旱區果園晚霜凍日的溫濕度時空分布及變化規律

段曉鳳，李紅英，衛建國，張 磊，馬國飛，朱永寧

(1.內蒙古生態與農業氣象中心，內蒙古 呼和浩特 010051；2.中國氣象局 旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；3.寧夏氣象科學研究所，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育生長、形成產量和品質的重要條件，也是導致各種病蟲害、農業氣象災害的重要影響因素。在氣候變化的背景下，春季溫度有升高趨勢，旱區果樹春季開花早，經常遇到晚霜凍害，輕者造成減產，重者絕收。2012年4月11日出現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，當年蘋果產量受到明顯影響。2013年4月5-10日寧夏全區出現的霜凍達到了重度以上霜凍等級，灌區經濟林果受凍率在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，我區多次出現霜凍天氣，5月2日、3日、4日、5日、10日、11日、12日和15日清晨，全區大部或局部地區出現了輕霜凍或霜凍。特別是5月4日清晨，我區出現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生頻繁，造成幼果普遍受凍，產生大量僵果、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。河東生態園藝試驗中心、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。因此，晚霜凍害已成為部分旱區果樹發展的限制因子，明顯影響了該產業的發展[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害形成具有一定的影響[2-3]，郭小芹等學者研究結果認為對于霜凍，濕度條件也是非常重要的致災因子。因此，把握春季霜凍日的溫濕度條件是果樹防災減災和產業發展的關鍵問題。

關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的影響方面研究[8～10]，對果園日常或不同季節小氣候特征的分析，以及對經濟林果晚霜凍發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律的研究則很少[16～18]。筆者在前期研究的基礎上，分析了旱區春季霜凍日果園內溫度和濕度的日時間變化和空間變化規律，為開展園內霜凍預報和災害防御提供了基礎理論依據。

1 站點及數據來源

1.1 站點布設介紹

研究區域在寧夏銀川靈武市臨河鎮陶林園藝場，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。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、水果生產經營、新品種技術試驗推廣應用等工作，現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、反季節水果生產示范園等。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、蒸發強烈、氣候干燥、晴天多、雨雷少。全年日照時數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，土質深厚肥沃。果園內蘋果樹樹齡為10 a，生長發育良好。

為觀測果園小氣候，試驗組在果園布設4個PC-3型移動式自動氣象站(全要素數字氣象站)，分別命名為A、B、C、D點，各點經緯度分別為：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 數據來源

數據資料取自A、B、C、D四個自動氣象觀測站點1.5米和3.0 m處氣溫、濕度監測的逐小時數據，時間段為2012-2015年期間4-5月，根據大田霜凍實地調查結果統計霜凍發生日4個站共31個樣本，監測頻率為10 min。

2 方法

采用數理統計和SPSS相關性分析方法，計算四個自動氣象站每個霜凍日果園內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律。為確定空氣溫濕度在果園中的空間分布及變化規律，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，分析總結了其與霜凍發生可能性的關系。

3 結果與分析

3.1 氣溫

3.1.1 日氣溫時間分布及變化規律 由果園中A、B、C、D站點日氣溫(圖1)可知，果園內發生霜凍當日氣溫變化呈單峰曲線狀，最低氣溫出現的時間一般集中在凌晨5:00左右，氣溫最高值出現在下午15:00左右，且果園內不同高度出現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：環溫/濕1為果樹3m高處溫度/濕度，環溫/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，使果園內閣層次的太陽輻射和溫度較之到達冠層表面顯著減少，從而使果園內各層氣溫的空間分布有所差異，導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律 霜凍日果園內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，相對其他地理位置不易發生霜凍；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，最易發生霜凍，果園3 m高處按照霜凍發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，不易發生霜凍；A點和D點最低氣溫相當，相對容易發生霜凍。果園1.5 m高處按照霜凍發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，且符合寧夏自治區灌區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的形成較為有利。

表1 果園各站點空氣日平均氣溫統計 (℃)

3.2 空氣相對濕度變化規律

3.2.1 空氣相對濕度時間分布及變化規律 由果園中A、B、C、D站點的相對濕度(圖2)可知，果園內發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。

最大濕度出現的時間一般集中在凌晨5:00至6:00之間，最小濕度出現在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，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系數

3.2.2 空氣相對濕度空間分布及變化規律 霜凍日果園內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境影響較小，而主要受園內水汽交換及小氣候環境影響。

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，而在果園內部，由于冠層的遮擋，越接近地面土壤水分蒸發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系數的絕對值越大，開口越小，表示單位時間內溫濕度的變化速度大；反之，曲線的X2系數的絕對值越小，開口越大，表示單位時間內溫濕度變化速度小。據此，發現果園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)，各點之間差異較小；濕度變化速度由大到小的順序依次為D>A>C>B，與霜凍發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，越容易發生霜凍。

3.3.3 不同冠層高度溫濕度變化速度對比 根據圖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處更易發生霜凍，與前文研究結果一致。

圖4 果園1.5 m高處溫濕度變化速度對比

4 結論與討論

4.1 結論

果園內發生霜凍當日氣溫變化呈單峰曲線狀，最低氣溫出現的時間一般集中在凌晨5:00左右，氣溫最高值出現在下午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。最大濕度出現的時間一般集中在凌晨5:00至6:00之間，最小濕度出現在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，且均達0.01顯著性。

果園1.5 m冠層空氣濕度受外界環境影響較小，而主要受園內水汽交換及小氣候環境影響，果園較高冠層邊緣更易受園外環境影響。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，且隨著向果園內部方向空氣濕度逐漸小于1.5 m高處。

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

4.2 討論

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