CN108334718B - 冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法 - Google Patents

冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法，所述方法包括：获取水果不同生长时期的硬度值；基于冰雹冲击公式估算不同硬度的水果受到不同冰雹冲击力时，造成的形变值；基于冰雹冲击力与冰雹直径、冰雹与水果发生碰撞时的风速之间的关系，建立冰雹伤及水果的深度l、水果硬度P、冰雹直径D以及风速v风之间的风险矩阵。

Description

冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法
技术领域
本发明涉及一种冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法。
背景技术
在国内外大多数降雹对作物经济损失研究中，采用的手段主要是通过收集地面降雹资料，利用宏观统计的方法，定性地估算作物的经济损失。但是由于水果类作物(尤其是名优产品)作为商品的个体特性，其遭受雹灾后破损个体自身的商品价值几乎不复存在。为了尽可能定量化地计算水果类作物的雹灾损失程度，需结合水果自身的特性筛选出可操作性的评价指标。
不同种类水果各生长期的果肉硬度不同，因而其抗冲击能力不同。需要从力学角度分析水果类作物对冰雹损害的敏感性，从而得到雹损机理概念模型和评价指标，为农业保险理赔提供一种比较客观的依据。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种比较客观的分析冰雹对水果损坏的冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法。
本发明冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法，包括：
获取水果不同生长时期的硬度值；
基于冰雹冲击公式估算不同硬度的水果受到不同冰雹冲击力时，造成的形变值，具体冰雹冲击公式表达式为：
F＝Pgπ(Dl-l2)＝9.8Pπ(Dl-l2)
式中，P为水果硬度，g为重力加速度取9.8N/kg，D为冰雹直径和l为冰雹伤及水果的深度；
基于冰雹冲击力与冰雹直径、冰雹与水果发生碰撞时的风速之间的关系，建立冰雹伤及水果的深度l、水果硬度P、冰雹直径D以及风速v风之间的风险矩阵，其中，冰雹冲击力与冰雹直径、冰雹与水果发生碰撞时的风速之间的关系式为：
Figure GDA0003003819270000021
也即物体所受外力的冲量就是该物体的动量变化量，对于冰雹而言，
Figure GDA0003003819270000022
即为冰雹与水果发生碰撞时的末速度
Figure GDA0003003819270000023
m是雹块的质量，
Figure GDA0003003819270000024
是雹块对水果的冲力，t是雹块和水果的撞击时间。
进一步地，落地雹块质量，根据质量公式计算得到，m＝ρiV雹
其中：ρi为冰雹密度，单位是g/cm3，将此值按冰的密度计算为 0.9g/cm3；V雹为冰雹体积。
进一步地，雹块与水果碰撞时间的确定，当冰雹作用于水果上时能使其表面产生lcm的形变，以碰撞后冰雹速度为0，则碰撞过程中平均速度为
Figure GDA0003003819270000025
则碰撞时间：
Figure GDA0003003819270000026
其中v为发生撞击时冰雹的速度，单位是m/s。
进一步地，冰雹末速度为雹块下落末速度等于冰雹理论下落末速度与水平风速的矢量和，具体表达式如下：
Figure GDA0003003819270000027
式中，
Figure GDA0003003819270000028
为冰雹在下落垂直方向的速度；
Figure GDA0003003819270000029
为当前风速；
Figure GDA00030038192700000210
为冰雹下落末速度
冰雹下落末速度
Figure GDA0003003819270000031
进一步地，所述水果硬度通过水果硬度计量计测量得到，水果硬度测量计的测量原理为：依据压强公式：P＝N/S，
式中，P表示被测水果硬度值，单位为105Pa或kg/cm2；
N表示测力弹簧压在果实面上的力，单位为N；
S表示果实的受力面积，单位为m2或cm2；
