旱区果园晚霜冻日的温湿度时空分布及变化规律

段晓凤，李红英，卫建国，张 磊，马国飞，朱永宁

(1.内蒙古生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051；2.中国气象局 旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；3.宁夏气象科学研究所，宁夏 银川 750002；4.宁夏气象信息中心，宁夏 银川 750002)

前言

温湿度条件是影响果树发育生长、形成产量和品质的重要条件，也是导致各种病虫害、农业气象灾害的重要影响因素。在气候变化的背景下，春季温度有升高趋势，旱区果树春季开花早，经常遇到晚霜冻害，轻者造成减产，重者绝收。2012年4月11日出现的降雪在树枝和花上形成冰冻，延长了花的受冻时间，加重了受冻程度，当年苹果产量受到明显影响。2013年4月5-10日宁夏全区出现的霜冻达到了重度以上霜冻等级，灌区经济林果受冻率在98%以上，其中苹果中的富士受冻最为严重。2014年下旬至5月上旬，我区多次出现霜冻天气，5月2日、3日、4日、5日、10日、11日、12日和15日清晨，全区大部或局部地区出现了轻霜冻或霜冻。特别是5月4日清晨，我区出现了大范围明显降温过程，各果园的最低气温普遍降到了-2～-3℃，并且低于0℃的气温持续时间长达6～8 h。处于幼果至果实膨大期的苹果由于霜冻发生频繁，造成幼果普遍受冻，产生大量僵果、落果，座果率显著降低，部分低洼地、通透性较差的果园受冻非常严重。河东生态园艺试验中心、中宁轿子山林场和孙家滩等地苹果幼果的受冻率普遍在50%～60%以上，部分达95%以上，几乎绝产。因此，晚霜冻害已成为部分旱区果树发展的限制因子，明显影响了该产业的发展[1]。同时，湿度一方面影响果树春季开花的早晚，也对霜冻过程及其灾害形成具有一定的影响[2-3]，郭小芹等学者研究结果认为对于霜冻，湿度条件也是非常重要的致灾因子。因此，把握春季霜冻日的温湿度条件是果树防灾减灾和产业发展的关键问题。

关于果园气象条件的研究已有不少[4～7]，包括对座果率或果实品质的影响方面研究[8～10]，对果园日常或不同季节小气候特征的分析，以及对经济林果晚霜冻发生的低温阈值的研究[11～15]，但专门针对果园晚霜冻过程中天气条件规律的研究则很少[16～18]。笔者在前期研究的基础上，分析了旱区春季霜冻日果园内温度和湿度的日时间变化和空间变化规律，为开展园内霜冻预报和灾害防御提供了基础理论依据。

1 站点及数据来源

1.1 站点布设介绍

研究区域在宁夏银川灵武市临河镇陶林园艺场，地处宁夏中部，北依长城与陶乐相邻，西与银川市隔河相望，东接磁窑堡镇。园艺场总面积1 320 hm2，其中心位于38.38°N，106.45°E，海拔1 250 m。该试验场进行园艺生产、水果生产经营、新品种技术试验推广应用等工作，现已建成了宁夏省级果树良种苗木繁育场，同时建成了林果百花园、品种示范园、反季节水果生产示范园等。属于典型的中温带干旱气候，其特点：春迟秋早，四季分明、日照充足、热量丰富、蒸发强烈、气候干燥、晴天多、雨雷少。全年日照时数3 080.2 h，平均无霜期157 d，生长季170 d，≥10℃年平均积温为3 351.3℃，年平均气温8.8℃，年均降水量206.2～255.2 mm。土壤类型为砂壤土，土质深厚肥沃。果园内苹果树树龄为10 a，生长发育良好。

为观测果园小气候，试验组在果园布设4个PC-3型移动式自动气象站(全要素数字气象站)，分别命名为A、B、C、D点，各点经纬度分别为：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点间距离为1.74 km，A、C点间距离为1.84 km，A、D点间距离为1.55 km，B、C点间距离为3.37 km，B、D点间距离为2.62 km，C、D点间距离为1.07 km；A、B、C、D四点分别到黄河边直线距离分别为：0.35 km、1.1 km、0.3 km、1.05 km[17]。

1.2 数据来源

数据资料取自A、B、C、D四个自动气象观测站点1.5米和3.0 m处气温、湿度监测的逐小时数据，时间段为2012-2015年期间4-5月，根据大田霜冻实地调查结果统计霜冻发生日4个站共31个样本，监测频率为10 min。

