旱區(qū)果園晚霜凍日的溫濕度時空分布及變化規(guī)律

段曉鳳，李紅英，衛(wèi)建國，張 磊，馬國飛，朱永寧

(1.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.中國氣象局 旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；3.寧夏氣象科學(xué)研究所，寧夏 銀川 750002；4.寧夏氣象信息中心，寧夏 銀川 750002)

前言

溫濕度條件是影響果樹發(fā)育生長、形成產(chǎn)量和品質(zhì)的重要條件，也是導(dǎo)致各種病蟲害、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的重要影響因素。在氣候變化的背景下，春季溫度有升高趨勢，旱區(qū)果樹春季開花早，經(jīng)常遇到晚霜凍害，輕者造成減產(chǎn)，重者絕收。2012年4月11日出現(xiàn)的降雪在樹枝和花上形成冰凍，延長了花的受凍時間，加重了受凍程度，當年蘋果產(chǎn)量受到明顯影響。2013年4月5-10日寧夏全區(qū)出現(xiàn)的霜凍達到了重度以上霜凍等級，灌區(qū)經(jīng)濟林果受凍率在98%以上，其中蘋果中的富士受凍最為嚴重。2014年下旬至5月上旬，我區(qū)多次出現(xiàn)霜凍天氣，5月2日、3日、4日、5日、10日、11日、12日和15日清晨，全區(qū)大部或局部地區(qū)出現(xiàn)了輕霜凍或霜凍。特別是5月4日清晨，我區(qū)出現(xiàn)了大范圍明顯降溫過程，各果園的最低氣溫普遍降到了-2～-3℃，并且低于0℃的氣溫持續(xù)時間長達6～8 h。處于幼果至果實膨大期的蘋果由于霜凍發(fā)生頻繁，造成幼果普遍受凍，產(chǎn)生大量僵果、落果，座果率顯著降低，部分低洼地、通透性較差的果園受凍非常嚴重。河?xùn)|生態(tài)園藝試驗中心、中寧轎子山林場和孫家灘等地蘋果幼果的受凍率普遍在50%～60%以上，部分達95%以上，幾乎絕產(chǎn)。因此，晚霜凍害已成為部分旱區(qū)果樹發(fā)展的限制因子，明顯影響了該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。同時，濕度一方面影響果樹春季開花的早晚，也對霜凍過程及其災(zāi)害形成具有一定的影響[2-3]，郭小芹等學(xué)者研究結(jié)果認為對于霜凍，濕度條件也是非常重要的致災(zāi)因子。因此，把握春季霜凍日的溫濕度條件是果樹防災(zāi)減災(zāi)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。

關(guān)于果園氣象條件的研究已有不少[4～7]，包括對座果率或果實品質(zhì)的影響方面研究[8～10]，對果園日?；虿煌竟?jié)小氣候特征的分析，以及對經(jīng)濟林果晚霜凍發(fā)生的低溫閾值的研究[11～15]，但專門針對果園晚霜凍過程中天氣條件規(guī)律的研究則很少[16～18]。筆者在前期研究的基礎(chǔ)上，分析了旱區(qū)春季霜凍日果園內(nèi)溫度和濕度的日時間變化和空間變化規(guī)律，為開展園內(nèi)霜凍預(yù)報和災(zāi)害防御提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 站點及數(shù)據(jù)來源

1.1 站點布設(shè)介紹

研究區(qū)域在寧夏銀川靈武市臨河鎮(zhèn)陶林園藝場，地處寧夏中部，北依長城與陶樂相鄰，西與銀川市隔河相望，東接磁窯堡鎮(zhèn)。園藝場總面積1 320 hm2，其中心位于38.38°N，106.45°E，海拔1 250 m。該試驗場進行園藝生產(chǎn)、水果生產(chǎn)經(jīng)營、新品種技術(shù)試驗推廣應(yīng)用等工作，現(xiàn)已建成了寧夏省級果樹良種苗木繁育場，同時建成了林果百花園、品種示范園、反季節(jié)水果生產(chǎn)示范園等。屬于典型的中溫帶干旱氣候，其特點：春遲秋早，四季分明、日照充足、熱量豐富、蒸發(fā)強烈、氣候干燥、晴天多、雨雷少。全年日照時數(shù)3 080.2 h，平均無霜期157 d，生長季170 d，≥10℃年平均積溫為3 351.3℃，年平均氣溫8.8℃，年均降水量206.2～255.2 mm。土壤類型為砂壤土，土質(zhì)深厚肥沃。果園內(nèi)蘋果樹樹齡為10 a，生長發(fā)育良好。

