冰雹是对流云中的一种固态降水物，是在一定的大尺度环流背景下产生的中、小尺度的天气现象，具有突发性强、破坏力大和生命史短的特点，是一种常见的灾害性天气。冰雹灾害是一种局部地区性强、季节性明显、来势急、持续时间短、破坏力强且以砸伤为主的气象灾害，常伴有大风、暴雨，给农牧业生产，尤其是给丰收在望的农作物带来重大损失。据张强[1]、周嵬等[2]、李丽华等[3]和汤兴芝等[4]研究统计，每年因冰雹造成的经济损失高达亿元，所造成的经济损失也在不断增加。近年来，相关研究聚焦于对冰雹的预报及对其天气系统的探究，如冰雹的形成与发展、冰雹物理过程的动力学等方面。孙安平等[5]在一个三维冰雹云模式和一个二维轴对称积云起电模式的基础上，初步建立了三维强风暴动力与电耦合模式，探讨各种微物理过程参数化方案，并分析该模式的初边值条件和对流启动方式[6-7]。李大山[8]、胡志晋[9]和董安祥等[10]根据雹云形成的环境条件，总结其概念模式，把冰雹云数值模式与微机化单站统计预报模式相结合，初步建立了根据单站统计预报模式计算的物理量。李金辉等[11]对冰雹云内部结构开展了个例分析，得出冰雹产生的环境场配置。刘春文等[12]对一次典型降雹过程的冰雹微物理形成机理进行数值模拟，其模拟的降水、降雹和回波强度等物理量与对应的观测量基本一致，并发现雹/霰胚的主要生成来源是通过过冷雨滴的概率冻结产生的冻滴。在冰雹时空演变的气候态特征方面，对本地较小区域尺度的研究较多[13-14]。实践中，对于模拟冰雹并统计其灾害受损情况的研究较少，因此，本文模拟冰雹对农作物的灾害损失，以通过对冰雹的模拟情况提出有建设性的灾害防御措施。
1 材料与方法
1.1 试验地基本情况
试验地位于四川成都新津区（103°53′56″ E，30°31′32″ N）。在一块均匀移栽的油菜田中架起三角梯，选取三角梯周围6块油菜田进行冰雹模拟试验。供试油菜于2021年11月27日移栽，配施复合肥75 kg/hm2，尿素15 kg/hm2，均做基肥，移栽平均密度12.5株/m2。
1.2 试验原理
冰雹末速度：
由式（1 ）～（2 ）可得到抛掷高度：
式中， 、 和 指冰雹、空气和钢球的密度，其中 =890 kg/m3， =0.9 kg/m3， =7.85×103 kg/m3。 、 指钢球、冰雹的质量，单位kg； 、 指钢球、冰雹的末速度，单位m/s； 指拖曳系数， ；D指钢球直径，单位mm。
表1 不同直径钢球试验密度及高度 |
| 钢球直径/mm | 钢球个数/个 | 对应高度/m |
|---|---|---|
| 30 | 150 | 5.61 |
| 25 | 150 | 4.67 |
| 10（300个） | 300 | 1.87 |
| 10（600个） | 600 | 1.87 |
| 10（900个） | 900 | 1.87 |
| 5（2 000个) | 2 000 | 0.93 |
| 5（4 000个) | 4 000 | 0.93 |
表2 冰雹灾害分级 |
| 等级 | 直径/mm | 持续时间/min | 厚度/cm |
|---|---|---|---|
| 轻微 | D 1<5 | t<10 | h<5 |
| 轻 | 5≤D 1<10 | 10≤t<30 | 5≤h<10 |
| 中 | 10≤D 1<30 | 30≤t<45 | 10≤h<30 |
| 重 | 30≤D 1<60 | 45≤t<60 | 30≤h<60 |
1.3 测定指标及方法
（1）不同直径冰雹对油菜的损害。根据不同直径的钢球所对应的高度，分别在开花期和籽实期对相同面积的油菜进行冰雹模拟试验。测量开花期不同直径冰雹对油菜造成的损害，主要包括折断枝数、茎枝划痕和叶伤数等指标；测量终花期不同直径冰雹对油菜造成的损害，主要包括折断枝数、茎枝划痕、角果划伤数和角果脱落数指标。
（2）相同直径不同密度对油菜的损害。通过模拟同一种直径的冰雹，对比不同密度下冰雹对油菜造成灾害的损伤程度。在油菜田块中随机抽取样品，分析开花期、终花期的油菜灾害损失情况（包括折断分枝数、茎枝划痕和角果数等）与模拟冰雹密度之间的关系。