2 方法

采用数理统计和SPSS相关性分析方法，计算四个自动气象站每个霜冻日果园内不同冠层的温度及湿度平均值，并分析其时间分布和变化的规律。为确定空气温湿度在果园中的空间分布及变化规律，计算、对比分析了四个站点果园不同高度冠层温湿度的最大值、最小值、平均值、日较差或极差。研究还通过对比不同高度冠层温湿度变化速度特征，分析总结了其与霜冻发生可能性的关系。

3 结果与分析

3.1 气温

3.1.1 日气温时间分布及变化规律 由果园中A、B、C、D站点日气温(图1)可知，果园内发生霜冻当日气温变化呈单峰曲线状，最低气温出现的时间一般集中在凌晨5:00左右，气温最高值出现在下午15:00左右，且果园内不同高度出现日最高气温和最低气温的时间分别同步。

图1 四个站点气温日变化过程

(注：环温/湿1为果树3m高处温度/湿度，环温/湿2为果树1.5m高处温度/湿度)

太阳辐射穿过果树林冠时，一部分被吸收，一部分被反射，一部分被投射到林内，使果园内阁层次的太阳辐射和温度较之到达冠层表面显著减少，从而使果园内各层气温的空间分布有所差异，导致各层苹果生长有着不同程度的差异。日出后地面温度升高速度快，导致高度越低的位置受地面辐射影响而温度升高越快，直到日落后，地面温度下降迅速，因此园内8:00左右至17:00左右，1.5 m处气温高于3 m处，其他时段均低于3 m处。

3.1.2 日气温空间分布及变化规律 霜冻日果园内不同冠层温度分布如表1所示，各站点3m高处最低气温-4.1～0.3℃，最高气温17.6～19.2℃，日较差18.9～22.0℃，平均气温为7.1～9.8℃。其中，C点最低气温和日平均气温较其他3个点高，但日较差最小，这是因为C点靠近黄河主河道，热容量大，气温相对较高并且平稳，相对其他地理位置不易发生霜冻；A点最低气温和日平均气温相对其他站点最低，日较差最大，最易发生霜冻，果园3 m高处按照霜冻发生可能性从大到小排序，依次为A>D>B>C。

1.5 m高处最低气温在-3.9～-0.6℃，最高气温在18.1～20.3℃，日较差20.9～22.8℃，日平均气温7.3～9.8℃。同3 m高处气温分布相同，C点日较差较小，不易发生霜冻；A点和D点最低气温相当，相对容易发生霜冻。果园1.5 m高处按照霜冻发生可能性从大到小排序，依次为D>A>B>C，分布特征基本同于3 m高处，且符合宁夏自治区灌区春天多为偏北风为主的气候特征。

对比两个冠层气温分布特征，A点3 m和1.5 m高处最低气温相当，其他三个监测站点3 m处最低气温比1.5 m处高0.6～1.5℃，说明果园内较低的花果比上层易遭受霜冻危害。各点3 m日温度最高值较1.5 m处低0.2～1.1℃，因为出现最高温的时段中，果树的冠层下部由于枝叶遮挡只接受了一部分太阳辐射，而冠层上部吸收了更多太阳辐射的热量，温度较高。各点3 m高处日较差较1.5 m处低0.8～2.0℃，这是因为越接近地面，受地面辐射变化的影响越大，温度起伏差异越大；各站点日较差相比A点最大，对苹果糖分积累及品质的形成较为有利。

表1 果园各站点空气日平均气温统计 (℃)

3.2 空气相对湿度变化规律

3.2.1 空气相对湿度时间分布及变化规律 由果园中A、B、C、D站点的相对湿度(图2)可知，果园内发生霜冻当日相对湿度变化呈单峰曲线状，但与温度不同的是曲线开口向上，即温度变化曲线开口向下，湿度变化曲线开口向上，且变化趋势呈对称相近。

最大湿度出现的时间一般集中在凌晨5:00至6:00之间，最小湿度出现在15:00左右，即温度最低时往往湿度最大，温度最高时湿度最小。由表2可知。温湿度二者呈显著负相关，且均达0.01显著性。这是由于在绝对湿度不变的情况下，温度下降意味着空气含有水蒸气饱和量变小，相对湿度增大；温度升高意味着空气含有水蒸气饱和量变大，相对湿度变小。

表2 各冠层温度与湿度相关系数

3.2.2 空气相对湿度空间分布及变化规律 霜冻日果园内不同冠层空气相对湿度分布如表3所示，各站点3m高处最低空气相对湿度在17.1%～19.4%，最高49.0%～69.9%，极差变化范围在31.8%～50.5%，各点相对湿度平均值为31.7%～42.2%。其中，距离黄河较近的A、C点最大空气湿度、最小空气湿度、平均空气湿度均大于距离果园中心较近的B、D点，这是由于离黄河越近，较高冠层的空气湿度越大；A、C点相对湿度极差变化范围也较果园中心大，说明果园边缘更易受园外环境影响。

