洛川近地层夜间气温逆温特征及空气扰动防霜可行性分析

曹雪梅，雷延鹏，王鹏，孙智辉（兰州大学大气科学学院，兰州70000；延安市气象局，陕西延安76000；洛川县气象局，陕西洛川77400）



洛川近地层夜间气温逆温特征及空气扰动防霜可行性分析

曹雪梅1,2，雷延鹏2，王鹏3，孙智辉2
（1兰州大学大气科学学院，兰州730000；2延安市气象局，陕西延安716000；3洛川县气象局，陕西洛川727400）

摘要：为了更加有效地在洛川开展苹果花期霜冻预防技术试验与推广，笔者利用洛川县苹果园梯度观测塔观测的温度、风速数据，采用数理统计方法，分析了洛川近地层夜间气温逆温特征。结果表明：洛川春季辐射降温时，逆温持续时间长、温差大、风速小，具备开展空气扰动防霜的基本条件。洛川逆温出现时间与日出日落时间密切相关，日落后逆温形成，日出后逆温消失。逆温的平均强度为0.7～0.8℃，在冬季最大值出现在午夜，春季（4—5月）最大值出现在凌晨。春季出现辐射霜冻时，近地层平均逆温强度在2℃以上，最大值可达4℃。逆温的出现受天气影响，当夜间为阴天或有降水时，逆温不会形成。风速对逆温的形成及强度影响极大，当春季夜间风速大于2.5 m/s时，逆温基本上也不存在。

关键词：洛川；近地层；逆温特征；空气扰动防霜；天气

0　引言

洛川县位于黄土高原腹地，是全国苹果优生区，从1947年开始种植苹果，至今面积已达3.387万hm2，占总耕地面积的71%。2014年苹果总产量76万t，产值超30亿元，农民人均纯收入11106元。苹果生产经常面临着各种各样的自然灾害。洛川县苹果遭受的自然灾害且造成损失的主要为霜冻、冰雹、大风沙尘、干旱［1］。洛川是苹果花期冻害的多发区和重发区［2-3］，据统计，花期冻害基本上3年1遇，但在2005年以后，冻害出现次数增多、强度增强，在2006、2007、2010、2013、2015年出现5次花期霜冻，影响较大［4］。防霜方法主要有覆盖法、烟熏法、灌溉喷水法和扰动防霜法，其中扰动防霜技术就是根据逆温这一特殊现象，使用装备扰动空气，将上方暖空气吹下与冠层冷空气混合，从而提高冠层温度，从而达到防除霜冻这一目的［5］。

国内外学者利用扰动空气的原理对农作物进行防霜，取得了一定效果［6-10］。Doesken等［11］和Antuio C等［12］指出，是否开启风扇防霜主要由逆温强度和最低温度决定，逆温强度达到（1.5～2.0）℃/10 m以上时才有较好的增温效果。

开展扰动防霜，必须对近地层温度垂直分布特征有所认识，国内外学者针对不同的下垫面进行了观测与研究。大多研究以城市为主，为污染扩散预报提供基础［13-16］。也有针对茶园、草地进行过观测与分析［17-18］，Ribeiro等［19］在苹果园里试验测定了46个辐射霜夜的平均逆温差（地面上方1.5、15 m处的温差），发现其中17个夜晚均不小于4℃。洛川苹果园区地处高原，气候、地形条件、下垫面特征与之前研究不同。因此，本研究根据梯度塔观测数据，分析洛川近地层气温逆温特征，认识开展空气扰动防霜必需的近地层逆温强度和出现的天气条件，对空气扰动防霜可行性进行初步分析，以期为推广空气扰动防霜技术提供依据。

1　资料与方法

1.1研究区概况

洛川县位于陕西中部，延安地区南部，地处渭北黄土高原沟壑区，109°133′144″—109°45'47"E，35°26′29″—36°04′12″N，境内属北温带大陆性湿润易干旱季风气候，年均气温9.2℃，年降水量622 mm，无霜期167天，日照充足，昼夜温差大，平均海拔1072 m。苹果主要种植在塬上，塬面平坦，土地宽广，塬面上黄土松疏，土质肥沃，是世界级的优质苹果生产基地。

1.2资料来源

2013年以后，在洛川不同区域先后安装小气候梯度观测塔3个，观测2、4、6、8、10 m高度温度和风速。观测仪器为：AV-14TH温度传感器（测量温度量程-45～65℃，精度：±0.1℃）；AV-30WS型风速风向传感器（北京雨根科技有限公司，量程：0～60 m/s，精度：±0.5m/s）。