（3）不同直径冰雹对油菜地上部生物量的影响。对受灾后的油菜生物量损失进行统计，取样称鲜重后，将样品置于105 ℃烘箱中杀青30 min，以70 ℃恒温烘干至恒重，称重获取油菜生物量。
（4）油菜冠层光谱测定。采用ASD FieldSpec 3便携式近红外光谱仪，选择晴朗无风的天气，测量油菜开花期模拟冰雹前后的光谱并对比。每次测定时间在10：00—14：00（太阳高度角大于45°）。观测油菜时，传感器垂直向下，距离冠层0.5 m，每个处理于测量前、后均用白板进行校正。油菜受灾前后以模拟30 mm冰雹为例进行对比。
2 结果与分析
2.1 不同直径冰雹对油菜的损害
开花期油菜受灾情况统计如表3所示。大直径冰雹对油菜造成的伤害分别是折断枝数、茎枝划痕和叶伤数。大直径冰雹在冰雹灾害中的占比很低，但对农作物的杀伤力较大。其中，模拟30 mm冰雹对油菜的损害较大，平均折断分枝数27个/hm2，平均茎上划痕和叶伤数分别是25、22处/hm2；模拟25 mm冰雹的受损较少。这说明大冰雹主要是通过砸断油菜的分枝造成灾害，茎上划痕和叶伤数相对较少。这可能是由于大冰雹的直径比较大，质量大，从高空落下接触到的油菜分枝较多，且作用强度大，造成的损害较严重。相比而言，5和10 mm冰雹对油菜的损害较小，断枝较少，尤其是5 mm冰雹几乎没有砸断分枝。而茎枝划痕较其他直径的冰雹是最多的，可见，小直径冰雹对油菜损害主要是划痕。10 mm直径大小的冰雹是比较常见的冰雹，对农作物的损伤也较大，砸断枝数、茎划痕和叶伤数的模拟数值均不低，均对油菜造成中等水平的伤害。这些轻级冰雹的质量较小，加上一般轻级冰雹对油菜伤害较小，因此只有在冰雹密度较大时，对油菜的作用面积大，会造成油菜茎上和角果有划痕和划伤。
表3 开花期油菜受灾情况统计 |
| 钢球直径/mm | 折断枝数/（个/hm2） | 茎枝划痕/ （处/hm2） | 叶伤数/ （处/hm2） |
|---|---|---|---|
| 30 | 27 | 25 | 22 |
| 25 | 18 | 12 | 30 |
| 10（300个） | 8 | 42 | 33 |
| 10（600个） | 25 | 167 | 158 |
| 10（900个） | 8 | 559 | 117 |
| 5（2 000个) | 0 | 1 101 | 17 |
| 5（4 000个） | 0 | 1 301 | 67 |
终花期油菜灾害损失统计如表4所示。大冰雹对油菜的伤害较大，特别是模拟30 mm的冰雹砸断油菜分枝33个/hm2，造成的茎划痕和角果划痕不多，砸落的角果数量较多，达到100个/hm2。25、30 mm的大冰雹对油菜的伤害较大，伤害程度大致相同，其中，模拟25 mm冰雹对油菜灾害损害中，茎划痕较少，这可能是因为在模拟降落冰雹的过程中，人为抛落冰雹的准度不够，使得模拟25 mm冰雹未全部有效砸落到试验田中。5 mm的小冰雹对油菜的伤害远远没有大冰雹的伤害大，无砸断分枝数，造成的角果脱落较少，茎划痕和角果划痕数较多。10 mm冰雹对油菜的伤害较为平均，无砸断分枝数，茎划痕、角果划痕和角果脱落较多，对油菜的伤害处于中等水平。可见，轻级冰雹对油菜造成的损害大小取决于冰雹密度的高低。
表4 终花期油菜灾害情况统计 |
| 钢球直径/mm | 折断枝数/（个/hm2） | 茎划痕/（处/hm2） | 角果划伤数/（处/hm2） | 角果脱落数/（个/hm2） |
|---|---|---|---|---|
| 30 | 33 | 142 | 117 | 100 |
| 25 | 17 | 50 | 183 | 108 |
| 10（600个） | 0 | 100 | 667 | 100 |
| 10（900个） | 0 | 158 | 917 | 133 |
| 5（2 000个） | 0 | 225 | 884 | 33 |
| 5（4 000个） | 0 | 434 | 1 001 | 8 |
