大面積果園春季近地逆溫分布特征初探

尹憲志,王研峰,丁瑞津,張豐偉,付雙喜

(1.中國氣象局 蘭州干旱氣象研究所 甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室/中國氣象局 干旱氣候變化與減災重點開放實驗室,甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省人工影響天氣辦公室,甘肅 蘭州 730020)

大面積果園春季近地逆溫分布特征初探

尹憲志1,2,王研峰2*,丁瑞津2,張豐偉2,付雙喜2

(1.中國氣象局 蘭州干旱氣象研究所 甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室/中國氣象局 干旱氣候變化與減災重點開放實驗室,甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省人工影響天氣辦公室,甘肅 蘭州 730020)

摘要：為了科學利用逆溫資源有效防御霜凍,利用天水市大面積果園近地氣溫、風速觀測資料,分析了春季(3～5月)近地逆溫的時空分布特征及風速對其的影響。結果表明：不同高度處的氣溫呈現出“一峰一谷”的月變化特征,在1～10 m高度范圍內,3月(4月、5月)的逆溫在17:00至次日8:00(7:00、7:00)出現,從中高層(8～10 m)最先開始形成,在近地層(1～2 m)最先開始消亡；3月、4月、5月逆溫的可連續維持時間分別為15、15、14 h；逆溫形成集中在17：00～19：00；3月、4月逆溫消亡時間集中在8：00～10：00,5月逆溫消亡時間集中在7：00～9：00；1～10 m逆溫強度呈現出先增加后減小的變化特征,3、4、5月分別在24:00至次日7:00、24:00至次日6:00、22:00至次日4:00較強；在逆溫存在時間段內,當風速小于(或大于)3.3 m/s時,逆溫較明顯(或不明顯)。

關鍵詞：果園;逆溫;時空分布；風速

0引言

近年來氣候多變,春季時常發生晚霜凍,嚴重影響果林業作物。果林業作為西北特色產業,近年來得到了快速的發展,但受霜凍、強降溫等自然災害嚴重影響,遭受了巨大的經濟損失,例如,2013年4月5～6日,受較強冷空氣影響,甘肅局部地區出現低溫霜凍災害,造成天水、平涼、隴南、臨夏、酒泉等9市(州)29個縣(區)204.6萬人受災,農作物受災面積17.15萬hm2,其中絕收0.75萬hm2,直接經濟損失20.7億元。其中天水市受災果樹面積近1.77萬hm2,直接經濟損失9.2億元。因此防霜凍技術的研究顯得十分必要,尤其利用氣候資源開展防霜凍研究。

逆溫是對流層中氣溫隨高度上升而增高的現象[1],近地逆溫主要出現在日落至日出左右晴空無云或少云風速較小的夜晚[2-3],是一種可利用的氣候資源,因此深入研究近地逆溫的分布規律,對合理布局農作物品種,減輕強降溫對農作物造成的傷害具有十分重要的意義?；糁螄萚4]研究了山區逆溫資源的開發利用。蘭忠明等[5]研究了山地丘陵坡地逆溫效應,結果表明在山坡的中上部逆溫效果好,應盡量種植不耐寒果樹,可以在很大程度上減輕低溫對果樹造成的直接凍害。李萍萍等[6]研究了茶園近地層逆溫隨高度的變化。

國內外基于擾動空氣的原理利用逆溫資源對農作物進行防霜,取得了一些效果[7-8]。目前,對天水市果園近地層逆溫的研究較少,利用逆溫資源防霜凍有一定的盲目性。甘肅省河東地區大范圍連續性霜凍主要發生在4月下旬至5月中旬[9]。因此本文利用甘肅省天水市麥積區花牛蘋果基地2014～2015年春季(3～5月)氣象觀測數據,分析研究了果園近地層逆溫及風速對逆溫的影響,以期為今后在果園有效利用近地層逆溫資源防御霜凍提供科學依據。

1研究區概況

天水市花牛蘋果基地位于甘肅省天水市麥積區城郊南山(105°49′E,34°33′N),海拔高度約為1260 m,所在地區屬于大陸性暖溫帶半濕潤氣候區,年平均氣溫為11 ℃,年降水量為500～600 mm,年平均日照時數為1935.4 h,無霜期185 d左右。花牛蘋果種植面積已達1.67萬hm2,掛果面積1.07萬hm2,預計產量16萬t,產值4.8億元?，F已發展成為西北地區規模最大的優質花牛蘋果示范性生產基地、農業部和科技部的現代農業示范基地。

