洛川近地層夜間氣溫逆溫特征及空氣擾動防霜可行性分析

曹雪梅，雷延鵬，王鵬，孫智輝（蘭州大學大氣科學學院，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蘭州大學大氣科學學院，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防技術試驗與推廣，筆者利用洛川縣蘋果園梯度觀測塔觀測的溫度、風速數據，采用數理統計方法，分析了洛川近地層夜間氣溫逆溫特征。結果表明：洛川春季輻射降溫時，逆溫持續時間長、溫差大、風速小，具備開展空氣擾動防霜的基本條件。洛川逆溫出現時間與日出日落時間密切相關，日落后逆溫形成，日出后逆溫消失。逆溫的平均強度為0.7～0.8℃，在冬季最大值出現在午夜，春季（4—5月）最大值出現在凌晨。春季出現輻射霜凍時，近地層平均逆溫強度在2℃以上，最大值可達4℃。逆溫的出現受天氣影響，當夜間為陰天或有降水時，逆溫不會形成。風速對逆溫的形成及強度影響極大，當春季夜間風速大于2.5 m/s時，逆溫基本上也不存在。

關鍵詞：洛川；近地層；逆溫特征；空氣擾動防霜；天氣

0　引言

洛川縣位于黃土高原腹地，是全國蘋果優生區，從1947年開始種植蘋果，至今面積已達3.387萬hm2，占總耕地面積的71%。2014年蘋果總產量76萬t，產值超30億元，農民人均純收入11106元。蘋果生產經常面臨著各種各樣的自然災害。洛川縣蘋果遭受的自然災害且造成損失的主要為霜凍、冰雹、大風沙塵、干旱［1］。洛川是蘋果花期凍害的多發區和重發區［2-3］，據統計，花期凍害基本上3年1遇，但在2005年以后，凍害出現次數增多、強度增強，在2006、2007、2010、2013、2015年出現5次花期霜凍，影響較大［4］。防霜方法主要有覆蓋法、煙熏法、灌溉噴水法和擾動防霜法，其中擾動防霜技術就是根據逆溫這一特殊現象，使用裝備擾動空氣，將上方暖空氣吹下與冠層冷空氣混合，從而提高冠層溫度，從而達到防除霜凍這一目的［5］。

國內外學者利用擾動空氣的原理對農作物進行防霜，取得了一定效果［6-10］。Doesken等［11］和Antuio C等［12］指出，是否開啟風扇防霜主要由逆溫強度和最低溫度決定，逆溫強度達到（1.5～2.0）℃/10 m以上時才有較好的增溫效果。

開展擾動防霜，必須對近地層溫度垂直分布特征有所認識，國內外學者針對不同的下墊面進行了觀測與研究。大多研究以城市為主，為污染擴散預報提供基礎［13-16］。也有針對茶園、草地進行過觀測與分析［17-18］，Ribeiro等［19］在蘋果園里試驗測定了46個輻射霜夜的平均逆溫差（地面上方1.5、15 m處的溫差），發現其中17個夜晚均不小于4℃。洛川蘋果園區地處高原，氣候、地形條件、下墊面特征與之前研究不同。因此，本研究根據梯度塔觀測數據，分析洛川近地層氣溫逆溫特征，認識開展空氣擾動防霜必需的近地層逆溫強度和出現的天氣條件，對空氣擾動防霜可行性進行初步分析，以期為推廣空氣擾動防霜技術提供依據。

1　資料與方法

1.1研究區概況

洛川縣位于陜西中部，延安地區南部，地處渭北黃土高原溝壑區，109°133′144″—109°45'47"E，35°26′29″—36°04′12″N，境內屬北溫帶大陸性濕潤易干旱季風氣候，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，土質肥沃，是世界級的優質蘋果生產基地。

