基于无人机扰动的果园防霜试验研究

王荣英, 孟 纯, 张九青, 许俊东, 侯晓杰, 姜 全

(1.衡水市气象局，河北 衡水 053000；2.深州市良桑繁殖场，河北 深州 053800；3.衡水学院，河北 衡水 053000；4.北京市农林科学院林业果树研究所，北京 100093)

引 言

在全球气候变暖大背景下，暖冬和暖春年份增多，同时春季气温不稳定性也在增加，果树花期遭遇晚霜冻害的风险在增大[1-4]，严重影响了果树栽培的经济效益。每年3月下旬至4月初果树萌动后，抗寒能力急剧下降，花期和幼果期抗寒力最差，此时若遭遇晚霜冻天气，极易发生冻害。冻害轻则延迟发育，降低果实品质和产量，重则绝收，给果农造成严重的经济损失。

晚霜冻害发生时，近地层往往伴有逆温现象(即上热下冷现象)[5-6]，故农业生产上有“霜打洼地”之说，低洼地带和近地面处晚霜冻害更严重[7-10]。晚霜冻害的传统防御措施有灌水、熏烟、覆盖和喷水等。这些方法虽对防霜有一定作用，但存在效果较差、易造成环境污染或不便于实施等缺点[11-12]，在生产应用上受到一定限制。高架防霜风机是利用物理学方法，将上层的暖空气与下层的冷空气进行混合，提高下层空气温度，从而有效地预防晚霜冻害，防霜效果明显[13-17]。高架防霜风机虽在生产上也有部分应用，但成本高、防霜范围基本固定，且周年使用率低，不适合大规模推广。无人机具有可移动、操作灵活、迅速和使用成本低等优点，在防御晚霜冻害之余还可以另做它用。

本研究基于高架防霜风机的原理，利用无人机搅动近地层气流，测试其对下层空气的增温效果，验证晚霜冻害的防御能力，以期探寻一种“有效、快速、经济、安全”可移动的果园防霜技术，对果树生产意义重大。

1 材料与方法

1.1 材 料

本试验选取较强冷空气过境后且夜间晴朗无风或微风的2020年4月21-23日在河北省深州市良桑繁殖场(38°01′37″N、115°27′40″E,海拔高度27 m)的桃园开展。桃树树龄2年，树高1.1～1.3 m，株行距3 m×6 m，起垄种植，行间种植冬油菜，高度0.3～1.0 m。

选取大疆无人机ES(22日)和T20(23日)于该季节最低气温出现最多的时段(多为05-06时)进行小气候干预。对比监测无人机干预点和对照点的1.5 m、1.0 m和0.6 m三个高度的温度(如图1所示)，同时监测对照点0.3 m高度的温度和6.0 m处的风速，监测仪器见表1(精度±0.1 ℃、测量范围±50 ℃)，所有数据采集频率均为每5 min 1次。

图1 桃园温度监测高度示意图

表1 桃园气象监测仪器说明

1.2 方 法

1.2.1 桃园温度监测

自4月21日20时至23日14时，在同一桃园内，分别对无人机干预点(西)和对照点(东)1.5 m、1.0 m和0.6 m三个高度的温度进行连续监测。无人机干预点与对照点东西方向相距约500 m，其中对照点布设有果园小气候监测站。此外，还对0.3 m高度的温度和6.0 m高度的风速进行监测。无人机干预点和对照点均布设在果园内，且远离果园边缘，不存在边界效应影响。

1.2.2 无人机防霜试验

22日05:12至06:18，使用大疆无人机MG-1S(参数见表2)，以干预点为中心，向东西方向各延展3行，南北方向(树的行向)各延展60 m，沿桃树行向依次飞行(图2)，飞行高度约2.2 m，约10-12分钟干预一次。

图2 2020年4月22日无人机飞行路线及无人机干预点、对照点布置图

表2 大疆无人机技术参数

23日04:49至06:02，使用大疆无人机T20，以干预点为中心，向东西方向各延长3～4 m，向南北方向各外延60 m，即在无人机干预点所在的一个树档子间沿树的行向蛇形往返飞行，飞行高度约2.3 m，约1-2 min干预一次。

