大面积果园春季近地逆温分布特征初探

尹宪志,王研峰,丁瑞津,张丰伟,付双喜

(1.中国气象局 兰州干旱气象研究所 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局 干旱气候变化与减灾重点开放实验室,甘肃 兰州 730020；2.甘肃省人工影响天气办公室,甘肃 兰州 730020)

大面积果园春季近地逆温分布特征初探

尹宪志1,2,王研峰2*,丁瑞津2,张丰伟2,付双喜2

(1.中国气象局 兰州干旱气象研究所 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局 干旱气候变化与减灾重点开放实验室,甘肃 兰州 730020；2.甘肃省人工影响天气办公室,甘肃 兰州 730020)

摘要：为了科学利用逆温资源有效防御霜冻,利用天水市大面积果园近地气温、风速观测资料,分析了春季(3～5月)近地逆温的时空分布特征及风速对其的影响。结果表明：不同高度处的气温呈现出“一峰一谷”的月变化特征,在1～10 m高度范围内,3月(4月、5月)的逆温在17:00至次日8:00(7:00、7:00)出现,从中高层(8～10 m)最先开始形成,在近地层(1～2 m)最先开始消亡；3月、4月、5月逆温的可连续维持时间分别为15、15、14 h；逆温形成集中在17：00～19：00；3月、4月逆温消亡时间集中在8：00～10：00,5月逆温消亡时间集中在7：00～9：00；1～10 m逆温强度呈现出先增加后减小的变化特征,3、4、5月分别在24:00至次日7:00、24:00至次日6:00、22:00至次日4:00较强；在逆温存在时间段内,当风速小于(或大于)3.3 m/s时,逆温较明显(或不明显)。

关键词：果园;逆温;时空分布；风速

0引言

近年来气候多变,春季时常发生晚霜冻,严重影响果林业作物。果林业作为西北特色产业,近年来得到了快速的发展,但受霜冻、强降温等自然灾害严重影响,遭受了巨大的经济损失,例如,2013年4月5～6日,受较强冷空气影响,甘肃局部地区出现低温霜冻灾害,造成天水、平凉、陇南、临夏、酒泉等9市(州)29个县(区)204.6万人受灾,农作物受灾面积17.15万hm2,其中绝收0.75万hm2,直接经济损失20.7亿元。其中天水市受灾果树面积近1.77万hm2,直接经济损失9.2亿元。因此防霜冻技术的研究显得十分必要,尤其利用气候资源开展防霜冻研究。

逆温是对流层中气温随高度上升而增高的现象[1],近地逆温主要出现在日落至日出左右晴空无云或少云风速较小的夜晚[2-3],是一种可利用的气候资源,因此深入研究近地逆温的分布规律,对合理布局农作物品种,减轻强降温对农作物造成的伤害具有十分重要的意义。霍治国等[4]研究了山区逆温资源的开发利用。兰忠明等[5]研究了山地丘陵坡地逆温效应,结果表明在山坡的中上部逆温效果好,应尽量种植不耐寒果树,可以在很大程度上减轻低温对果树造成的直接冻害。李萍萍等[6]研究了茶园近地层逆温随高度的变化。

国内外基于扰动空气的原理利用逆温资源对农作物进行防霜,取得了一些效果[7-8]。目前,对天水市果园近地层逆温的研究较少,利用逆温资源防霜冻有一定的盲目性。甘肃省河东地区大范围连续性霜冻主要发生在4月下旬至5月中旬[9]。因此本文利用甘肃省天水市麦积区花牛苹果基地2014～2015年春季(3～5月)气象观测数据,分析研究了果园近地层逆温及风速对逆温的影响,以期为今后在果园有效利用近地层逆温资源防御霜冻提供科学依据。

1研究区概况

天水市花牛苹果基地位于甘肃省天水市麦积区城郊南山(105°49′E,34°33′N),海拔高度约为1260 m,所在地区属于大陆性暖温带半湿润气候区,年平均气温为11 ℃,年降水量为500～600 mm,年平均日照时数为1935.4 h,无霜期185 d左右。花牛苹果种植面积已达1.67万hm2,挂果面积1.07万hm2,预计产量16万t,产值4.8亿元。现已发展成为西北地区规模最大的优质花牛苹果示范性生产基地、农业部和科技部的现代农业示范基地。

2资料来源及方法

2.1资料来源与处理

本文采用甘肃省人工影响天气办公室“天水市果园防霜试验基地”梯度塔2014～2015年3～5月的观测资料(表1),观测仪器标准和方法均符合气象观测规范。其中,温度测量精度为 ±0.1 ℃,测量范围为-50～60 ℃；风速风向传感器测量精度为±0.1 m/s,测量范围为0～70 m/s。采用基于GPRS的远程气象观测数据实时采集传输系统,进行自动定时观测。剔除降水期间的观测资料。