為觀測果園小氣候，試驗組在果園布設(shè)4個PC-3型移動式自動氣象站(全要素數(shù)字氣象站)，分別命名為A、B、C、D點，各點經(jīng)緯度分別為：A：38°23′07.3″N, 106°27′47.3″E，B：38°22′45.3″N，106°28′39.3″E，C：38°22′50.8″N，106°26′50.0″E，D：38°22′28.0″N, 106°27′16.1″E。其中，A、B點間距離為1.74 km，A、C點間距離為1.84 km，A、D點間距離為1.55 km，B、C點間距離為3.37 km，B、D點間距離為2.62 km，C、D點間距離為1.07 km；A、B、C、D四點分別到黃河邊直線距離分別為：0.35 km、1.1 km、0.3 km、1.05 km[17]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)資料取自A、B、C、D四個自動氣象觀測站點1.5米和3.0 m處氣溫、濕度監(jiān)測的逐小時數(shù)據(jù)，時間段為2012-2015年期間4-5月，根據(jù)大田霜凍實地調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計霜凍發(fā)生日4個站共31個樣本，監(jiān)測頻率為10 min。

2 方法

采用數(shù)理統(tǒng)計和SPSS相關(guān)性分析方法，計算四個自動氣象站每個霜凍日果園內(nèi)不同冠層的溫度及濕度平均值，并分析其時間分布和變化的規(guī)律。為確定空氣溫濕度在果園中的空間分布及變化規(guī)律，計算、對比分析了四個站點果園不同高度冠層溫濕度的最大值、最小值、平均值、日較差或極差。研究還通過對比不同高度冠層溫濕度變化速度特征，分析總結(jié)了其與霜凍發(fā)生可能性的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫

3.1.1 日氣溫時間分布及變化規(guī)律 由果園中A、B、C、D站點日氣溫(圖1)可知，果園內(nèi)發(fā)生霜凍當日氣溫變化呈單峰曲線狀，最低氣溫出現(xiàn)的時間一般集中在凌晨5:00左右，氣溫最高值出現(xiàn)在下午15:00左右，且果園內(nèi)不同高度出現(xiàn)日最高氣溫和最低氣溫的時間分別同步。

圖1 四個站點氣溫日變化過程

(注：環(huán)溫/濕1為果樹3m高處溫度/濕度，環(huán)溫/濕2為果樹1.5m高處溫度/濕度)

太陽輻射穿過果樹林冠時，一部分被吸收，一部分被反射，一部分被投射到林內(nèi)，使果園內(nèi)閣層次的太陽輻射和溫度較之到達冠層表面顯著減少，從而使果園內(nèi)各層氣溫的空間分布有所差異，導(dǎo)致各層蘋果生長有著不同程度的差異。日出后地面溫度升高速度快，導(dǎo)致高度越低的位置受地面輻射影響而溫度升高越快，直到日落后，地面溫度下降迅速，因此園內(nèi)8:00左右至17:00左右，1.5 m處氣溫高于3 m處，其他時段均低于3 m處。

3.1.2 日氣溫空間分布及變化規(guī)律 霜凍日果園內(nèi)不同冠層溫度分布如表1所示，各站點3m高處最低氣溫-4.1～0.3℃，最高氣溫17.6～19.2℃，日較差18.9～22.0℃，平均氣溫為7.1～9.8℃。其中，C點最低氣溫和日平均氣溫較其他3個點高，但日較差最小，這是因為C點靠近黃河主河道，熱容量大，氣溫相對較高并且平穩(wěn)，相對其他地理位置不易發(fā)生霜凍；A點最低氣溫和日平均氣溫相對其他站點最低，日較差最大，最易發(fā)生霜凍，果園3 m高處按照霜凍發(fā)生可能性從大到小排序，依次為A>D>B>C。

