基于無人機擾動的果園防霜試驗研究

王榮英, 孟 純, 張九青, 許俊東, 侯曉杰, 姜 全

(1.衡水市氣象局，河北 衡水 053000；2.深州市良桑繁殖場，河北 深州 053800；3.衡水學院，河北 衡水 053000；4.北京市農(nóng)林科學院林業(yè)果樹研究所，北京 100093)

引 言

在全球氣候變暖大背景下，暖冬和暖春年份增多，同時春季氣溫不穩(wěn)定性也在增加，果樹花期遭遇晚霜凍害的風險在增大[1-4]，嚴重影響了果樹栽培的經(jīng)濟效益。每年3月下旬至4月初果樹萌動后，抗寒能力急劇下降，花期和幼果期抗寒力最差，此時若遭遇晚霜凍天氣，極易發(fā)生凍害。凍害輕則延遲發(fā)育，降低果實品質(zhì)和產(chǎn)量，重則絕收，給果農(nóng)造成嚴重的經(jīng)濟損失。

晚霜凍害發(fā)生時，近地層往往伴有逆溫現(xiàn)象(即上熱下冷現(xiàn)象)[5-6]，故農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有“霜打洼地”之說，低洼地帶和近地面處晚霜凍害更嚴重[7-10]。晚霜凍害的傳統(tǒng)防御措施有灌水、熏煙、覆蓋和噴水等。這些方法雖對防霜有一定作用，但存在效果較差、易造成環(huán)境污染或不便于實施等缺點[11-12]，在生產(chǎn)應用上受到一定限制。高架防霜風機是利用物理學方法，將上層的暖空氣與下層的冷空氣進行混合，提高下層空氣溫度，從而有效地預防晚霜凍害，防霜效果明顯[13-17]。高架防霜風機雖在生產(chǎn)上也有部分應用，但成本高、防霜范圍基本固定，且周年使用率低，不適合大規(guī)模推廣。無人機具有可移動、操作靈活、迅速和使用成本低等優(yōu)點，在防御晚霜凍害之余還可以另做它用。

本研究基于高架防霜風機的原理，利用無人機攪動近地層氣流，測試其對下層空氣的增溫效果，驗證晚霜凍害的防御能力，以期探尋一種“有效、快速、經(jīng)濟、安全”可移動的果園防霜技術，對果樹生產(chǎn)意義重大。

1 材料與方法

1.1 材 料

本試驗選取較強冷空氣過境后且夜間晴朗無風或微風的2020年4月21-23日在河北省深州市良桑繁殖場(38°01′37″N、115°27′40″E,海拔高度27 m)的桃園開展。桃樹樹齡2年，樹高1.1～1.3 m，株行距3 m×6 m，起壟種植，行間種植冬油菜，高度0.3～1.0 m。

選取大疆無人機ES(22日)和T20(23日)于該季節(jié)最低氣溫出現(xiàn)最多的時段(多為05-06時)進行小氣候干預。對比監(jiān)測無人機干預點和對照點的1.5 m、1.0 m和0.6 m三個高度的溫度(如圖1所示)，同時監(jiān)測對照點0.3 m高度的溫度和6.0 m處的風速，監(jiān)測儀器見表1(精度±0.1 ℃、測量范圍±50 ℃)，所有數(shù)據(jù)采集頻率均為每5 min 1次。

圖1 桃園溫度監(jiān)測高度示意圖

表1 桃園氣象監(jiān)測儀器說明

1.2 方 法

1.2.1 桃園溫度監(jiān)測

自4月21日20時至23日14時，在同一桃園內(nèi)，分別對無人機干預點(西)和對照點(東)1.5 m、1.0 m和0.6 m三個高度的溫度進行連續(xù)監(jiān)測。無人機干預點與對照點東西方向相距約500 m，其中對照點布設有果園小氣候監(jiān)測站。此外，還對0.3 m高度的溫度和6.0 m高度的風速進行監(jiān)測。無人機干預點和對照點均布設在果園內(nèi)，且遠離果園邊緣，不存在邊界效應影響。

1.2.2 無人機防霜試驗

22日05:12至06:18，使用大疆無人機MG-1S(參數(shù)見表2)，以干預點為中心，向東西方向各延展3行，南北方向(樹的行向)各延展60 m，沿桃樹行向依次飛行(圖2)，飛行高度約2.2 m，約10-12分鐘干預一次。

圖2 2020年4月22日無人機飛行路線及無人機干預點、對照點布置圖

表2 大疆無人機技術參數(shù)

23日04:49至06:02，使用大疆無人機T20，以干預點為中心，向東西方向各延長3～4 m，向南北方向各外延60 m，即在無人機干預點所在的一個樹檔子間沿樹的行向蛇形往返飛行，飛行高度約2.3 m，約1-2 min干預一次。