借由上述方案，本发明冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法至少具有以下优点：
本发明了解和估算冰雹和承灾体直接撞击过程中力的转换关系。通过对果品被冰雹撞击后物理特性的研究，分析果品在雹损过程中的受力关系，亦即水果对冰雹撞击的敏感性参数，揭示水果雹损的机理，从而为水果降雹经济损失研究提供一种比较客观的分析方法。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法中的水果包括核果类水果、仁果类水果，这些水果与下文中列举的桃子的不同之处仅仅在于硬度值，其他部分的计算类同，本技术领域人员可以通过简单的变化推导得到。核果类水果：例如桃、李子、杏、梅子等；仁果类水果：例如苹果、梨、枇杷等。
本发明冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法一较佳实施例，包括：
获取水果不同生长时期的硬度值。
基于冰雹冲击公式估算不同硬度的水果受到不同冰雹冲击力时，造成的形变值，具体冰雹冲击公式表达式为：
F＝Pgπ(Dl-l2)＝9.8Pπ(Dl-l2)(N)
式中，P为水果硬度，g为重力加速度取9.8N/kg，D为冰雹直径和l为冰雹伤及水果的深度。
基于冰雹冲击力与冰雹直径、冰雹与水果发生碰撞时的风速之间的关系，建立冰雹伤及水果的深度l、水果硬度P、冰雹直径D以及风速v风之间的风险矩阵，具体冰雹冲击公式表达式对任何形状的冰雹都适用。对于椭圆形、圆锥形、扁球形等其他形状的冰雹，可用等效直径来计算应用。其中，冰雹冲击力与冰雹直径、冰雹与水果发生碰撞时的风速之间的关系式为：
Figure GDA0003003819270000041
也即物体所受外力的冲量就是该物体的动量变化量，对于冰雹而言，
Figure GDA0003003819270000042
即为冰雹与水果发生碰撞时的末速度
Figure GDA0003003819270000043
m是雹块的质量，
Figure GDA0003003819270000044
是雹块对水果的冲力，t是雹块和水果的撞击时间。
本实施例中，果实硬度是指某水果单位面积(S)承受测力弹簧的压力(N)，他们的比值(压强)定义为果实硬度(P)。水果硬度计(果实硬度计,硬度计、水果硬度计)，是用以专门测量多种水果硬度的仪器。其原理是依据压强公式：P＝N/S
P-被测水果硬度值，105Pa或kg/cm2
N-测力弹簧压在果实面上的力，N
S-果实的受力面积，m2或cm2
由于果实的生长发育变化，处于不同生长期的果实其果肉硬度是不相同的：成熟期的果实细胞含水量大，果实发虚***，因此果肉硬度小，而生长期的果实细胞排列紧密，含水量小，其果肉硬度则大。
在《人工防雹实用技术》(王雨增)一书中给出了几种常见类型的冰雹——圆球形、扁球形、圆锥形等形状冰雹下落末速度的近似公式：
a.光滑圆球形的冰雹
把球形冰雹按其直径分段给出，其末速度分别为：
Ⅰ段：在0.5cm≤D≤5.0cm时，
Figure GDA0003003819270000051
Ⅱ段：在5.0cm≤D≤7.5cm时，
Figure GDA0003003819270000052
上式中ρi、ρ、g、D单位采用厘米、克、秒制，其中ρi和ρ分别为冰雹和空气密度，g为重力加速度，D为冰雹直径。
冰雹密度ρi取0.9g/cm3，空气密度ρ取1.293×10-3g/cm3，重力加速度g取980cm/s2，则当D≤5.0cm时：
Figure GDA0003003819270000053
当直径在5.0～7.5cm时：
Figure GDA0003003819270000054
根据上述末速度近似公式算得的V-D曲线，除D＝2.0cm附近的相对误差较大外(约为6.4％)，其余一般都在±3％以下。
实际上当D≥5cm时，对林果业来说已到了毁灭性损失程度，在此不再进行具体分析。
b.扁球形冰雹
在稍大一些冰雹中都不同程度地呈扁形。曾有人统计，在各类冰雹中，扁球形约占总数的41％，圆形和扁球(或椭球)的阻力系数(在数值上)视轴比不同，可能相差一半以上，随雷诺数变化规律也很不一样，所以对扁球或椭球形冰雹末速度不能简单地按圆球形来考虑。
设扁球形冰雹的短轴b与长轴a之比为β，它与同体积圆球形冰雹的直径De(即相当直径)之间的关系为
Figure GDA0003003819270000061
则扁球冰雹末速度的近似公式：
Figure GDA0003003819270000062