1.5 m高處最低氣溫在-3.9～-0.6℃，最高氣溫在18.1～20.3℃，日較差20.9～22.8℃，日平均氣溫7.3～9.8℃。同3 m高處氣溫分布相同，C點日較差較小，不易發(fā)生霜凍；A點和D點最低氣溫相當，相對容易發(fā)生霜凍。果園1.5 m高處按照霜凍發(fā)生可能性從大到小排序，依次為D>A>B>C，分布特征基本同于3 m高處，且符合寧夏自治區(qū)灌區(qū)春天多為偏北風為主的氣候特征。

對比兩個冠層氣溫分布特征，A點3 m和1.5 m高處最低氣溫相當，其他三個監(jiān)測站點3 m處最低氣溫比1.5 m處高0.6～1.5℃，說明果園內(nèi)較低的花果比上層易遭受霜凍危害。各點3 m日溫度最高值較1.5 m處低0.2～1.1℃，因為出現(xiàn)最高溫的時段中，果樹的冠層下部由于枝葉遮擋只接受了一部分太陽輻射，而冠層上部吸收了更多太陽輻射的熱量，溫度較高。各點3 m高處日較差較1.5 m處低0.8～2.0℃，這是因為越接近地面，受地面輻射變化的影響越大，溫度起伏差異越大；各站點日較差相比A點最大，對蘋果糖分積累及品質(zhì)的形成較為有利。

表1 果園各站點空氣日平均氣溫統(tǒng)計 (℃)

3.2 空氣相對濕度變化規(guī)律

3.2.1 空氣相對濕度時間分布及變化規(guī)律 由果園中A、B、C、D站點的相對濕度(圖2)可知，果園內(nèi)發(fā)生霜凍當日相對濕度變化呈單峰曲線狀，但與溫度不同的是曲線開口向上，即溫度變化曲線開口向下，濕度變化曲線開口向上，且變化趨勢呈對稱相近。

最大濕度出現(xiàn)的時間一般集中在凌晨5:00至6:00之間，最小濕度出現(xiàn)在15:00左右，即溫度最低時往往濕度最大，溫度最高時濕度最小。由表2可知。溫濕度二者呈顯著負相關(guān)，且均達0.01顯著性。這是由于在絕對濕度不變的情況下，溫度下降意味著空氣含有水蒸氣飽和量變小，相對濕度增大；溫度升高意味著空氣含有水蒸氣飽和量變大，相對濕度變小。

表2 各冠層溫度與濕度相關(guān)系數(shù)

3.2.2 空氣相對濕度空間分布及變化規(guī)律 霜凍日果園內(nèi)不同冠層空氣相對濕度分布如表3所示，各站點3m高處最低空氣相對濕度在17.1%～19.4%，最高49.0%～69.9%，極差變化范圍在31.8%～50.5%，各點相對濕度平均值為31.7%～42.2%。其中，距離黃河較近的A、C點最大空氣濕度、最小空氣濕度、平均空氣濕度均大于距離果園中心較近的B、D點，這是由于離黃河越近，較高冠層的空氣濕度越大；A、C點相對濕度極差變化范圍也較果園中心大，說明果園邊緣更易受園外環(huán)境影響。

圖2 四個站點空氣相對濕度日變化過程

1.5 m高處最低空氣相對濕度在17.8%～19.0%，最高58.2%～67.3%，極差變化范圍在39.3%～49.5%，各點相對濕度平均值為36.6%～40.3%。其中，A、D點的最大相對濕度、平均相對濕度和極差變化范圍較B、C點大，最小相對濕度均在18.0%左右，說明果園較低冠層空氣濕度受外界環(huán)境影響較小，而主要受園內(nèi)水汽交換及小氣候環(huán)境影響。

距離黃河較近的A點和C點，3 m高處空氣相對濕度大于1.5 m高處，且隨著向果園內(nèi)部方向空氣濕度逐漸小于1.5 m高處，這是因為果園邊緣易受外界環(huán)境的影響，加之離河較近，高處空氣濕度和變化幅度大，而在果園內(nèi)部，由于冠層的遮擋，越接近地面土壤水分蒸發(fā)及冠層蒸騰越難以到達外界，空氣濕度易達到較大值。

表3 果園各站點空氣相對濕度統(tǒng)計 (%)