1.2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

試驗用所有的監(jiān)測儀器均為氣象部門規(guī)定的專業(yè)儀器，允許誤差范圍為±0.1 ℃。對比21日20時至23日14時無人機干預點和對照點各高度溫度的變化情況發(fā)現(xiàn)，無人機干預點1.0 m高度(CAWS620-MS型自動氣象站)溫度數(shù)據(jù)與其余5個溫度一致性較差，夜間溫度波動不同步，白天氣溫明顯偏高(5～10 ℃)，或存在儀器故障，故不對該數(shù)據(jù)分析。

2 結果分析

2.1 對照點近地面的逆溫情況

分析對照點1.5 m、1.0 m、0.6 m及0.3 m四個高度的溫度變化情況(重點分析夜間晚霜凍可能出現(xiàn)時段)及該點對應時刻的風速情況發(fā)現(xiàn)，2020年4月21日20:00至22日06:30、22日18:00至23日06:30，0.3-1.5 m高度處存在逆溫現(xiàn)象(如圖3)。0.6 m至1.0 m溫度差異最大，逆溫最強；0.3 m至0.6 m溫度差異很小，逆溫最弱。在無風或風速≤1.5 m/s情況下，溫度隨高度升高且上升幅度較大，近地面逆溫較強。風速>1.5 m/s時，各高度層有溫度驟升且各高度層間溫度差異變小，逆溫減弱，但逆溫一直存在，如21日21:55至23:00、22日00:05至02:10各高度層的溫度變化情況。1.5 m和0.3 m高度的溫差(排除風速的影響)顯示：17:30(日落前)開始出現(xiàn)逆溫，至21-22時前后達到最強，之后逆溫緩慢減弱，04:30至06:05又略有增強，之后迅速減弱直至消失。1.5 m和0.3 m的最大溫差為7.4 ℃。

圖3 2020年4月21日20時-23日14時對照點各高度層溫度變化圖

其中18:20至次日07:00，排除風速的影響，對照點1.5 m和0.3 m溫差多為≥3.0 ℃，逆溫現(xiàn)象明顯。根據(jù)最低氣溫的出現(xiàn)時間(22日05:20，23日05:40)，22日和23日無人機干預時段的選擇均比較合理。

深州市氣象站是距離該果園最近的國家級氣象站，位于深州市區(qū)內(nèi)。對比分析21日20時至23日14時深州市氣象站和果園內(nèi)對照點1.5 m氣溫和6.0 m風速(圖略)發(fā)現(xiàn):兩站溫度存在明顯差異，白天(07時至18時)兩站氣溫差值90%以上不足1.0 ℃，其中08時至15時果園內(nèi)對照點溫度高于深州市氣象站的，夜間(18時至次日07時)深州市氣象站溫度普遍高于對照點溫度，且差值較大，平均為6.4 ℃，最大值10.0 ℃(出現(xiàn)在23日02:15)；兩站的風速一致性較好，夜間(尤其是后半夜)風速較小，大部分時段風速不足1.0 m/s，白天風速相對較大。

2.2 無人機干預效果分析

2.2.1 4月22日試驗結果

22日無人機干預時段為05:12至06:18，各高度層的溫度變化均較為平緩(圖4)。對照點各高度層氣溫維持偏低狀態(tài)持續(xù)至05:45(日出后10 min左右)，之后受陽光照射影響，氣溫緩慢上升。05:12無人機開始干預后，干預點0.6 m和1.5 m處溫度分別從-5.8 ℃和-2.4 ℃緩慢持續(xù)升高，05:35日出，10 min后受陽光照射溫度上升速率增加。表明自無人機干預時起,干預點溫度開始升高，但升溫效果微弱，或因干預的程度不夠。

圖4 2020年4月22日各高度層溫度變化圖

由0.6 m高度處無人機干預點和對照點溫度曲線(圖4)可看出，05:15(干預開始時間)兩線分離，干預增溫效果開始顯現(xiàn)；05:45兩線的距離達到最大，即無人機干預增溫效果達到最大(1.3 ℃)；06:15(干預結束時間)以后兩線距離逐漸縮小，06:20后兩線幾乎重合，無人機干預增溫效果消失。

對比1.5 m高度處無人機干預點和對照點溫度曲線(圖4)發(fā)現(xiàn)，05:15(干預開始時間)兩線分離，干預增溫效果開始顯現(xiàn)；05:25兩線的距離達到最大，無人機干預增溫效果達到最大(1.3 ℃)；之后兩線距離逐漸縮小，05:50后兩線幾乎重合，無人機干預增溫效果消失時間較0.6 m高度的提前25 min左右。