上式中：g＝980cm/s2，ρi＝0.9g/cm3，μ＝1.71×10-4g/s2cm。β∈ (0.5，0.7)，当β等于0.5和0.7计算扁球冰雹末速度与实验测出的速度之间误差一般不超过3％。
c.椭球形冰雹
设椭球形冰雹的长轴和短轴分别为a和b，则下落末速度为：
Figure GDA0003003819270000063
d.圆锥形冰雹
设圆锥底直径为
Figure GDA0003003819270000064
锥高为h，根据苏联高山地球物理所奥乐上尼基的模拟实验，可以得到圆锥形冰雹下落末速度的半经验公式：
Figure GDA0003003819270000065
上式中
Figure GDA0003003819270000066
是锥底直径，n是圆锥高度与底面直径之比。
冰雹冲击公式的具体推导过程如下：由于水果硬度是压强的定义，因此导致水果破损的条件是使水果受大于硬度极限的冲力。
根据压强定义：
Figure GDA0003003819270000071
可得F＝PS
其中：F为冰雹对水果的冲力，S为接触面积，P为压强(水果硬度)。
将雹块与水果的接触面视为准圆形，当水果产生l cm的形变时，接触面积表达式为：
S＝π[R2-(R-l)2]＝π(Dl-l2)(cm2)
将接触面积表达式代入冰雹对水果的冲力表达式，则冰雹对水果的冲力表达式为：
F＝Pgπ(Dl-l2)＝9.8Pπ(Dl-l2)
P采用硬度单位kg/cm2，g为重力加速度取9.8N/kg，D和l单位为 cm。
进一步地，落地冰雹的冲力与水果硬度的关系
根据物理学冲量的定义——力的时间累积效应的量度，是矢量。如果物体所受的力是大小和方向都不变的恒力F，冲量I就是F和作用时间t的乘积。冲量通常用来求短暂过程(如撞击)中物体间的作用力，即由物体的动量增量和作用的时间而估算其作用力，此力又称冲力。
落地冰雹的动量：由
Figure GDA0003003819270000072
可得
Figure GDA0003003819270000073
即: 物体所受外力的冲量就是该物体的动量变化量。
对于冰雹而言，
Figure GDA0003003819270000074
即为冰雹与水果发生碰撞时的末速度
Figure GDA0003003819270000075
m 是雹块的质量，
Figure GDA0003003819270000076
是雹块对苹果的冲力，t是雹块和水果的撞击时间。
a.落地雹块质量
根据质量公式，m＝ρiV雹
其中：ρi为冰雹密度，单位是g/cm3，将此值按冰的密度计算为 0.9g/cm3。V雹为冰雹体积，以圆球形冰雹为例
Figure GDA0003003819270000081
(R、 D分别为冰雹半径和直径，单位cm)。
将冰雹体积表达式V雹代入落地雹块表达式，则圆球形雹块的质量为：
m＝0.15πD3×10-3(kg)
b.雹块与水果碰撞时间
如果冰雹作用于水果上时能使其表面产生lcm的形变，假定碰撞后冰雹速度为0，则碰撞过程中平均速度为
Figure GDA0003003819270000082
则碰撞时间：
Figure GDA0003003819270000083
其中v为发生撞击时冰雹的速度，单位是m/s。
c.冰雹末速度
冰雹是强对流天气的产物，常与大风、暴雨同时出现。当伴有大风天气时，冰雹除垂直运动外，还将在大风的推动下出现水平运动。当风雹天气时下落末速度除冰雹本身的速度外，还要考虑水平风速。
因此其末速度
Figure GDA0003003819270000084
为：
Figure GDA0003003819270000085
即：雹块下落末速度等于冰雹理论下落末速度与水平风速的矢量和。
(2)冰雹下落末速度
而冰雹出现时往往伴有大风存在，所以
Figure GDA0003003819270000091
冰雹与水果致损的评估指标：
以圆球形冰雹为例(当冰雹直径小于2cm时，可以近似视为圆形) 由
Figure GDA0003003819270000092
及前面推导可得：
Figure GDA0003003819270000093
即
Figure GDA0003003819270000094
当冰雹直径：0.5cm≤D≤5.0cm时，得下式：
Figure GDA0003003819270000095
即：
Figure GDA0003003819270000096