2資料來源及方法

2.1資料來源與處理

本文采用甘肅省人工影響天氣辦公室“天水市果園防霜試驗基地”梯度塔2014～2015年3～5月的觀測資料(表1),觀測儀器標準和方法均符合氣象觀測規范。其中,溫度測量精度為 ±0.1 ℃,測量范圍為-50～60 ℃；風速風向傳感器測量精度為±0.1 m/s,測量范圍為0～70 m/s。采用基于GPRS的遠程氣象觀測數據實時采集傳輸系統,進行自動定時觀測。剔除降水期間的觀測資料。

表1　2014年3～5月天水果園防霜試驗基地梯度塔觀測項目及資料

2.2分析方法

高度差：ΔH=H2-H1,其中H2、H1分別是某一高度處距地的距離(H2>H1),單位為m。

逆溫溫差：ΔT=T2-T1,其中T2、T1分別是H2和H1高度處的氣溫,單位為℃。逆溫溫差越大,說明逆溫越明顯。

逆溫強度,即溫度垂直遞減率，定義為在逆溫層內每升高10 m溫度的逆增值(℃/10 m),用I表示:

(1)

式(1)中： j為氣溫觀測的時間序列； m為日數。

平均值計算公式如下：

(2)

式(2)中：i為氣溫(或風速)觀測的時間序列； xi為第i時次氣溫(或風速)的觀測值。

3結果與分析

3.10～10m逆溫特征分析

圖1為春季(3～5月)果園近地層0～10m范圍內日平均氣溫(以下簡稱氣溫)的垂直變化。從圖1中可以看出,春季0～10m范圍內氣溫呈現出“一峰一谷”的月變化特征,氣溫隨著月變化逐漸升高。3月份在8:00～18:00時間段,4月、5月份在7:00～17:00時間段0m地溫大于10m氣溫。這是由于白天土壤比熱容比空氣小,同時地表主要吸收太陽的短波輻射,升溫較快；夜晚無太陽輻射,地面散熱被大氣吸收,因此地面溫度降低較快。

由圖1還可見：在1～10m范圍內,春季白天太陽升起至落山期間,氣溫隨高度的上升而降低,這符合大氣垂直溫度分布規律。在3月(4月、5月)上午8:00(7:00、7:00)隨著太陽升起,氣溫開始增加,在16:00時達到最高；在16:00～次日8:00(7:00、7:00)時間段氣溫隨太陽落山(太陽輻射減少)而逐漸降低；17:00～次日8:00(7:00、7:00)氣溫發生逆轉,氣溫隨高度增加而增加,逆溫層又出現。3月、4月、5月晝夜溫差最大分別為10.98、10.39、13.09 ℃。

分析表明,1～10m氣溫的變化是由于蘋果園近地層輻射逆溫影響所致。晴天日落前后,大氣長波輻射使近地面空氣冷卻,形成自地面開始的輻射冷卻,日出后逆溫層開始逐漸消失。由于0m地面溫度高于距地面1m處氣溫,因此該逆溫為脫地逆溫[5]。進一步分析1～10m逆溫溫差的日變化,發現凌晨1:00～5:00期間逆溫溫差較大。

表2為17:00～次日8:00每隔3h果園1～10m氣溫的垂直分布狀況。從表2中可以看出：3～5月2:00、5:00果園1～10m逆溫溫差較大,在2:00時分別為1.26、1.45、2.89 ℃,在5:00時分別為1.34、1.27、2.41 ℃；其中,1～3m內氣溫隨高度增加而上升較快,逆溫溫差在2:00時分別為0.67、0.68、1.47 ℃,在5:00時分別為0.67、0.64、1.20 ℃；3～10m高度范圍內氣溫隨高度增加上升明顯減緩,逆溫溫差在2:00時分別為0.59、0.77、1.42 ℃,在5:00時分別為0.67、0.63、1.21 ℃；但在17:00、8:00氣溫隨高度增加變化不明顯,這正好是日出日落左右氣溫逆轉的時刻。

