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(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國氣象局 干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)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(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國氣象局 干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)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(xué)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(fēng)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(fēng)速對其的影響。結(jié)果表明：不同高度處的氣溫呈現(xiàn)出“一峰一谷”的月變化特征,在1～10 m高度范圍內(nèi),3月(4月、5月)的逆溫在17:00至次日8:00(7:00、7:00)出現(xiàn),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(xù)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(qiáng)度呈現(xiàn)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(qiáng)；在逆溫存在時間段內(nèi),當(dāng)風(fēng)速小于(或大于)3.3 m/s時,逆溫較明顯(或不明顯)。

關(guān)鍵詞：果園;逆溫;時空分布；風(fēng)速

0引言

近年來氣候多變,春季時常發(fā)生晚霜凍,嚴(yán)重影響果林業(yè)作物。果林業(yè)作為西北特色產(chǎn)業(yè),近年來得到了快速的發(fā)展,但受霜凍、強(qiáng)降溫等自然災(zāi)害嚴(yán)重影響,遭受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,例如,2013年4月5～6日,受較強(qiáng)冷空氣影響,甘肅局部地區(qū)出現(xiàn)低溫霜凍災(zāi)害,造成天水、平?jīng)觥㈦]南、臨夏、酒泉等9市(州)29個縣(區(qū))204.6萬人受災(zāi),農(nóng)作物受災(zāi)面積17.15萬hm2,其中絕收0.75萬hm2,直接經(jīng)濟(jì)損失20.7億元。其中天水市受災(zāi)果樹面積近1.77萬hm2,直接經(jīng)濟(jì)損失9.2億元。因此防霜凍技術(shù)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(xiàn)象[1],近地逆溫主要出現(xiàn)在日落至日出左右晴空無云或少云風(fēng)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(guī)律,對合理布局農(nóng)作物品種,減輕強(qiáng)降溫對農(nóng)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(qū)逆溫資源的開發(fā)利用。蘭忠明等[5]研究了山地丘陵坡地逆溫效應(yīng),結(jié)果表明在山坡的中上部逆溫效果好,應(yīng)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(nèi)外基于擾動空氣的原理利用逆溫資源對農(nóng)作物進(jìn)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?xùn)|地區(qū)大范圍連續(xù)性霜凍主要發(fā)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(qū)花牛蘋果基地2014～2015年春季(3～5月)氣象觀測數(shù)據(jù),分析研究了果園近地層逆溫及風(fēng)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(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

天水市花牛蘋果基地位于甘肅省天水市麥積區(qū)城郊南山(105°49′E,34°33′N),海拔高度約為1260 m,所在地區(qū)屬于大陸性暖溫帶半濕潤氣候區(qū),年平均氣溫為11 ℃,年降水量為500～600 mm,年平均日照時數(shù)為1935.4 h,無霜期185 d左右?；ㄅＬO果種植面積已達(dá)1.67萬hm2,掛果面積1.07萬hm2,預(yù)計(jì)產(chǎn)量16萬t,產(chǎn)值4.8億元。現(xiàn)已發(fā)展成為西北地區(qū)規(guī)模最大的優(yōu)質(zhì)花牛蘋果示范性生產(chǎn)基地、農(nóng)業(yè)部和科技部的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)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(yàn)基地”梯度塔2014～2015年3～5月的觀測資料(表1),觀測儀器標(biāo)準(zhǔn)和方法均符合氣象觀測規(guī)范。其中,溫度測量精度為 ±0.1 ℃,測量范圍為-50～60 ℃；風(fēng)速風(fēng)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(yuǎn)程氣象觀測數(shù)據(jù)實(shí)時采集傳輸系統(tǒng),進(jìn)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(yàn)基地梯度塔觀測項(xiàng)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(qiáng)度,即溫度垂直遞減率，定義為在逆溫層內(nèi)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(shù)。

平均值計(jì)算公式如下：

(2)

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

3結(jié)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(nèi)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(nèi)氣溫呈現(xiàn)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(nèi),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(guī)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(dá)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(fā)生逆轉(zhuǎn),氣溫隨高度增加而增加,逆溫層又出現(xiàn)。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(jìn)一步分析1～10m逆溫溫差的日變化,發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)的時刻。