这样，当冰雹在水果上的压强大于水果硬度时，水果就会出现破损。因此，决定水果是否出现破损的因子——评估指标为降雹时水平风速、雹块直径和外果皮的厚度。
从冰雹在水果上的压强表达式可以得到l与P、D和v风的关系式：
Figure GDA0003003819270000097
由于l为冰雹伤及水果的深度，对于冰雹直径D来说是个小量，为便于计算l，将l与P、D和v风的关系式简化为如下表达式：
Figure GDA0003003819270000098
即：
Figure GDA0003003819270000101
上述这些公式中的具体数值除了重力加速度9.8之外，其他的一些数值，是把上述的圆形冰雹的末速度的值带进动量公式后的结果，对所有水果都适用。
以大桃为例，桃品种主要有白桃、黄桃、油桃、蟠桃四大类。从这四类桃品种生物特性说明中选取了有硬度指标(成熟指标)的6个品种作为代表，见表1。
表1.不同桃品种成熟期硬度指标
Figure GDA0003003819270000102
从上表可见不同桃品质其硬度差异较大，在不同时期差异也很大，如蟠桃中的瑞蟠四号在成熟期硬度只有4.4kg/cm2,黄桃中的弗雷德里克硬度最大达到15.63kg/cm2。
由于不同时间段不同桃品的硬度不同，当水果的硬度和果皮厚度已知时，在一定水平风速条件下，将冰雹致损的直径称之为临界破损直径。
具体地，以大桃冰雹损失评估方法为例，假定冰雹伤及桃子外果皮时的破损厚度为1mm，冰雹直径、风速与压强的换算关系见表2 (数值为压强)。
表2.直径0.5～1.5cm雹块在不同风速条件下的压强
Figure GDA0003003819270000111
因此，由冰雹直径和降雹时所伴有的风速及致损能力构成了一个风险矩阵，并可得以下结论：
a.静风时冰雹直径在0.9cm时可以产生14.14kg/cm2的压强，对于成熟期在7月上旬至国庆节前后成熟的桃品中硬度小于该值的都有存在。
b.10mm以上的冰雹即使在静风情况下也具有很强的致灾能力。
c.冰雹的致损能力随冰雹直径增加和风力加大快速增长，7级及其以上风力时，即使有很小的冰雹就可以使水果受损，此时主要是风灾影响。
由于某一种水果的硬度是该种水果在一特定生长期的一个生物属性，因而发生降雹天气时可以根据多数冰雹的直径以及降雹时伴有的大风情况这两项气象要素指标对灾情进行评估。
具体地，损失评估方法：
a.对于硬度值大于等于6.0kg/cm2的水果，冰雹产生的压力小于该值区域为基本无灾(特殊品种单独考虑)，即：当风力小于等于3级风直径小于等于0.6cm，时水果基本无灾。(以桃为例，当桃进入采摘期时，其硬度值在生长期中属硬度最小的时期，按《DB11/T601-2008 北京水果等级鲜桃》这一地方标准——特级和一级鲜桃硬度要求大于等于6.0为阈值；以苹果为例，按《DB11/T599-2008北京水果等级鲜苹果》这一地方标准，苹果硬度值要求大于等于6.5为阈值。)
b.生长期最硬阶段是在幼果期，以16kg/cm2硬度计算(参照苹果幼果)，当风力在3级以下时使相应的果品致损的冰雹临界破损直径 D0是0.9cm，3-4级风时是0.8cm，5-6级风时是0.7cm，7级及其以上风力时，即使有很小的冰雹就可以使水果受损，此时主要是风灾影响。大于此阈值的风雹天气一旦在水果种植区出现就会导致严重的灾害。
c.根据表1的生物特性，艳丰1号在成熟期硬度值为9.33kg/cm2，其它品种硬度一般在10kg/cm2以上。因此，对于P值在6.01-9.00kg/cm2的风雹所造成的灾害为一般为轻灾，有轻微雹痕，但不足以砸破。
具体地，损失程度：根据l与P、D和v风的关系式，得到如下结论：
当P＝6.0kg/cm2时，水果受到的损失程度l(cm)见表3(静风临界破损直径D0为0.7cm)。
由此可见当冰雹直径达到2D0时，致损能力超出了临界状态时的2 倍。如果冰雹直径达到5cm，即使是无风状态下也足以砸烂水果。
当P＝9.0kg/cm2时，水果受到的损失程度l(cm)见表4(静风临界破损直径D0为0.8cm)。
当硬度值达到9.0kg/cm2时，与硬度值6.0kg/cm2是对情景相比，致损程度差异是1/10mm量级，但是当冰雹直径达到或超过2D0时，致损能力超出了临界状态时的2倍。
当P＝12.0kg/cm2时，水果受到的损失程度l(cm)见表3。
表3.P＝6.0kg/cm2时，水果受到的损失程度l(cm)
Figure GDA0003003819270000131
Figure GDA0003003819270000141
表4.P＝9.0kg/cm2时，水果受到的损失程度l(cm)