1.2資料來源

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

資料時間為2014年10月—2015年5月。

1.3研究方法

溫度統計采用數理統計方法。逆溫分析以洛川果樹研究所安裝的儀器觀測為準，因最高只觀測到6 m高度，逆溫強度是6 m處溫度減去2 m溫度。

2　結果與分析

2.1逆溫出現時間

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

2.2逆溫強度

2013年12月，逆溫平均強度為0.8℃。由圖1a可知，逆溫最大的并不是出現在凌晨，而是出現在午夜2時，平均值為1.3℃。2014年4—5月，由于進入春季后，云量增多、降水增多，因此并不是每個夜間均會出現逆溫，只有4月下旬和5月上旬逆溫明顯。統計這個時段的逆溫強度平均為0.7℃，2—6時逆溫明顯偏高，逆溫值在1℃以上，3—5時達到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1次典型的輻射逆溫過程，天氣晴朗，微風。整個夜間從0時開始，風速基本小于1 m/s，5日凌晨最低氣溫為-0.6℃，形成霜凍天氣。以0時為界，前半夜，風速較大，溫差較小，維持0.5℃以下，后半夜，溫差迅速增大，2～6 h溫差均達到2℃以上，持續5 h，平均值為3.1℃，其中以3～4 h溫差最大，達到4℃以上。

2015年5月9—12日，出現1次明顯的降溫天氣過程，最低溫度出現在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，出現了凍害。5月12日，天氣明朗，風速普遍小于1 m/s，輻射降溫明顯。用10 min數據進行分析，在19:30逆溫開始形成，至6:50消失，持續時間接近12 h，平均溫差為2.3℃（見圖2）。20:40—6:10溫差均大于1.5℃，持續時間9.5 h，最大溫差達到3.5℃。

2.4逆溫與氣象要素的關系

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、風速、云量、降水等進行分析（見表1），可以看出，這3日的風速較小，平均值為1.2 m/s，可以認定風速的影響較小。對應的云量較多時，逆溫值小，而云量多時，逆溫值大。如11月25日，23時、5時云量為10成，相應的逆溫值是0.9℃、0.2℃，而2時云量為4成，逆溫值為2.4℃，有明顯差異。4月19日不僅維持陰天，還有降水產生，逆溫完全消失。

2.4.2逆溫與風速逆溫與風速有很大關系，Snyder博士［20］指出，當風速大于2.5 m/s時，逆溫消失。筆者選擇洛川4月至5月上旬出現的夜間溫度與風速數據160對，做出點聚圖，盡管點比較分散，還可以看到，點群的上包線具有1個明顯的轉折點。與之對應，風速為2.5 m/s（圖3）。說明在洛川春季夜間風速大于2.5 m/s時，逆溫基本上也不存在。

表1　洛川縣逆溫、風速、云量分析表

續表1

圖3　洛川縣近地層逆溫與風速分析圖

2.5空氣擾動防霜可行性分析

空氣擾動防霜也稱為送風法，是當近地面出現逆溫層時，用排風扇或螺旋槳等送風機吹風，使上下層空氣混合，從而提高低層空氣溫度，達到防霜的目的。在美國，多利用大型風機進行防霜；在日本，以高速風扇為主。風扇防霜能否發揮作用，主要由逆溫強度和最低溫度決定，一般逆溫強度達到（1.5～2.0）℃/10 m以上時才有較好的增溫效果。根據前文對洛川2次霜凍過程夜間近地層逆溫強度分析，洛川逆溫強度達到2℃以上，最大值可達4℃，從逆溫強度這一點分析，洛川具備開展空氣擾動防霜的條件。

3　結論與討論

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

2014年和2015年春季蘋果花期時，出現降溫天氣過程，在2014年5月5日、2015年5月12日形成輻射霜凍，出現蘋果受凍現象。這兩日逆溫非常明顯，溫差大于1.5℃持續時間長，溫差大，風速小，具備空氣擾動防霜的條件。從這2個事例可得出在洛川出現輻射霜凍時可以通過空氣擾動達到防霜目的。

（2）本研究是第1次對洛川近地層逆溫特征進行統計分析，為開展空氣擾動防霜提供技術支撐。洛川近地層逆溫強度小于其他文獻結論，這可能與洛川的地形和洛川平均風速較大有關系。

（3）洛川蘋果花期凍害出現時，平流霜凍影響大，但出現平流霜凍時，風速大，限制了空氣擾動防霜的應用。

（4）由于觀測時間較短，采用的輻射霜凍樣本數較少，可能對結論有一定影響，今后應繼續開展研究和試驗，提高防霜效益。

參考文獻

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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：P49

文獻標志碼：A論文編號：cjas15120017

基金項目：陜西省氣象局研究型業務重點科研項目“蘋果花期綜合防霜試驗”（2015Z-8）。

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

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，正研級高工，本科，主要從事遙感及應用氣象服務工作。

收稿日期：2015-12-23，修回日期：2016-02-21。