资料时间为2014年10月—2015年5月。

1.3研究方法

温度统计采用数理统计方法。逆温分析以洛川果树研究所安装的仪器观测为准，因最高只观测到6 m高度，逆温强度是6 m处温度减去2 m温度。

2　结果与分析

2.1逆温出现时间

以12月和4月分别代表冬春季分析逆温出现时间。12月，逆温一般在17时出现，在次日8时消失；4月，逆温开始时间为20时，结束时间在6时。分析逆温开始与结束时间，与日出日落时间密切相关，日落后出现逆温，日出后逆温消失。如洛川12月日出时间在7:30—7:52之间，日落时间在17:29—17:38之间，日出后，逆温逐渐消失。4月日出时间6:30—5:52，日落时间19:03—19:28之间，日落后，逆温形成。

2.2逆温强度

2013年12月，逆温平均强度为0.8℃。由图1a可知，逆温最大的并不是出现在凌晨，而是出现在午夜2时，平均值为1.3℃。2014年4—5月，由于进入春季后，云量增多、降水增多，因此并不是每个夜间均会出现逆温，只有4月下旬和5月上旬逆温明显。统计这个时段的逆温强度平均为0.7℃，2—6时逆温明显偏高，逆温值在1℃以上，3—5时达到1.5℃以上（见图1b）。

2.3辐射降温逆温情况

2014年5月5日，出现1次典型的辐射逆温过程，天气晴朗，微风。整个夜间从0时开始，风速基本小于1 m/s，5日凌晨最低气温为-0.6℃，形成霜冻天气。以0时为界，前半夜，风速较大，温差较小，维持0.5℃以下，后半夜，温差迅速增大，2～6 h温差均达到2℃以上，持续5 h，平均值为3.1℃，其中以3～4 h温差最大，达到4℃以上。

2015年5月9—12日，出现1次明显的降温天气过程，最低温度出现在5月12日，部分地方温度降至0℃以下，洛川县苹果处于幼果期，出现了冻害。5月12日，天气明朗，风速普遍小于1 m/s，辐射降温明显。用10 min数据进行分析，在19:30逆温开始形成，至6:50消失，持续时间接近12 h，平均温差为2.3℃（见图2）。20:40—6:10温差均大于1.5℃，持续时间9.5 h，最大温差达到3.5℃。

2.4逆温与气象要素的关系

图1　洛川县12月、4月夜间近地层逆温变化图

图2　洛川县2015年5月12日夜间近地层逆温温差变化图

2.4.1逆温与云量笔者选择2013年11月22日、25日、2014年4月19日的逆温、风速、云量、降水等进行分析（见表1），可以看出，这3日的风速较小，平均值为1.2 m/s，可以认定风速的影响较小。对应的云量较多时，逆温值小，而云量多时，逆温值大。如11月25日，23时、5时云量为10成，相应的逆温值是0.9℃、0.2℃，而2时云量为4成，逆温值为2.4℃，有明显差异。4月19日不仅维持阴天，还有降水产生，逆温完全消失。

2.4.2逆温与风速逆温与风速有很大关系，Snyder博士［20］指出，当风速大于2.5 m/s时，逆温消失。笔者选择洛川4月至5月上旬出现的夜间温度与风速数据160对，做出点聚图，尽管点比较分散，还可以看到，点群的上包线具有1个明显的转折点。与之对应，风速为2.5 m/s（图3）。说明在洛川春季夜间风速大于2.5 m/s时，逆温基本上也不存在。

表1　洛川县逆温、风速、云量分析表

续表1

图3　洛川县近地层逆温与风速分析图

2.5空气扰动防霜可行性分析

空气扰动防霜也称为送风法，是当近地面出现逆温层时，用排风扇或螺旋桨等送风机吹风，使上下层空气混合，从而提高低层空气温度，达到防霜的目的。在美国，多利用大型风机进行防霜；在日本，以高速风扇为主。风扇防霜能否发挥作用，主要由逆温强度和最低温度决定，一般逆温强度达到（1.5～2.0）℃/10 m以上时才有较好的增温效果。根据前文对洛川2次霜冻过程夜间近地层逆温强度分析，洛川逆温强度达到2℃以上，最大值可达4℃，从逆温强度这一点分析，洛川具备开展空气扰动防霜的条件。

3　结论与讨论

（1）洛川逆温出现时间与日出日落时间密切相关，日落后逆温形成，日出后逆温消失。逆温的平均强度为0.7～0.8℃，在冬季最大值出现在午夜，春季4—5月，最大值出现在凌晨，逆温强度春季还大于冬季。春季辐射降温时，逆温最大，可达到4℃以上。逆温的出现受天气影响，当夜间为阴天或有降水时，逆温不会形成。风速对逆温的形成及强度影响极大，当春季夜间风速大于2.5 m/s时，逆温基本上也不存在。

2014年和2015年春季苹果花期时，出现降温天气过程，在2014年5月5日、2015年5月12日形成辐射霜冻，出现苹果受冻现象。这两日逆温非常明显，温差大于1.5℃持续时间长，温差大，风速小，具备空气扰动防霜的条件。从这2个事例可得出在洛川出现辐射霜冻时可以通过空气扰动达到防霜目的。