Figure GDA0003003819270000142
Figure GDA0003003819270000151
表5.P＝12.0kg/cm2时，水果受到的损失程度l(cm)
Figure GDA0003003819270000152
当P＝16.0kg/cm2时，水果受到的损失程度l(cm)见表6。
表6.P＝16.0kg/cm2时，水果受到的损失程度l(cm)
Figure GDA0003003819270000153
Figure GDA0003003819270000161
由此可见：对于直径在2倍临界值及其以上的冰雹,即使很硬的水果都要受到严重损害。
以直径1.0cm冰雹为例，当硬度分别为6.0、9.0、12.0和16.0kg/cm2时，水果的破损深度依次为0.17cm、0.14cm、0.12cm、0.10cm，有 0.2-0.3mm的差异，所以对于生长期和硬品质水果在损失评价时硬度值可以设定为12-16kg/cm2来进行评价；对于成熟期或相对软水果硬度值可以设定6-9kg/cm2来进行评价；对于成熟期的特软品质水果 (3-4kg/cm2)，只要有冰雹出现就会出现损失。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法，其特征在于，包括：
获取水果不同生长时期的硬度值；
基于冰雹冲击公式估算不同硬度的水果受到不同冰雹冲击力时，造成的形变值，具体冰雹冲击公式表达式为：
F＝Pgπ(Dl-l2)＝9.8Pπ(Dl-l2)
式中，P为水果硬度，g为重力加速度取9.8N/kg，D为冰雹直径和l为冰雹伤及水果的深度；
基于冰雹冲击力与冰雹直径、冰雹与水果发生碰撞时的风速之间的关系，建立冰雹伤及水果的深度l、水果硬度P、冰雹直径D以及风速v风之间的风险矩阵，其中，冰雹冲击力与冰雹直径、冰雹与水果发生碰撞时的风速之间的关系式为：
Figure FDA0003003819260000011
也即物体所受外力的冲量就是该物体的动量变化量，对于冰雹而言，
Figure FDA0003003819260000012
即为冰雹与水果发生碰撞时的末速度
Figure FDA0003003819260000013
m是雹块的质量，
Figure FDA0003003819260000014
是雹块对水果的冲力，t是雹块和水果的撞击时间。
2.根据权利要求1所述的冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法，其特征在于，落地雹块质量，根据质量公式计算得到，m＝ρiV雹
其中：ρi为冰雹密度，单位是g/cm3，将此值按冰的密度计算为0.9g/cm3；V雹为冰雹体积。
3.根据权利要求1所述的冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法，其特征在于，雹块与水果碰撞时间的确定，当冰雹作用于水果上时能使其表面产生lcm的形变，以碰撞后冰雹速度为0，则碰撞过程中平均速度为
Figure FDA0003003819260000021
则碰撞时间：
Figure FDA0003003819260000022
其中v为发生撞击时冰雹的速度，单位是m/s。
4.根据权利要求1所述的冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法，其特征在于，冰雹末速度为雹块下落末速度等于冰雹理论下落末速度与水平风速的矢量和，具体表达式如下：
Figure FDA0003003819260000023
式中，
Figure FDA0003003819260000024
为冰雹在下落垂直方向的速度；
Figure FDA0003003819260000025
为当前风速；
Figure FDA0003003819260000026
为冰雹下落末速度
冰雹下落末速度
Figure FDA0003003819260000027
5.根据权利要求1所述的冰雹灾害对水果损伤程度的估算方法，其特征在于，所述水果硬度通过水果硬度计量计测量得到，水果硬度测量计的测量原理为：依据压强公式：P＝N/S，
式中，P表示被测水果硬度值，单位为105Pa或kg/cm2；
N表示测力弹簧压在果实面上的力，单位为N；
S表示果实的受力面积，单位为m2或cm2。
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