圖1　近地層0～10 m范圍內(nèi)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(yàn)觀測區(qū)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(nèi)逆溫形成、消亡時間發(fā)生頻率及可連續(xù)維持時間統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)(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(xù)維持的時間分別為15、15、14 h。

3.2逆溫強(qiáng)度的時空變化

逆溫強(qiáng)度表示逆溫層內(nèi)溫度垂直遞增率,是反映大氣層結(jié)穩(wěn)定度的重要指標(biāo)[10]。圖2為春季(3～5月)試驗(yàn)觀測區(qū)17:00～8:00期間1～10 m逆溫強(qiáng)度的時空變化。從圖2中看出：3～5月1～10 m逆溫強(qiáng)度呈現(xiàn)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(nèi)較強(qiáng),4月24:00～次日6:00時間段內(nèi)較強(qiáng),5月22:00～次日4:00時間段內(nèi)較強(qiáng)；3～5月1～3 m高度范圍內(nèi)逆溫強(qiáng)度較強(qiáng)；3～10 m范圍內(nèi)逆溫強(qiáng)度隨高度增加而減小,當(dāng)高度達(dá)到8～10 m時,逆溫強(qiáng)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(nèi)氣溫隨高度增加上升幅度很小,這與表2的結(jié)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(qiáng)度的變化,結(jié)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(qiáng)度在5月最強(qiáng),3月、4月相差不大,5月1～2 m的逆溫強(qiáng)度比3月、4月分別高出3.54、4.02 ℃/10 m,2～3 m的逆溫強(qiáng)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(qiáng)度比中高層(8～10 m)大,其中3月、5月在1:00時逆溫強(qiáng)度差值最大,分別為5.65、8.44 ℃/10 m；4月在4:00時逆溫強(qiáng)度差值最大,為4.24 ℃/10 m。

a.3月；b.4月；c.5月

3.3風(fēng)速對逆溫的影響

較大的風(fēng)速會導(dǎo)致大氣中垂直混合作用太強(qiáng),對近地面大氣的冷卻不利；只有當(dāng)風(fēng)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(nèi)逐小時風(fēng)速和1～10 m逆溫溫差的散點(diǎn)圖(圖3)的關(guān)系發(fā)現(xiàn),風(fēng)速與逆溫溫差呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,逆溫溫差大的樣本數(shù)位于風(fēng)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(dāng)風(fēng)速小于1.8 m/s時,逆溫溫差大于5.0 ℃的樣本數(shù)較多；當(dāng)風(fēng)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(yuǎn)小于風(fēng)速小于3.3 m/s時的逆溫溫差,說明逆溫不明顯。以上結(jié)果說明,在逆溫存在的時間段內(nèi),當(dāng)風(fēng)速小于(或大于)3.3 m/s時,逆溫較明顯(或不明顯)。

對不同風(fēng)速下逆溫溫差的分布做統(tǒng)計(jì)，結(jié)果(表4)表明：當(dāng)風(fēng)為靜風(fēng)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(dāng)風(fēng)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(dāng)風(fēng)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(dāng)風(fēng)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(fēng)速與

4結(jié)論與討論

春季0～10 m范圍內(nèi)氣溫呈現(xiàn)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(nèi),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(dá)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(xiàn)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(xù)維持的時間分別為15、15、14 h。

春季1～10 m逆溫強(qiáng)度呈現(xiàn)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(nèi)較強(qiáng)。1～3 m高度范圍內(nèi)逆溫強(qiáng)度較強(qiáng),5月最強(qiáng),3～10 m范圍內(nèi)逆溫強(qiáng)度隨高度增加而減小,尤其8～10 m逆溫強(qiáng)度很弱,3月、4月、5月分別為0.4、0.4、0.5 ℃/10 m左右。

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

因此,當(dāng)17:00～次日8:00風(fēng)速小于3.3 m/s時,往往伴隨逆溫,并且1～3 m高度范圍內(nèi)逆溫強(qiáng)度較強(qiáng)。為了防止在此逆溫條件下發(fā)生霜凍,可對果園上方空氣進(jìn)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(yù)防霜凍災(zāi)害。

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(責(zé)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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(40830597)；甘肅省氣象科研重點(diǎn)項(xiàng)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(yīng)用氣象研究。*通訊作者：王研峰。

中圖分類號：S162.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)04-0066-05