表1　2014年3～5月天水果园防霜试验基地梯度塔观测项目及资料

2.2分析方法

高度差：ΔH=H2-H1,其中H2、H1分别是某一高度处距地的距离(H2>H1),单位为m。

逆温温差：ΔT=T2-T1,其中T2、T1分别是H2和H1高度处的气温,单位为℃。逆温温差越大,说明逆温越明显。

逆温强度,即温度垂直递减率，定义为在逆温层内每升高10 m温度的逆增值(℃/10 m),用I表示:

(1)

式(1)中： j为气温观测的时间序列； m为日数。

平均值计算公式如下：

(2)

式(2)中：i为气温(或风速)观测的时间序列； xi为第i时次气温(或风速)的观测值。

3结果与分析

3.10～10m逆温特征分析

图1为春季(3～5月)果园近地层0～10m范围内日平均气温(以下简称气温)的垂直变化。从图1中可以看出,春季0～10m范围内气温呈现出“一峰一谷”的月变化特征,气温随着月变化逐渐升高。3月份在8:00～18:00时间段,4月、5月份在7:00～17:00时间段0m地温大于10m气温。这是由于白天土壤比热容比空气小,同时地表主要吸收太阳的短波辐射,升温较快；夜晚无太阳辐射,地面散热被大气吸收,因此地面温度降低较快。

由图1还可见：在1～10m范围内,春季白天太阳升起至落山期间,气温随高度的上升而降低,这符合大气垂直温度分布规律。在3月(4月、5月)上午8:00(7:00、7:00)随着太阳升起,气温开始增加,在16:00时达到最高；在16:00～次日8:00(7:00、7:00)时间段气温随太阳落山(太阳辐射减少)而逐渐降低；17:00～次日8:00(7:00、7:00)气温发生逆转,气温随高度增加而增加,逆温层又出现。3月、4月、5月昼夜温差最大分别为10.98、10.39、13.09 ℃。

分析表明,1～10m气温的变化是由于苹果园近地层辐射逆温影响所致。晴天日落前后,大气长波辐射使近地面空气冷却,形成自地面开始的辐射冷却,日出后逆温层开始逐渐消失。由于0m地面温度高于距地面1m处气温,因此该逆温为脱地逆温[5]。进一步分析1～10m逆温温差的日变化,发现凌晨1:00～5:00期间逆温温差较大。

表2为17:00～次日8:00每隔3h果园1～10m气温的垂直分布状况。从表2中可以看出：3～5月2:00、5:00果园1～10m逆温温差较大,在2:00时分别为1.26、1.45、2.89 ℃,在5:00时分别为1.34、1.27、2.41 ℃；其中,1～3m内气温随高度增加而上升较快,逆温温差在2:00时分别为0.67、0.68、1.47 ℃,在5:00时分别为0.67、0.64、1.20 ℃；3～10m高度范围内气温随高度增加上升明显减缓,逆温温差在2:00时分别为0.59、0.77、1.42 ℃,在5:00时分别为0.67、0.63、1.21 ℃；但在17:00、8:00气温随高度增加变化不明显,这正好是日出日落左右气温逆转的时刻。

图1　近地层0～10 m范围内气温的垂直变化

表2　不同时刻果园近地层1～10 m气温变化　℃

春季(3～5月)试验观测区辐射逆温一般在日落后首先自地面开始形成,到日出后逆温开始消亡。对24 h内逆温形成、消亡时间发生频率及可连续维持时间统计后发现(表3),3月、4月、5月逆温形成时间集中在17：00～19：00,其中18：00所占比例最大,分别为65.4%、55.6%、62.5%；其次为19：00,分别为30.8%、37.0%、20.8%；17：00最小,分别为3.8%、7.4%、16.7%。3月、4月逆温消亡时间集中在8：00～10：00,其中3月9：00所占比例最大,为50.0%,其次为8：00,为46.2%,10：00最小,为3.8%；4月8：00所占比例最大,为51.9%,其次为9：00,为25.9%,10：00最小,为22.2%。5月逆温消亡时间集中在7：00～9：00,其中8：00所占比例最大,为41.7%,其次为7：00,为33.3%,9：00所占比例最小,为25.0%。3月、4月、5月逆温可连续维持的时间分别为15、15、14 h。

3.2逆温强度的时空变化

逆温强度表示逆温层内温度垂直递增率,是反映大气层结稳定度的重要指标[10]。图2为春季(3～5月)试验观测区17:00～8:00期间1～10 m逆温强度的时空变化。从图2中看出：3～5月1～10 m逆温强度呈现出先增加后减小的变化特征,其中3月24:00～次日7:00时间段内较强,4月24:00～次日6:00时间段内较强,5月22:00～次日4:00时间段内较强；3～5月1～3 m高度范围内逆温强度较强；3～10 m范围内逆温强度随高度增加而减小,当高度达到8～10 m时,逆温强度很弱,3月、4月、5月分别为0.4、0.4、0.5 ℃/10 m左右,这说明3～10 m的气温随高度增加上升明显变缓,8～10 m范围内气温随高度增加上升幅度很小,这与表2的结果一致。