上述结果表明，模拟大直径25和30 mm冰雹对油菜的伤害较为严重，划痕少，有砸断分枝；10 mm冰雹对油菜的伤害处于中等水平；5 mm冰雹对油菜的伤害较轻，划痕多，无砸断分枝。
2. 2 相同直径不同密度对油菜的损害
根据表3可知，在模拟的10 mm冰雹密度下，大约300个/hm2冰雹对油菜开花期损害较小，大约900个/hm2冰雹对油菜的损害较为严重。10 mm冰雹属于轻级，其在云层中停留的时间比大直径冰雹少，高度较低，所包含的能量较小，且对油菜的作用面积也较小，油菜田之间存在许多空隙，小冰雹落到空隙中的概率较大，从而对油菜造成损失较小。小冰雹密度越大对油菜造成的伤害越大，主要原因在于对油菜的作用面积大，使得受灾情况随密度的增大而变得更加严重。可以看出，处于开花期的油菜灾害损失情况与模拟冰雹的密度呈正比，冰雹密度越大，油菜的受损程度越高。在开花期模拟10 mm冰雹时，密度600个/hm2的样本砸断的分枝数比其他两个样本均更多，这个可能是由于冰雹在砸断了一个比较大的分枝后，后续的冰雹又继续砸，存在重复砸断的现象，造成了数据统计与实际分析状况存在差异。
由表4可以看出，在终花期模拟冰雹直径10 mm、密度600个/hm2条件下，在该块油菜田中随机抽取1株样品，发现样品中没有折断的分枝数。而模拟冰雹直径10 mm、密度900个/hm2所得的试验数据与密度600个/hm2存在一定的差异，无折断分枝，但比密度600个/hm2的模拟冰雹试验油菜损失较严重。可知，终花期油菜灾害受损与模拟冰雹的密度呈正比。其原因可能是冰雹对油菜的作用面积较大，造成的损害也就较大。
由表3可以看出，轻微级模拟5 mm冰雹对分枝伤害较小，对茎划痕和油菜叶伤害较大，尤其是茎划痕，而且同种级别的5 mm模拟冰雹对开花期油菜的伤害与冰雹密度呈正比。
总的来说，同一个级别的冰雹对油菜造成的灾害损失与冰雹的密度呈正比，冰雹密度越大，油菜遭受的灾害损失越大。
2. 3 不同直径冰雹对油菜地上部生物量的影响
生物量是指某一时刻单位面积内实存生活的有机物质（干重，包括生物体内所存食物的质量）总量。植物群落中各种群的植物量很难测定，特别是地下器官的挖掘和分离工作较为困难[17]。出于经济利用和科研目的的需要，对油菜地上部分生物量进行取样调查统计，以判断冰雹对该作物在不同生育期地上生物量的影响。
取1株油菜测量其地上生物量，计算得出其开花期的地上生物量，如表5所示。揭示了不同直径和密度的模拟冰雹对油菜开花期地上生物量的不同影响，为评估冰雹灾害对油菜生长和产量的潜在影响提供了有价值的参考信息。
表5 冰雹对开花期油菜地上生物量的影响 |
| 钢球直径/mm | 叶鲜重/（kg/hm2） | 叶干重/（kg/hm2） | 角果鲜重/（kg/hm2） | 角果干重/（kg/hm2） | 茎鲜重/（kg/hm2） | 茎干重/（kg/hm2） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 30 | 237.21 | 28.77 | 425.18 | 56.70 | 881.69 | 128.52 |
| 25 | 203.63 | 29.55 | 444.45 | 67.40 | 601.49 | 101.46 |
| 10（300个） | 330.92 | 76.04 | 631.19 | 105.81 | 852.93 | 198.48 |
| 10（600个） | 938.22 | 109.68 | 1 607.43 | 240.38 | 2 397.83 | 307.53 |
| 5（2 000个) | 482.87 | 61.91 | 850.31 | 115.44 | 1 259.88 | 197.10 |
| 5（4 000个） | 545.52 | 63.90 | 751.01 | 108.68 | 1 228.37 | 199.35 |