從22日早晨各高度溫度差值(溫度差值為T干預點-T對照點)曲線圖(圖5)來看，0.6 m高度04:30至05:10溫度差值接近于0;無人機開始干預時(05:15)差值緩慢增加，干預效果顯現(xiàn);至05:45差值達到最大(1.3～1.4 ℃);05:45至06:15(干預期間)差值穩(wěn)定在1.3～1.4 ℃，即期間無人機干預的結果是增溫1.3～1.4 ℃。飛行結束(06:15)后差值迅速下降，06:25之后差值徘徊在0 ℃左右，即無人機干預的效果消失。1.5 m高度的溫度差值變化為無人機開始干預時(05:15)差值緩慢增加；05:25差值最大，為1.3 ℃；之后溫度差值開始下降，至05:50差值接近于0，即無人機干預的效果消失。

圖5 2020年4月22日各高度層干預點和對照點溫度差值變化圖

從22日無人機干預點和對照點各高度層溫度對照來看(表3)，干預點0.6 m高度溫度<-2 ℃的結束時間比對照點的早5 min，極端最低氣溫比對照點的高0.3 ℃，1.5 m高度溫度<-2 ℃的結束時間比對照點的早30 min，極端最低氣溫比對照點的高0.7 ℃。

表3 果園各高度層溫度對照

2.2.2 4月23日試驗結果

對照點05:45(日出后10 min左右)之前各高度溫度持續(xù)偏低(見圖6);05:45之后受陽光照射影響各層氣溫持續(xù)上升;07:15左右各高度層溫度趨于一致。04:50無人機干預開始時，干預點0.6 m和1.5 m高度的溫度曲線出現(xiàn)拐點，表現(xiàn)為迅速升高，至05:15再次出現(xiàn)拐點，之后溫度上升趨勢變緩。無人機干預的前25 min內(nèi)干預點0.6 m和1.5 m溫度分別由-5.2 ℃和-2.2 ℃上升到-1.8 ℃和0.3 ℃，分別上升了3.4 ℃和2.5 ℃，平均上升3.0 ℃。05:15以后各高度層溫度多>-1.5 ℃，且各高度層間溫度差異較小。

圖6 2020年4月23日各高度層溫度變化圖

對比0.6 m高度有無人機干預點和對照點的溫度曲線(圖6)發(fā)現(xiàn)，04:50(干預開始時間)兩線開始分離，干預效果顯現(xiàn)；05:15兩線的距離達到最大，無人機增溫效果達到最大；06:00(干預結束時間)以后兩線距離逐漸縮小，06:30后兩線幾乎重合，干預效果消失。

1.5 m高度有無人機干預點和對照點的溫度曲線(圖6)，與0.6 m高度的類似：04:50兩線開始分離，干預效果開始顯現(xiàn)；05:15兩線的距離達到最大，無人機增溫效果達到最大；06:00以后兩線距離逐漸縮小，06:20后兩線幾乎重合，干預效果消失，消失時間較0.6 m的提前10 min。

無人機干預情況下，各高度上的最低氣溫均出現(xiàn)在無人機干預的開始時間，之后各高度層溫度持續(xù)上升，且不同高度間溫度差異減小，趨于一致。

從23日早晨各高度溫度差值曲線圖(圖7)來看，0.6 m高度04:00至04:40溫度差值(干預點溫度減對照點溫度)接近于0，無人機干預開始時(04:49)差值劇增，至05:15差值達到5.2 ℃，05:15至06:00(干預期間)差值穩(wěn)定在5 ℃左右，即期間無人機干預的結果是增溫5.0 ℃左右。飛行結束后差值迅速下降，06:30之后差值徘徊在0 ℃左右，即無人機干預的效果消失。1.5 m高度溫度差值變化曲線與0.6 m的相似，只是05:15至06:00(飛行結束時)差值穩(wěn)定在2.0～3.0 ℃，較0.6 m高度的低2～3 ℃，即期間無人機干預的結果是增溫2～3 ℃，06:30之后無人機干預的效果消失。

圖7 2020年4月23日各高度層干預點和對照點溫度差值變化圖

從23日無人機干預點和對照點各高度層溫度對照來看(表3)，干預點0.6 m高度溫度<-2 ℃的結束時間比對照點的早70 min，極端最低氣溫比對照點的高1.0 ℃，1.5 m高度溫度<-2 ℃的結束時間比對照點的早55 min，極端最低氣溫比對照點的高0.3 ℃。