3.3 不同高度冠層溫濕度變化速度對比

同一高度的溫濕度隨時間變化趨勢相反，但其變化速度有什么規(guī)律,筆者對4個站點各冠層的溫濕度變化速度進行對比分析。

3.3.1 3 m高處溫濕度變化速度對比 同拋物線，曲線的X2系數(shù)的絕對值越大，開口越小，表示單位時間內(nèi)溫濕度的變化速度大；反之，曲線的X2系數(shù)的絕對值越小，開口越大，表示單位時間內(nèi)溫濕度變化速度小。據(jù)此，發(fā)現(xiàn)果園3 m高處溫度的變化速度均小于濕度的變化速度，溫度變化速度按照由大到小的順序依次為：A>D>B>C，其中，B點和C點基本相當；濕度變化速度由大到小的順序與溫度基本相同，與發(fā)生霜凍可能性的排序也一致。由此可見，果園3 m高處溫濕度變化速度越大，越容易發(fā)生霜凍。

圖3 果園3 m高處溫濕度變化速度對比

3.3.2 1.5 m高處溫濕度變化速度對比 由圖4可知，果園1.5m高處溫度的變化速度小于濕度的變化速度，溫度變化速度由大到小的順序依次為A>D>B(C)，各點之間差異較?。粷穸茸兓俣扔纱蟮叫〉捻樞蛞来螢镈>A>C>B，與霜凍發(fā)生的可能性也基本一致。因此，同3 m高處一樣，溫濕度變化速度越大，越容易發(fā)生霜凍。

3.3.3 不同冠層高度溫濕度變化速度對比 根據(jù)圖3、圖4，可知，果園3 m高處溫濕度變化速度普遍小于1.5 m處，即1.5 m處更易發(fā)生霜凍，與前文研究結(jié)果一致。

圖4 果園1.5 m高處溫濕度變化速度對比

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

果園內(nèi)發(fā)生霜凍當日氣溫變化呈單峰曲線狀，最低氣溫出現(xiàn)的時間一般集中在凌晨5:00左右，氣溫最高值出現(xiàn)在下午15:00左右；8:00左右至17:00左右，1.5 m處氣溫高于3 m處，其他時段均低于3 m處，冠層較低的花果比上層易遭受霜凍危害。

相對濕度變化呈單峰曲線狀，但變化曲線開口向上，且變化趨勢與溫度呈對稱相近。最大濕度出現(xiàn)的時間一般集中在凌晨5:00至6:00之間，最小濕度出現(xiàn)在15:00左右，即溫度最低時往往濕度最大，溫度最高時濕度最小。溫濕度二者呈顯著負相關(guān)，且均達0.01顯著性。

果園1.5 m冠層空氣濕度受外界環(huán)境影響較小，而主要受園內(nèi)水汽交換及小氣候環(huán)境影響，果園較高冠層邊緣更易受園外環(huán)境影響。因此，距離黃河較近的A點和C點，3 m高處空氣相對濕度大于1.5 m高處，且隨著向果園內(nèi)部方向空氣濕度逐漸小于1.5 m高處。

果園內(nèi)不論哪個冠層，溫度的變化速度一般小于濕度，且溫濕度變化速度越大，越容易發(fā)生霜凍。

4.2 討論

筆者采用數(shù)理統(tǒng)計及SPSS相關(guān)分析了果園發(fā)生霜凍當日氣溫、空氣相對濕度隨時間變化的規(guī)律和空間變化規(guī)律，與郭秀明[4]、楊洋[10]、段曉鳳[11]等學(xué)者的研究成果相符合，但果園內(nèi)受坡度、坡向、海拔高度等地理因素的影響，導(dǎo)致同一果園內(nèi)不同位置溫濕度差異大的現(xiàn)象。如果能“由點推面”計算出整個果園任意點溫濕度值，那么就可以根據(jù)天氣預(yù)報結(jié)果預(yù)報果園任意點的溫濕度值，進而更精確地預(yù)報霜凍等級。而現(xiàn)在氣象條件的監(jiān)測和預(yù)報從以往的大監(jiān)站和區(qū)域小氣候站開始轉(zhuǎn)向格點化，逐漸實現(xiàn)以點插值到面，這可為今后果園霜凍精準化預(yù)報提供發(fā)展基礎(chǔ)。