠(yuǎn)飛,高志斌.洛川蘋果花期凍害氣候特征及人工防霜可行性探討［J］.農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào),2015,5（11）:109-112.

［5］RibeiroA C, Melo-Abreu J P D, SnyderR L. Apple orchard frost protectionwith wind machine operation［J］.Agricultural and Forest Meteorology,2006,141（2/3/4）:71-81.

［6］Bonsal B R, Zhang X, Vincent L A, et al. Characteristics of daily and extreme temperature over Canada［J］.Journal of Climate,2001,14 （9）:1959-1976.

［7］尹憲志,王研峰,丁瑞津,等.大面積果園高架長(zhǎng)葉片防霜機(jī)的效果試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30（15）:25-32.

［8］胡永光,劉勝忠,沈建文.茶園無人直升機(jī)防霜試驗(yàn)研究［J］.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,44（5）:692-695.

［9］戴青玲,張勝波.早春逆溫條件下茶園高架風(fēng)扇防霜效果試驗(yàn)［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2009（4）:220-222.

［10］胡永光,李萍萍,戴青玲,等.茶園高架風(fēng)扇防霜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38（12）:97-99.

［11］Doesken N J, MeKee T B, Renquist A R. A climatological assessment of the utility of wind machines for freeze protection in mountain valleys［J］.ApplMeteorol,1989,28（3）:194-205.

［12］Antuio C, Ribeiro J, Melo-Abreu P D, et al. Apple orchard frost protection with wind machine operation［J］.Agricultural and Forest Meteorology,2006,141（2/4）:71-81.

［13］卞林根,程彥杰,王欣,等.北京大氣邊界層中風(fēng)和溫度廓線的觀測(cè)研究［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2013,13（特）:13-24.

［14］解以揚(yáng),劉學(xué)軍.天津氣象塔風(fēng)溫梯度觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)特征［J］.氣象, 2003,29（1）:12-16.

［15］周書華,倪長(zhǎng)健,劉培川.成都地區(qū)大氣邊界層逆溫特征分析［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2015,30（2）:108-111.

［16］張孟,林琳,張子宜.長(zhǎng)春市空氣質(zhì)量污染特征分析與防治對(duì)策［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2009,25（3）:57-61.

［17］胡永光,茆康前,朱霄嵐.晚霜茶園下墊面氣溫變化動(dòng)態(tài)［J］.浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2013,25（6）:1238-1242.

［18］朱寶文,宋理明,許存平.環(huán)青海湖地區(qū)草地近地層氣象要素變化特征［J］.中國農(nóng)業(yè)氣象,2007,28（4）:389-392.

［19］Ribeiro A C, Melo- Abreu J P, Snyder R L. Apple orchard frost protection with wind machine operation［J］.Agricultural and Forest Meteorology,2006,141（2/4）:71-81.

［20］Richardl.Snyder, J.Paulo De Melo- Abreu. Frost Protection: fundamentals, Practice, and economies- volume I［M］.Rome:Food and Agriculture Organization of the United Nations,2005.

Feasibility Analysis of Frost Protection and Characteristics of Nighttime Inversion on the Surface Layer of Luochuan County

Cao Xuemei1,2, Lei Yanpeng2, Wang Peng3, Sun Zhihui2
（1College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, Gansu, China;
2Meteorological Bureau of Yan’an, Yan’an 716000, Shaanxi, China;3Meteorological Bureau of Luochuan, Luochuan 727400, Shaanxi, China）

Abstract:In order to carry out an experiment on frost prevention technology in apple florescence effectively, the authors used the temperature and wind speed data obtained from the apple orchard gradient meteorological tower in Luochuan, adopted mathematical statistics method to analyze the characteristics of nighttime inversion on the surface layer. The results showed that: Luochuan had basic conditions for carrying out frost prevention when the radiation was cool in spring, with long lasting period, small temperature difference and low wind speed. The arisen time of inversion was closely related to the time of sunrise and sunset, the inversion formed after sunset, and disappeared after sunrise. The average intensity of inversion was 0.7-0.8℃, the maximum value appeared at midnight in winter, and before dawn in spring（April to May）. The mean intensity of inversion in the surface layer could be over 2℃and the maximum value could reach 4℃when the radiation frost occurred in spring. The inversion would not form when the night was cloudy or rainy or the wind speed was greater than 2.5 m/s at night in spring.

Key words:Luochuan; Surface Layer; Characteristics of Inversion; Frost Prevention; Weather

中圖分類號(hào)：P49

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：cjas15120017

基金項(xiàng)目：陜西省氣象局研究型業(yè)務(wù)重點(diǎn)科研項(xiàng)目“蘋果花期綜合防霜試驗(yàn)”（2015Z-8）。

第一作者簡(jiǎn)介：曹雪梅，女，1982年出生，陜西榆林人，工程師，本科，主要從事應(yīng)用氣象研究工作。

通信地址：716000陜西省延安市氣象局，Tel：0911-2294762，E-mail：cxm1027@163.com。 716000陜西省延安市氣象局，Tel：0911-2294195，E-mail：yaszh@163.com。

通訊作者：孫智輝，男，1967年出生，陜西延川人，正研級(jí)高工，本科，主要從事遙感及應(yīng)用氣象服務(wù)工作。

收稿日期：2015-12-23，修回日期：2016-02-21。