表3　果园近地层逆温形成和消亡时间

另外,分析不同高度层逆温强度的变化,结果(图2)表明：3～5月逆温从中高层(8～10 m)最先开始形成,从近地层(1～2 m)最先开始消亡。近地层(1～3 m)逆温强度在5月最强,3月、4月相差不大,5月1～2 m的逆温强度比3月、4月分别高出3.54、4.02 ℃/10 m,2～3 m的逆温强度比3月、4月分别高出4.08、4.42 ℃/10 m。近地层(1～3 m)的逆温强度比中高层(8～10 m)大,其中3月、5月在1:00时逆温强度差值最大,分别为5.65、8.44 ℃/10 m；4月在4:00时逆温强度差值最大,为4.24 ℃/10 m。

a.3月；b.4月；c.5月

3.3风速对逆温的影响

较大的风速会导致大气中垂直混合作用太强,对近地面大气的冷却不利；只有当风速较小时,才能不至于因乱流混合作用而使逆温遭到破坏。分析17:00～次日8:00内逐小时风速和1～10 m逆温温差的散点图(图3)的关系发现,风速与逆温温差呈负相关关系,逆温温差大的样本数位于风速小于3.3 m/s的较多,逆温温差最大值为6.8 ℃,说明逆温较明显,且当风速小于1.8 m/s时,逆温温差大于5.0 ℃的样本数较多；当风速大于3.3 m/s时,基本上不存在逆温温差大的样本,逆温温差在0.5 ℃左右变化,远小于风速小于3.3 m/s时的逆温温差,说明逆温不明显。以上结果说明,在逆温存在的时间段内,当风速小于(或大于)3.3 m/s时,逆温较明显(或不明显)。

对不同风速下逆温温差的分布做统计，结果(表4)表明：当风为静风时,逆温温差的平均值为1.91 ℃,最大值为4.8 ℃,最小值为0.1 ℃；当风速大于0 m/s且小于1.8 m/s时,逆温温差的平均值为1.97 ℃,最大值为6.8 ℃,最小值为0.1 ℃；当风速大于等于1.8 m/s且小于3.3 m/s时,逆温温差的平均值为0.81 ℃,最大值为4.3 ℃,最小值为0.1 ℃；当风速大于等于3.3 m/s时,逆温温差的平均值为0.27 ℃,最大值为1.5 ℃,最小值为0 ℃。

图3　17:00～次日8:00逐小时风速与

4结论与讨论

春季0～10 m范围内气温呈现出“一峰一谷”的月变化特征,气温随着月变化而逐渐升高。在1～10 m范围内,3月(4月、5月)不同高度处的气温在8:00(7:00、7:00)开始增加,在16:00时达到最大,在16:00后逐渐降低至次日8:00(7:00、7:00),在17:00～次日8:00(7:00、7:00)出现逆温,从中高层(8～10 m)最先开始形成,近地层(1～2 m)最先开始消亡。

春季逆温形成时间集中在17：00～19：00,其中主要在18：00时形成,其次为19：00。3月、4月逆温消亡时间集中在8：00～10：00,其中3月主要在9：00消亡,其次为8：00,4月主要在8：00消亡,其次为9：00；5月逆温消亡时间集中在7：00～9：00,其中主要在8：00消亡,其次为7：00。3月、4月、5月逆温可连续维持的时间分别为15、15、14 h。

春季1～10 m逆温强度呈现出先增加后减小的变化特征,其中3月、4月、5月分别在24:00～次日7:00、24:00～次日6:00、22:00～次日4:00时间段内较强。1～3 m高度范围内逆温强度较强,5月最强,3～10 m范围内逆温强度随高度增加而减小,尤其8～10 m逆温强度很弱,3月、4月、5月分别为0.4、0.4、0.5 ℃/10 m左右。

风速的大小对逆温影响较大,在逆温存在时间段内,当风速小于(或大于)3.3 m/s时,逆温较明显(或不明显)。

因此,当17:00～次日8:00风速小于3.3 m/s时,往往伴随逆温,并且1～3 m高度范围内逆温强度较强。为了防止在此逆温条件下发生霜冻,可对果园上方空气进行物理扰动,通过混合上下层空气,提高果树冠层气温,有效预防霜冻灾害。

参考文献:

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[10] 刘焕彬,冯俊杰,王恒明.济南低空逆温层特征分析[J].山东气象,2005,25(1):27-28.

(责任编辑：黄荣华)

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

基金项目：国家自然科学基金重点项目(40830597)；甘肃省气象科研重点项目(2015-15)。

作者简介：尹宪志(1964─),男,高级工程师,主要从事大气探测、应用气象研究。*通讯作者：王研峰。

中图分类号：S162.43

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)04-0066-05