（2）本研究是第1次对洛川近地层逆温特征进行统计分析，为开展空气扰动防霜提供技术支撑。洛川近地层逆温强度小于其他文献结论，这可能与洛川的地形和洛川平均风速较大有关系。

（3）洛川苹果花期冻害出现时，平流霜冻影响大，但出现平流霜冻时，风速大，限制了空气扰动防霜的应用。

（4）由于观测时间较短，采用的辐射霜冻样本数较少，可能对结论有一定影响，今后应继续开展研究和试验，提高防霜效益。

参考文献

［1］李军民.陕西洛川苹果主要自然灾害及防灾减灾体系现状［J］.果树实用技术与信息,2013（10）:33-35.

［2］柴芊,栗珂,刘璐.陕西果业基地苹果花期冻害指数及预报方法［J］.中国农业气象,2010,31（4）:621-626.

［3］柏秦凤,王景红,郭新,等.基于县域单元的陕西苹果越冬冻害风险分布［J］.气象,2013,39（11）:1507-1513.

［4］孙智辉,马远飞,高志斌.洛川苹果花期冻害气候特征及人工防霜可行性探讨［J］.农学学报,2015,5（11）:109-112.

［5］RibeiroA C, Melo-Abreu J P D, SnyderR L. Apple orchard frost protectionwith wind machine operation［J］.Agricultural and Forest Meteorology,2006,141（2/3/4）:71-81.

［6］Bonsal B R, Zhang X, Vincent L A, et al. Characteristics of daily and extreme temperature over Canada［J］.Journal of Climate,2001,14 （9）:1959-1976.

［7］尹宪志,王研峰,丁瑞津,等.大面积果园高架长叶片防霜机的效果试验［J］.农业工程学报,2014,30（15）:25-32.

［8］胡永光,刘胜忠,沈建文.茶园无人直升机防霜试验研究［J］.沈阳农业大学学报,2013,44（5）:692-695.

［9］戴青玲,张胜波.早春逆温条件下茶园高架风扇防霜效果试验［J］.江苏农业科学,2009（4）:220-222.

［10］胡永光,李萍萍,戴青玲,等.茶园高架风扇防霜系统设计与试验［J］.农业机械学报,2007,38（12）:97-99.

［11］Doesken N J, MeKee T B, Renquist A R. A climatological assessment of the utility of wind machines for freeze protection in mountain valleys［J］.ApplMeteorol,1989,28（3）:194-205.

［12］Antuio C, Ribeiro J, Melo-Abreu P D, et al. Apple orchard frost protection with wind machine operation［J］.Agricultural and Forest Meteorology,2006,141（2/4）:71-81.

［13］卞林根,程彦杰,王欣,等.北京大气边界层中风和温度廓线的观测研究［J］.应用气象学报,2013,13（特）:13-24.

［14］解以扬,刘学军.天津气象塔风温梯度观测的统计特征［J］.气象, 2003,29（1）:12-16.

［15］周书华,倪长健,刘培川.成都地区大气边界层逆温特征分析［J］.气象与环境学报,2015,30（2）:108-111.

［16］张孟,林琳,张子宜.长春市空气质量污染特征分析与防治对策［J］.气象与环境学报,2009,25（3）:57-61.

［17］胡永光,茆康前,朱霄岚.晚霜茶园下垫面气温变化动态［J］.浙江农业学报,2013,25（6）:1238-1242.

［18］朱宝文,宋理明,许存平.环青海湖地区草地近地层气象要素变化特征［J］.中国农业气象,2007,28（4）:389-392.

［19］Ribeiro A C, Melo- Abreu J P, Snyder R L. Apple orchard frost protection with wind machine operation［J］.Agricultural and Forest Meteorology,2006,141（2/4）:71-81.

［20］Richardl.Snyder, J.Paulo De Melo- Abreu. Frost Protection: fundamentals, Practice, and economies- volume I［M］.Rome:Food and Agriculture Organization of the United Nations,2005.

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

中图分类号：P49

文献标志码：A论文编号：cjas15120017

基金项目：陕西省气象局研究型业务重点科研项目“苹果花期综合防霜试验”（2015Z-8）。

第一作者简介：曹雪梅，女，1982年出生，陕西榆林人，工程师，本科，主要从事应用气象研究工作。

通信地址：716000陕西省延安市气象局，Tel：0911-2294762，E-mail：cxm1027@163.com。 716000陕西省延安市气象局，Tel：0911-2294195，E-mail：yaszh@163.com。

通讯作者：孙智辉，男，1967年出生，陕西延川人，正研级高工，本科，主要从事遥感及应用气象服务工作。

收稿日期：2015-12-23，修回日期：2016-02-21。