23日干預程度增強，無人機干預的0.6 m、1.5 m高度溫度分別有5 ℃左右和2～3 ℃的升高，<-2 ℃的結束時間均明顯比對照點的早，增溫效果明顯。

2.3 果園凍害調(diào)查

在霜凍出現(xiàn)后7天，對該果園同一品種的桃樹進行災害調(diào)查。在無人機干預點周圍選取20棵桃樹，在對照點周圍選取10棵，分別統(tǒng)計每棵樹樹梢的總數(shù)、受凍數(shù)和嚴重受凍數(shù)。調(diào)查結果顯示，干預區(qū)和對照區(qū)的果園幼樹的樹梢都出現(xiàn)明顯受凍現(xiàn)象，尤其是長度超過5 cm的新梢，受凍較重，長度不足2 cm的新梢受凍較輕。無人機干預區(qū)的樹梢受凍率為81.3%，嚴重受凍率為22.9%;對照區(qū)的樹梢受凍率為77.7%，嚴重受動率為29.0%。兩種環(huán)境下的樹梢受凍率差異不顯著(P>0.05)。通過分析低溫持續(xù)時間發(fā)現(xiàn)，無人機干預前，桃樹樹梢所在高度(0.5-1.3 m)溫度已經(jīng)降至-2 ℃以下，且持續(xù)了2～3小時(見表3)，故可能凍害在無人機干預前就已經(jīng)形成。

3 討論與結論

3.1 討 論

對于生產(chǎn)上常用的霜凍防御措施(灌水、熏煙、覆蓋和噴水等)的效果，余衛(wèi)東等[18]認為，灌溉可提高冬小麥田間最低氣溫0.1～0.6 ℃，可減少氣溫≤0 ℃的持續(xù)時間1～2 h；陳家豪等[19]研究了煙幕防御低溫的效應，認為熏煙可以有1～2 ℃的增溫效果，但受天氣條件限制較大；蔡文華等[20]認為稻草覆蓋的防凍效果較好，但存在火災隱患且不易實施；陳加紅[21]發(fā)現(xiàn)長時間持續(xù)噴水可使梨園氣溫維持在0 ℃以上,好于燃放煙霧的防凍效果，但需配套水井、電和噴水設施。

無人機擾動的果園防霜措施要求近地面必須存在逆溫現(xiàn)象。蘭忠明[22]、蔡文華[23]、尹憲志[24]等分析了果園內(nèi)的逆溫特征，尹憲志發(fā)現(xiàn)天水市春季(3-5月)，當17時至次日08時風速<3.3 m/s時，往往伴隨逆溫現(xiàn)象。說明無人機防霜措施實施的先決條件較易滿足。

無人機干預的結果是各高度溫度均有所升高，且高低層溫度趨于一致，這與李萍萍[6]、胡永光[15]等的研究結論一致；干預頻繁、干預力度較大的23日增溫效果更明顯，也表明了22日無人機干預的力度不夠。無人機干預的增溫效果或因逆溫強度、干預頻率、干預風速、飛行高度不同而不同，最佳干預頻率、干預風速、飛行高度及飛行路線間隔距離均有待繼續(xù)研究。開展試驗的果園樹齡為2年，樹高不足1.5 m，行間種植冬油菜，試驗是在輻射型降溫的天氣形勢下開展的，其他果園無人機干預的增溫效果或略有不同。本試驗無人機開始干預時果園低溫已經(jīng)持續(xù)了較長時間，所以干預過的果園幼樹仍然發(fā)生了凍害。

3.2 結 論

(1)輻射型晚霜凍發(fā)生時，果園0.3-1.5 m高度處存在逆溫現(xiàn)象，其中0.6 m至1.0 m逆溫最強，0.3 m至0.6 m逆溫最弱。在無風或風速≤1.5 m/s情況下，溫度隨高度升高且上升幅度較大，近地面逆溫較強；風速>1.5 m/s時,各高度層溫度驟升且各高度層間溫度差異變小，逆溫減弱，但逆溫一直存在。排除風速的影響，逆溫在日落之前就已形成，之后逆溫不斷增強，至21-22時前后達到最強，之后逆溫緩慢減弱，黎明前又略有增強，之后迅速減弱直至消失。其中18:20至次日07:00，排除風速的影響，對照點1.5 m和0.3 m溫差多為≥3.0 ℃，逆溫現(xiàn)象明顯。

(2)無人機干預的效果：自干預時起0.6 m和1.5 m高度溫度都有升高，低層增溫更明顯，干預的結果是高低層溫度趨于一致。干預點<-2 ℃的結束時間早于對照點的結束時間，干預點的極端最低氣溫高于對照點的。

(3)無人機干預果園小氣候，在干預頻率和干預風力足夠的情況下，干預25 min左右，增溫效果達到最大(0.6 m可增溫5.0 ℃左右，1.5 m可增溫2.0～3.0 ℃，增溫效果明顯)，之后在無人機干預期間，干預效果維持最大水平，停止干預后，干預效果逐漸減弱，半小時后干預效果消失。