圖1　近地層0～10 m范圍內氣溫的垂直變化

表2　不同時刻果園近地層1～10 m氣溫變化　℃

春季(3～5月)試驗觀測區輻射逆溫一般在日落后首先自地面開始形成,到日出后逆溫開始消亡。對24 h內逆溫形成、消亡時間發生頻率及可連續維持時間統計后發現(表3),3月、4月、5月逆溫形成時間集中在17：00～19：00,其中18：00所占比例最大,分別為65.4%、55.6%、62.5%；其次為19：00,分別為30.8%、37.0%、20.8%；17：00最小,分別為3.8%、7.4%、16.7%。3月、4月逆溫消亡時間集中在8：00～10：00,其中3月9：00所占比例最大,為50.0%,其次為8：00,為46.2%,10：00最小,為3.8%；4月8：00所占比例最大,為51.9%,其次為9：00,為25.9%,10：00最小,為22.2%。5月逆溫消亡時間集中在7：00～9：00,其中8：00所占比例最大,為41.7%,其次為7：00,為33.3%,9：00所占比例最小,為25.0%。3月、4月、5月逆溫可連續維持的時間分別為15、15、14 h。

3.2逆溫強度的時空變化

逆溫強度表示逆溫層內溫度垂直遞增率,是反映大氣層結穩定度的重要指標[10]。圖2為春季(3～5月)試驗觀測區17:00～8:00期間1～10 m逆溫強度的時空變化。從圖2中看出：3～5月1～10 m逆溫強度呈現出先增加后減小的變化特征,其中3月24:00～次日7:00時間段內較強,4月24:00～次日6:00時間段內較強,5月22:00～次日4:00時間段內較強；3～5月1～3 m高度范圍內逆溫強度較強；3～10 m范圍內逆溫強度隨高度增加而減小,當高度達到8～10 m時,逆溫強度很弱,3月、4月、5月分別為0.4、0.4、0.5 ℃/10 m左右,這說明3～10 m的氣溫隨高度增加上升明顯變緩,8～10 m范圍內氣溫隨高度增加上升幅度很小,這與表2的結果一致。

表3　果園近地層逆溫形成和消亡時間

另外,分析不同高度層逆溫強度的變化,結果(圖2)表明：3～5月逆溫從中高層(8～10 m)最先開始形成,從近地層(1～2 m)最先開始消亡。近地層(1～3 m)逆溫強度在5月最強,3月、4月相差不大,5月1～2 m的逆溫強度比3月、4月分別高出3.54、4.02 ℃/10 m,2～3 m的逆溫強度比3月、4月分別高出4.08、4.42 ℃/10 m。近地層(1～3 m)的逆溫強度比中高層(8～10 m)大,其中3月、5月在1:00時逆溫強度差值最大,分別為5.65、8.44 ℃/10 m；4月在4:00時逆溫強度差值最大,為4.24 ℃/10 m。

a.3月；b.4月；c.5月

3.3風速對逆溫的影響

較大的風速會導致大氣中垂直混合作用太強,對近地面大氣的冷卻不利；只有當風速較小時,才能不至于因亂流混合作用而使逆溫遭到破壞。分析17:00～次日8:00內逐小時風速和1～10 m逆溫溫差的散點圖(圖3)的關系發現,風速與逆溫溫差呈負相關關系,逆溫溫差大的樣本數位于風速小于3.3 m/s的較多,逆溫溫差最大值為6.8 ℃,說明逆溫較明顯,且當風速小于1.8 m/s時,逆溫溫差大于5.0 ℃的樣本數較多；當風速大于3.3 m/s時,基本上不存在逆溫溫差大的樣本,逆溫溫差在0.5 ℃左右變化,遠小于風速小于3.3 m/s時的逆溫溫差,說明逆溫不明顯。以上結果說明,在逆溫存在的時間段內,當風速小于(或大于)3.3 m/s時,逆溫較明顯(或不明顯)。

對不同風速下逆溫溫差的分布做統計，結果(表4)表明：當風為靜風時,逆溫溫差的平均值為1.91 ℃,最大值為4.8 ℃,最小值為0.1 ℃；當風速大于0 m/s且小于1.8 m/s時,逆溫溫差的平均值為1.97 ℃,最大值為6.8 ℃,最小值為0.1 ℃；當風速大于等于1.8 m/s且小于3.3 m/s時,逆溫溫差的平均值為0.81 ℃,最大值為4.3 ℃,最小值為0.1 ℃；當風速大于等于3.3 m/s時,逆溫溫差的平均值為0.27 ℃,最大值為1.5 ℃,最小值為0 ℃。