图2 四个站点空气相对湿度日变化过程

1.5 m高处最低空气相对湿度在17.8%～19.0%，最高58.2%～67.3%，极差变化范围在39.3%～49.5%，各点相对湿度平均值为36.6%～40.3%。其中，A、D点的最大相对湿度、平均相对湿度和极差变化范围较B、C点大，最小相对湿度均在18.0%左右，说明果园较低冠层空气湿度受外界环境影响较小，而主要受园内水汽交换及小气候环境影响。

距离黄河较近的A点和C点，3 m高处空气相对湿度大于1.5 m高处，且随着向果园内部方向空气湿度逐渐小于1.5 m高处，这是因为果园边缘易受外界环境的影响，加之离河较近，高处空气湿度和变化幅度大，而在果园内部，由于冠层的遮挡，越接近地面土壤水分蒸发及冠层蒸腾越难以到达外界，空气湿度易达到较大值。

表3 果园各站点空气相对湿度统计 (%)

3.3 不同高度冠层温湿度变化速度对比

同一高度的温湿度随时间变化趋势相反，但其变化速度有什么规律,笔者对4个站点各冠层的温湿度变化速度进行对比分析。

3.3.1 3 m高处温湿度变化速度对比 同抛物线，曲线的X2系数的绝对值越大，开口越小，表示单位时间内温湿度的变化速度大；反之，曲线的X2系数的绝对值越小，开口越大，表示单位时间内温湿度变化速度小。据此，发现果园3 m高处温度的变化速度均小于湿度的变化速度，温度变化速度按照由大到小的顺序依次为：A>D>B>C，其中，B点和C点基本相当；湿度变化速度由大到小的顺序与温度基本相同，与发生霜冻可能性的排序也一致。由此可见，果园3 m高处温湿度变化速度越大，越容易发生霜冻。

图3 果园3 m高处温湿度变化速度对比

3.3.2 1.5 m高处温湿度变化速度对比 由图4可知，果园1.5m高处温度的变化速度小于湿度的变化速度，温度变化速度由大到小的顺序依次为A>D>B(C)，各点之间差异较小；湿度变化速度由大到小的顺序依次为D>A>C>B，与霜冻发生的可能性也基本一致。因此，同3 m高处一样，温湿度变化速度越大，越容易发生霜冻。

3.3.3 不同冠层高度温湿度变化速度对比 根据图3、图4，可知，果园3 m高处温湿度变化速度普遍小于1.5 m处，即1.5 m处更易发生霜冻，与前文研究结果一致。

图4 果园1.5 m高处温湿度变化速度对比

4 结论与讨论

4.1 结论

果园内发生霜冻当日气温变化呈单峰曲线状，最低气温出现的时间一般集中在凌晨5:00左右，气温最高值出现在下午15:00左右；8:00左右至17:00左右，1.5 m处气温高于3 m处，其他时段均低于3 m处，冠层较低的花果比上层易遭受霜冻危害。

相对湿度变化呈单峰曲线状，但变化曲线开口向上，且变化趋势与温度呈对称相近。最大湿度出现的时间一般集中在凌晨5:00至6:00之间，最小湿度出现在15:00左右，即温度最低时往往湿度最大，温度最高时湿度最小。温湿度二者呈显著负相关，且均达0.01显著性。

果园1.5 m冠层空气湿度受外界环境影响较小，而主要受园内水汽交换及小气候环境影响，果园较高冠层边缘更易受园外环境影响。因此，距离黄河较近的A点和C点，3 m高处空气相对湿度大于1.5 m高处，且随着向果园内部方向空气湿度逐渐小于1.5 m高处。

果园内不论哪个冠层，温度的变化速度一般小于湿度，且温湿度变化速度越大，越容易发生霜冻。

4.2 讨论

笔者采用数理统计及SPSS相关分析了果园发生霜冻当日气温、空气相对湿度随时间变化的规律和空间变化规律，与郭秀明[4]、杨洋[10]、段晓凤[11]等学者的研究成果相符合，但果园内受坡度、坡向、海拔高度等地理因素的影响，导致同一果园内不同位置温湿度差异大的现象。如果能“由点推面”计算出整个果园任意点温湿度值，那么就可以根据天气预报结果预报果园任意点的温湿度值，进而更精确地预报霜冻等级。而现在气象条件的监测和预报从以往的大监站和区域小气候站开始转向格点化，逐渐实现以点插值到面，这可为今后果园霜冻精准化预报提供发展基础。