油菜终花期冰雹模拟试验所得灾害损失情况如表6所示。终花期的油菜角果逐渐开始成熟，抗灾能力较开花期强，其中，模拟30 mm冰雹对油菜的伤害最大，造成角果脱落鲜重达到1 234.37 kg/hm2，使得该作物大量减产；模拟25、10和5 mm的冰雹也对油菜造成了一定的灾害损失，但均无30 mm模拟冰雹造成的损失大。大直径冰雹落在处于终花期的油菜田中，会砸落大量的角果，此时角果刚刚开始进入营养生长期，大直径的冰雹所含能量较大，易使得角果受到打击而落下，影响油菜产量，并造成生物量的减少。可见，大直径冰雹对油菜造成的灾害损失较严重，且直径越大、包含能量越高，对油菜造成的损失越严重。模拟10 mm冰雹分别有600和900个/hm2两种密度，其对油菜的伤害主要是砸落角果，使得地上生物量减少，而密度越大，冰雹对其作用面积越大，造成的损伤会越多。可见，在模拟10 mm冰雹量级下，冰雹的密度越大，造成油菜的损失越多。模拟5 mm冰雹分别有2 000和4 000个/hm2两种密度，其中，2 000个/hm2冰雹密度造成油菜的地上生物量有较少的损失，4 000个/hm2冰雹密度未造成油菜的地上生物量减少，但造成了更多的角果划痕和茎划痕。原因可能是冰雹密度为2 000个/hm2时对油菜的有效作用较多，砸在角果上的模拟冰雹较多，而冰雹密度为4 000个/hm2时可能更多地砸到了油菜之间的空隙中，未对油菜造成有效伤害。且不能排除取样时对油菜生物量造成破坏的可能性。可见，大直径冰雹造成油菜地上生物量损失较大，直径越大造成的损失也越大。在相同直径的大冰雹中，其密度越大，造成油菜的地上生物量损失越大；而小直径的冰雹密度与油菜的地上生物量损失并非呈正相关，原因可能是小直径冰雹只是造成地上部生物产生许多划痕，而不会造成生物量的损失。
表6 终花期油菜地上生物量灾害损失统计 |
| 钢球直径/ mm | 落叶鲜重/ （kg/hm2） | 落叶干重/ （kg/hm2） | 落果鲜重/ （kg/hm2） | 落果干重/ （kg/hm2） | 落折断鲜重/ （kg/hm2） | 折断分枝干重/（kg/hm2） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 30 | 0 | 0 | 1 234.37 | 535.40 | 0 | 0 |
| 25 | 0 | 0 | 90.54 | 25.52 | 0 | 0 |
| 10（600个） | 0 | 0 | 70.41 | 21.39 | 0 | 0 |
| 10（900个） | 0 | 0 | 106.94 | 31.40 | 0 | 0 |
| 5（2 000个) | 0 | 0 | 13.38 | 3.75 | 0 | 0 |
| 5（4 000个） | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
在油菜田中随机取样1株油菜，计算地上各个生物量的质量。与模拟冰雹试验油菜损失的数量进行对比，得出实际受灾后油菜的地上生物量占标准取样油菜生物量的百分率，如表7所示。模拟30 mm的冰雹对油菜地上生物量造成的损失较为严重，其实际角果鲜重只有原来的48%，干重只占原来生物量的47%；而模拟25、10和5 mm冰雹对油菜地上生物量的损害较模拟30 mm冰雹轻微。原因可能是30 mm的冰雹体积大，能量大，使得植株的损伤更严重。可见，生物量损失与冰雹直径呈正比。需要注意的是，不能排除人工取样过程中对油菜造成的损伤，即该损伤也记录在冰雹对油菜的损伤数据中。在冰雹不同密度方面，生物量的损伤与冰雹特征不明显。
表7 终花期油菜实际地上生物量统计 |
| 钢球直径/mm | 实际叶鲜重 百分率/% | 实际叶干重 百分率/% | 实际角果鲜重 百分率/% | 实际角果干重 百分率/% | 实际茎鲜重 百分率/% | 实际茎干重 百分率/% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 30 | 100 | 100 | 48 | 47 | 100 | 100 |