1.2.3 数据质量控制

试验用所有的监测仪器均为气象部门规定的专业仪器，允许误差范围为±0.1 ℃。对比21日20时至23日14时无人机干预点和对照点各高度温度的变化情况发现，无人机干预点1.0 m高度(CAWS620-MS型自动气象站)温度数据与其余5个温度一致性较差，夜间温度波动不同步，白天气温明显偏高(5～10 ℃)，或存在仪器故障，故不对该数据分析。

2 结果分析

2.1 对照点近地面的逆温情况

分析对照点1.5 m、1.0 m、0.6 m及0.3 m四个高度的温度变化情况(重点分析夜间晚霜冻可能出现时段)及该点对应时刻的风速情况发现，2020年4月21日20:00至22日06:30、22日18:00至23日06:30，0.3-1.5 m高度处存在逆温现象(如图3)。0.6 m至1.0 m温度差异最大，逆温最强；0.3 m至0.6 m温度差异很小，逆温最弱。在无风或风速≤1.5 m/s情况下，温度随高度升高且上升幅度较大，近地面逆温较强。风速>1.5 m/s时，各高度层有温度骤升且各高度层间温度差异变小，逆温减弱，但逆温一直存在，如21日21:55至23:00、22日00:05至02:10各高度层的温度变化情况。1.5 m和0.3 m高度的温差(排除风速的影响)显示：17:30(日落前)开始出现逆温，至21-22时前后达到最强，之后逆温缓慢减弱，04:30至06:05又略有增强，之后迅速减弱直至消失。1.5 m和0.3 m的最大温差为7.4 ℃。

图3 2020年4月21日20时-23日14时对照点各高度层温度变化图

其中18:20至次日07:00，排除风速的影响，对照点1.5 m和0.3 m温差多为≥3.0 ℃，逆温现象明显。根据最低气温的出现时间(22日05:20，23日05:40)，22日和23日无人机干预时段的选择均比较合理。

深州市气象站是距离该果园最近的国家级气象站，位于深州市区内。对比分析21日20时至23日14时深州市气象站和果园内对照点1.5 m气温和6.0 m风速(图略)发现:两站温度存在明显差异，白天(07时至18时)两站气温差值90%以上不足1.0 ℃，其中08时至15时果园内对照点温度高于深州市气象站的，夜间(18时至次日07时)深州市气象站温度普遍高于对照点温度，且差值较大，平均为6.4 ℃，最大值10.0 ℃(出现在23日02:15)；两站的风速一致性较好，夜间(尤其是后半夜)风速较小，大部分时段风速不足1.0 m/s，白天风速相对较大。

2.2 无人机干预效果分析

2.2.1 4月22日试验结果

22日无人机干预时段为05:12至06:18，各高度层的温度变化均较为平缓(图4)。对照点各高度层气温维持偏低状态持续至05:45(日出后10 min左右)，之后受阳光照射影响，气温缓慢上升。05:12无人机开始干预后，干预点0.6 m和1.5 m处温度分别从-5.8 ℃和-2.4 ℃缓慢持续升高，05:35日出，10 min后受阳光照射温度上升速率增加。表明自无人机干预时起,干预点温度开始升高，但升温效果微弱，或因干预的程度不够。

图4 2020年4月22日各高度层温度变化图

由0.6 m高度处无人机干预点和对照点温度曲线(图4)可看出，05:15(干预开始时间)两线分离，干预增温效果开始显现；05:45两线的距离达到最大，即无人机干预增温效果达到最大(1.3 ℃)；06:15(干预结束时间)以后两线距离逐渐缩小，06:20后两线几乎重合，无人机干预增温效果消失。

对比1.5 m高度处无人机干预点和对照点温度曲线(图4)发现，05:15(干预开始时间)两线分离，干预增温效果开始显现；05:25两线的距离达到最大，无人机干预增温效果达到最大(1.3 ℃)；之后两线距离逐渐缩小，05:50后两线几乎重合，无人机干预增温效果消失时间较0.6 m高度的提前25 min左右。