圖3　17:00～次日8:00逐小時風速與

4結論與討論

春季0～10 m范圍內氣溫呈現出“一峰一谷”的月變化特征,氣溫隨著月變化而逐漸升高。在1～10 m范圍內,3月(4月、5月)不同高度處的氣溫在8:00(7:00、7:00)開始增加,在16:00時達到最大,在16:00后逐漸降低至次日8:00(7:00、7:00),在17:00～次日8:00(7:00、7:00)出現逆溫,從中高層(8～10 m)最先開始形成,近地層(1～2 m)最先開始消亡。

春季逆溫形成時間集中在17：00～19：00,其中主要在18：00時形成,其次為19：00。3月、4月逆溫消亡時間集中在8：00～10：00,其中3月主要在9：00消亡,其次為8：00,4月主要在8：00消亡,其次為9：00；5月逆溫消亡時間集中在7：00～9：00,其中主要在8：00消亡,其次為7：00。3月、4月、5月逆溫可連續維持的時間分別為15、15、14 h。

春季1～10 m逆溫強度呈現出先增加后減小的變化特征,其中3月、4月、5月分別在24:00～次日7:00、24:00～次日6:00、22:00～次日4:00時間段內較強。1～3 m高度范圍內逆溫強度較強,5月最強,3～10 m范圍內逆溫強度隨高度增加而減小,尤其8～10 m逆溫強度很弱,3月、4月、5月分別為0.4、0.4、0.5 ℃/10 m左右。

風速的大小對逆溫影響較大,在逆溫存在時間段內,當風速小于(或大于)3.3 m/s時,逆溫較明顯(或不明顯)。

因此,當17:00～次日8:00風速小于3.3 m/s時,往往伴隨逆溫,并且1～3 m高度范圍內逆溫強度較強。為了防止在此逆溫條件下發生霜凍,可對果園上方空氣進行物理擾動,通過混合上下層空氣,提高果樹冠層氣溫,有效預防霜凍災害。

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(責任編輯：黃榮華)

Preliminary Study on Distributive Characteristics of Temperature Inversion near Ground of Large-area Orchard in Spring

YIN Xian-zhi1,2, WANG Yan-feng2, DING Rui-jin2, ZHANG Feng-wei2, FU Shuang-xi2

(1. Key Laboratory of Arid Climatic Changing and Reducing Disaster of Gansu Province, Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration/Key Open Laboratory of Arid Change and Disaster Reduction, China Meteorological Administration, Lanzhou 730020, China; 2. Gansu Weather Modification Office, Lanzhou 730020, China)

Abstract：In order to defend frost by utilizing of temperature inversion resources, based on the observation data of temperature and wind speed in the large apple orchards of Tianshui city, the temporal and spatial distribution characteristics of temperature inversion near ground and the effect of winds in spring (from March to May) were analyzed. The results showed that the different high temperature presented monthly change of peak and valley, within the range of 1～10 m height, March(April, May) temperature inversion occurred from 17:00 to 8:00, which were first beginning to form first from the top (8 ～ 10 m), first beginning to die from surface layer (1 ～ 2 m). Inversion could continuously maintain 15 h, 15 h and 14 h in March, April and May, respectively. Inversion forming concentrated from 17:00 to 19:00. March and April inversion demising concentrated from 8:00 to 10:00. May inversion demising concentrated from 7:00 to 9:00. The intensity of temperature inversion increased then turn to decrease, in which the larger between 24:00 and 7:00, between 24:00 and 6:00, between 22:00 and 4:00 in March, April, May, respectively. In the period of temperature inversion occurred, when the wind speed was less(more) than 3.3 m/s, temperature inversion was more obvious(or not obvious).

Key words：Orchard; Temperature inversion; Temporal and spatial distribution; Wind speed

收稿日期：2015-10-09

基金項目：國家自然科學基金重點項目(40830597)；甘肅省氣象科研重點項目(2015-15)。

作者簡介：尹憲志(1964─),男,高級工程師,主要從事大氣探測、應用氣象研究。*通訊作者：王研峰。

中圖分類號：S162.43

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)04-0066-05