| 25 | 100 | 100 | 96 | 97 | 100 | 100 |
| 10（600个） | 100 | 100 | 97 | 98 | 100 | 100 |
| 10（900个） | 100 | 100 | 95 | 97 | 100 | 100 |
| 5（2 000个) | 100 | 100 | 99 | 100 | 100 | 100 |
| 测产（4 000个） | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
综合看出，冰雹直径越大，所造成油菜地上生物量的损失越大，而小直径冰雹更多的是造成划痕与划伤，对生物量造成的损失不明显。
2.4 模拟冰雹的油菜冠层光谱分析
油菜受灾前后以模拟30 mm冰雹为例进行对比，其冠层光谱反射率曲线的整体变化趋势一致。这是因为在蓝紫光和红光区域受到叶绿素等色素强烈吸收，使得绿光区域形成相对较强的反射峰，从而在可见光区域反射特征表现为“两谷一峰”（蓝紫谷、红谷和绿峰）[17]。在开花期，冠层出现了金黄色的油菜花，其反射光谱如图1所示，在500～700 nm波段范围内反射率值达0.145。因此，在开花期观测油菜冠层光谱时，由于进入传感器黄光波段附近的能量迅速增加，在可见光波段尤其是在绿光波段至红光波段反射率值明显增大。在近红外区域因受叶片细胞内部结构的支配作用表现为较高的反射率；短波红外区域主要受植被水分含量的影响，形成了以1 400和1 900 nm为中波长的吸收峰[17-19]。在反射率的大小方面，模拟30 mm冰雹的反射率比正常进行对照的反射率要小，原因可能是模拟30 mm的冰雹对油菜的伤害较大，特别是对其地上生物量造成了很大的损失，使得反射率降低[20]。
模拟不同直径的冰雹对油菜光谱与标准油菜光谱进行对比，结果表明，受到模拟25 mm冰雹灾害的油菜光谱反射率最高，而标准的油菜光谱是处于模拟25和30 mm的冰雹灾害的油菜光谱的中间位置。因此，模拟25 mm冰雹对油菜地上生物量的破坏较少。实践中，三者之间对比的关系单凭本次试验数据并不能明确判断。油菜受灾前后的光谱大致趋势是一定的，但是具体到不同直径的模拟冰雹，由于数据较少，暂不能得出明确的结论。
3 结论
本文通过对油菜进行模拟冰雹试验，得到灾害损失数据，并分别对这些数据进行分析讨论，即不同直径的模拟冰雹对油菜的损害，同一直径不同密度模拟冰雹对油菜损害，模拟冰雹对油菜地上生物量的损害和模拟冰雹对油菜损害前后光谱的变化情况。得出以下结论。
（1）通过不同直径的冰雹模拟对应不同的高度对油菜进行试验。得出模拟30 mm冰雹造成油菜的损失最大，造成油菜分枝折断，而划痕和划伤较少。模拟5 mm冰雹造成油菜损失较模拟30 mm损失少，主要是造成大量的划痕和划伤。可见，冰雹的直径越大，对油菜伤害越大，造成的损失越严重。
（2）采用同一直径不同密度的冰雹模拟对油菜造成损失的试验，得出模拟10 mm（600个/hm2）和10 mm（900个/hm2）冰雹，模拟5 mm（2 000个/hm2）和5 mm（4 000个/hm2）冰雹对油菜造成的灾害损失不同的结论，同一直径密度越大，造成油菜灾害的损失越大。
（3）在油菜田中，随机取样1株油菜，计算其地上生物量，并估算油菜的实际地上生物量，通过与受灾前后的数据对比，发现模拟直径越大的冰雹，对油菜的地上生物量造成的损失越大，甚至影响油菜产量。
（4）用便携式光谱仪对模拟灾害前后的油菜进行光谱测量，分析得出受灾前后油菜的光谱大致趋向是一定的，不同的是大直径冰雹造成地上生物量的损失会影响到油菜光谱。模拟大级别的冰雹对油菜灾害，得出其反射率在近红光区域越小，但是对于小级别的冰雹试验数据不够充分，暂不能得到有效的结论。
本文模拟研究了冰雹对油菜的灾损影响，但部分冰雹的条件并没有完全达到，例如，冰雹在融化过程中会造成油菜局部冻害，冰雹的持续时间明确，暂未考虑天气条件对试验的影响。对于模拟冰雹对油菜的损害试验研究，后续将进一步满足更多条件，使得模拟试验的数据更具参考性，以更好地研究减少冰雹对油菜损害的方法。