从22日早晨各高度温度差值(温度差值为T干预点-T对照点)曲线图(图5)来看，0.6 m高度04:30至05:10温度差值接近于0;无人机开始干预时(05:15)差值缓慢增加，干预效果显现;至05:45差值达到最大(1.3～1.4 ℃);05:45至06:15(干预期间)差值稳定在1.3～1.4 ℃，即期间无人机干预的结果是增温1.3～1.4 ℃。飞行结束(06:15)后差值迅速下降，06:25之后差值徘徊在0 ℃左右，即无人机干预的效果消失。1.5 m高度的温度差值变化为无人机开始干预时(05:15)差值缓慢增加；05:25差值最大，为1.3 ℃；之后温度差值开始下降，至05:50差值接近于0，即无人机干预的效果消失。

图5 2020年4月22日各高度层干预点和对照点温度差值变化图

从22日无人机干预点和对照点各高度层温度对照来看(表3)，干预点0.6 m高度温度<-2 ℃的结束时间比对照点的早5 min，极端最低气温比对照点的高0.3 ℃，1.5 m高度温度<-2 ℃的结束时间比对照点的早30 min，极端最低气温比对照点的高0.7 ℃。

表3 果园各高度层温度对照

2.2.2 4月23日试验结果

对照点05:45(日出后10 min左右)之前各高度温度持续偏低(见图6);05:45之后受阳光照射影响各层气温持续上升;07:15左右各高度层温度趋于一致。04:50无人机干预开始时，干预点0.6 m和1.5 m高度的温度曲线出现拐点，表现为迅速升高，至05:15再次出现拐点，之后温度上升趋势变缓。无人机干预的前25 min内干预点0.6 m和1.5 m温度分别由-5.2 ℃和-2.2 ℃上升到-1.8 ℃和0.3 ℃，分别上升了3.4 ℃和2.5 ℃，平均上升3.0 ℃。05:15以后各高度层温度多>-1.5 ℃，且各高度层间温度差异较小。

图6 2020年4月23日各高度层温度变化图

对比0.6 m高度有无人机干预点和对照点的温度曲线(图6)发现，04:50(干预开始时间)两线开始分离，干预效果显现；05:15两线的距离达到最大，无人机增温效果达到最大；06:00(干预结束时间)以后两线距离逐渐缩小，06:30后两线几乎重合，干预效果消失。

1.5 m高度有无人机干预点和对照点的温度曲线(图6)，与0.6 m高度的类似：04:50两线开始分离，干预效果开始显现；05:15两线的距离达到最大，无人机增温效果达到最大；06:00以后两线距离逐渐缩小，06:20后两线几乎重合，干预效果消失，消失时间较0.6 m的提前10 min。

无人机干预情况下，各高度上的最低气温均出现在无人机干预的开始时间，之后各高度层温度持续上升，且不同高度间温度差异减小，趋于一致。

从23日早晨各高度温度差值曲线图(图7)来看，0.6 m高度04:00至04:40温度差值(干预点温度减对照点温度)接近于0，无人机干预开始时(04:49)差值剧增，至05:15差值达到5.2 ℃，05:15至06:00(干预期间)差值稳定在5 ℃左右，即期间无人机干预的结果是增温5.0 ℃左右。飞行结束后差值迅速下降，06:30之后差值徘徊在0 ℃左右，即无人机干预的效果消失。1.5 m高度温度差值变化曲线与0.6 m的相似，只是05:15至06:00(飞行结束时)差值稳定在2.0～3.0 ℃，较0.6 m高度的低2～3 ℃，即期间无人机干预的结果是增温2～3 ℃，06:30之后无人机干预的效果消失。

图7 2020年4月23日各高度层干预点和对照点温度差值变化图

从23日无人机干预点和对照点各高度层温度对照来看(表3)，干预点0.6 m高度温度<-2 ℃的结束时间比对照点的早70 min，极端最低气温比对照点的高1.0 ℃，1.5 m高度温度<-2 ℃的结束时间比对照点的早55 min，极端最低气温比对照点的高0.3 ℃。

23日干预程度增强，无人机干预的0.6 m、1.5 m高度温度分别有5 ℃左右和2～3 ℃的升高，<-2 ℃的结束时间均明显比对照点的早，增温效果明显。

2.3 果园冻害调查

在霜冻出现后7天，对该果园同一品种的桃树进行灾害调查。在无人机干预点周围选取20棵桃树，在对照点周围选取10棵，分别统计每棵树树梢的总数、受冻数和严重受冻数。调查结果显示，干预区和对照区的果园幼树的树梢都出现明显受冻现象，尤其是长度超过5 cm的新梢，受冻较重，长度不足2 cm的新梢受冻较轻。无人机干预区的树梢受冻率为81.3%，严重受冻率为22.9%;对照区的树梢受冻率为77.7%，严重受动率为29.0%。两种环境下的树梢受冻率差异不显著(P>0.05)。通过分析低温持续时间发现，无人机干预前，桃树树梢所在高度(0.5-1.3 m)温度已经降至-2 ℃以下，且持续了2～3小时(见表3)，故可能冻害在无人机干预前就已经形成。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

对于生产上常用的霜冻防御措施(灌水、熏烟、覆盖和喷水等)的效果，余卫东等[18]认为，灌溉可提高冬小麦田间最低气温0.1～0.6 ℃，可减少气温≤0 ℃的持续时间1～2 h；陈家豪等[19]研究了烟幕防御低温的效应，认为熏烟可以有1～2 ℃的增温效果，但受天气条件限制较大；蔡文华等[20]认为稻草覆盖的防冻效果较好，但存在火灾隐患且不易实施；陈加红[21]发现长时间持续喷水可使梨园气温维持在0 ℃以上,好于燃放烟雾的防冻效果，但需配套水井、电和喷水设施。

无人机扰动的果园防霜措施要求近地面必须存在逆温现象。兰忠明[22]、蔡文华[23]、尹宪志[24]等分析了果园内的逆温特征，尹宪志发现天水市春季(3-5月)，当17时至次日08时风速<3.3 m/s时，往往伴随逆温现象。说明无人机防霜措施实施的先决条件较易满足。

无人机干预的结果是各高度温度均有所升高，且高低层温度趋于一致，这与李萍萍[6]、胡永光[15]等的研究结论一致；干预频繁、干预力度较大的23日增温效果更明显，也表明了22日无人机干预的力度不够。无人机干预的增温效果或因逆温强度、干预频率、干预风速、飞行高度不同而不同，最佳干预频率、干预风速、飞行高度及飞行路线间隔距离均有待继续研究。开展试验的果园树龄为2年，树高不足1.5 m，行间种植冬油菜，试验是在辐射型降温的天气形势下开展的，其他果园无人机干预的增温效果或略有不同。本试验无人机开始干预时果园低温已经持续了较长时间，所以干预过的果园幼树仍然发生了冻害。

3.2 结 论

(1)辐射型晚霜冻发生时，果园0.3-1.5 m高度处存在逆温现象，其中0.6 m至1.0 m逆温最强，0.3 m至0.6 m逆温最弱。在无风或风速≤1.5 m/s情况下，温度随高度升高且上升幅度较大，近地面逆温较强；风速>1.5 m/s时,各高度层温度骤升且各高度层间温度差异变小，逆温减弱，但逆温一直存在。排除风速的影响，逆温在日落之前就已形成，之后逆温不断增强，至21-22时前后达到最强，之后逆温缓慢减弱，黎明前又略有增强，之后迅速减弱直至消失。其中18:20至次日07:00，排除风速的影响，对照点1.5 m和0.3 m温差多为≥3.0 ℃，逆温现象明显。

(2)无人机干预的效果：自干预时起0.6 m和1.5 m高度温度都有升高，低层增温更明显，干预的结果是高低层温度趋于一致。干预点<-2 ℃的结束时间早于对照点的结束时间，干预点的极端最低气温高于对照点的。

(3)无人机干预果园小气候，在干预频率和干预风力足够的情况下，干预25 min左右，增温效果达到最大(0.6 m可增温5.0 ℃左右，1.5 m可增温2.0～3.0 ℃，增温效果明显)，之后在无人机干预期间，干预效果维持最大水平，停止干预后，干预效果逐渐减弱，半小时后干预效果消失。