2018年吉縣蘋果花期霜凍害成因分析及氣候特征研究

楊斌斌，李旸，孫悅，賀東東，代淑媚

1.山西省臨汾市氣象局，山西 臨汾 041000；2.山西省氣象服務中心，山西 太原 030000

0 引言

霜凍是一種常見的農業氣象災害，在山西其嚴重程度僅次于干旱.而極端強度的霜凍對農業帶來的影響會更大，導致農作物或經濟林大量減產.為了認識霜凍的發生演變規律多年來國內外無數的科研工作者已從不同角度作了大量研究：各地霜凍的氣候特征和變化存在明顯的區域性差異，霜凍日數在近10年有明顯減少的趨勢[1～6]；在年變化上，初霜凍日有顯著推遲，終霜凍日顯著提前的趨勢[7～10]；趙桂香，范衛東等[11]研究指出，初霜凍日推后、終霜凍日提前、無霜期延長，但不同區域其結果存在一定的差異，臨汾不在終霜凍日顯著提前的區域.吳海婷[12]等對臨汾市0 ℃界限溫度氣候特征研究表明，吉縣≥0 ℃初日常年在2月27日出現，年代變化有提前趨勢，說明吉縣終霜凍日提前，一旦發生晚霜凍，低溫持續時間長，很容易使果樹凍傷，造成毀滅性的災害[13].

2018年4月6日～7日，受強冷空氣影響，吉縣出現大風降溫天氣，6日白天出現大風，風力達6級～8級，極大瞬時風速達17.3 m/s，24 h最低氣溫下降了7.7 ℃，7日早晨最低氣溫降至-4.8 ℃，為近38年以來的第三最低值.這次大風降溫過程的出現范圍廣，強度大，持續時間長，為歷史罕見，使得正處于盛花期的吉縣紅富士蘋果遭受了嚴重的凍害，凍害使蘋果花柱頭、花粉管、子房不同程度壞死變黑，對果樹的產量及果實品質造成嚴重影響[14].據調查得知本次凍害有三成果園發生輕度花期凍害，四成果園發生中度花期凍害、三成果園發生重度花期凍害，受災面積11 866.7 公頃，經濟損失為15 512.5萬元.因此有必要對此次霜凍強度作細致的研究分析，探討其發生的氣候特征，對提高當地的霜凍預測和防御能力有著十分重要的意義.

1 2018年4月6日～7日花期霜凍害情況分析

1.1 冷空氣強度

對于霜凍強度的定義，很多文獻中表示為：地表溫度≤0 ℃，≤-2 ℃和≤-5 ℃分別為輕微、中度和重度終霜凍.

從2018年4月6日～7日吉縣逐小時地表最低氣溫時序圖(圖1)可以看出，4月6日～22日地表最低氣溫開始小于0 ℃，7日00時降到-2 ℃以下，至6時降到最低-4.8 ℃，所以6日夜間吉縣凍害以中到重度為主，持續7小時左右.受7日白天太陽輻射的影響，氣溫迅速回升，7日夜間地表溫度最低為-2.1 ℃，只持續兩小時，對果花的凍害影響不大.

圖1 吉縣2018年4月6日21時～7日10時地表最低溫度Fig.1 Minimum surface temperature in Jixian from 21：00 to 10：00 on April 6 in 2018

1.2 凍害原因

2018年3月吉縣月平均氣溫為9.6 ℃，較歷年同期平均5.1 ℃偏高4.5 ℃.吉縣3月上、中、下旬旬平均氣溫分別是6.2 ℃、9.4 ℃、13.0 ℃，分別比歷年同期偏高3.6 ℃、4.1 ℃、5.8 ℃.3月溫度異常偏高，致吉縣蘋果開花期顯著提前，較常年平均4月17日提前近10天.果樹開花期抗寒力弱，對低溫忍耐力差，劇烈的降溫和持續的低溫出現，果樹越容易受災[14～16].強冷空氣與盛花期疊加，是導致本次強凍害的主要原因.

2 吉縣蘋果花期霜凍害氣候特征

2.1 資料和方法

選取臨汾市吉縣1981年～2018年4月逐日地表0 cm最低溫度作為霜凍資料，在確保時間序列完整的前提下，對期間一些有疑義的數據進行逐一核實查證.本文采用線性傾向法，分析吉縣1981年～2018年4月霜凍日的演變情況；采用M-K法檢測霜凍強度在演變過程中可能出現的間斷點即突變點；用Morlet小波分析，分析1981年～2018年4月吉縣霜凍強度的周期性變化特征.

2.2 1981年～2018年吉縣蘋果花期霜凍年變化特征

1981年～2018年中吉縣4月共出現霜凍191天，月平均5.0天；其中有4年的4月未出現霜凍，分別為1989年、1998年、2014年和2016年；最多年份出現在1996年和2010年，分別為12天.由圖2可見，霜凍日數20世紀80年代為57天，90年代達50天，21世紀初十年為56天，各年代際變化不大，而2011年～2018年僅28天，霜凍日數呈明顯的下降趨勢，這與大趨勢的變化是一致的，其變化可用線性方程y=-0.054 6x+6.091表示，其氣候傾向率為-0.5 d/10 a，即吉縣4月份霜凍日以每10年減少半天速度減緩.

2.3 1981年～2018年吉縣花期霜凍M-K間斷點分析

圖3給出1981年～2018年吉縣4月最低霜凍值的突變檢驗.其中UF和UB為統計曲線，取±1.96為臨界曲線的M-K檢驗值，在整個研究時段發現UF、UB兩條曲線的雜點較多，沒有特別明顯的突變點，UF值始終在0線以下，說明1981至今吉縣的霜凍強度呈加強的趨勢，在2003年～2013年有明顯的下滑趨勢，并在2010年后的幾年內超過-1.96的臨界值，于2013年達到了降溫的極限值，說明該時段降溫極其顯著，超過0.05顯著性水平.而在2013年之后轉入逐漸回升的趨勢.統計數據可見，2013年4月0 cm最低氣溫為-6.2 ℃，2015年為-3.3 ℃，而2014年和2016年的4月卻未出現霜凍，說明了階段性回暖后仍有出現氣溫極低的可能.

2.4 1981年～2018年吉縣花期霜凍小波特征分析

小波分析在時域和頻域上同時具有良好的局部性，可以對信號進行多尺度分析并能聚焦到所研究對象的任意微小細節，可用小波實部和小波方差來表達.圖4小波實部可以看出，吉縣的霜凍強度震蕩周期波形清晰層次分明，存在多尺度的震蕩周期.在28年～29年附近時間尺度上，震蕩周期清晰可見，其中1981年～1984年，1997年～2005年，2015年～2018為正位相，表示該時段霜凍強度偏強；1986年～1996年和2006年～2014年為負位相，表示該時段霜凍偏弱.從圖中還可以看出，在整個研究時段還存在14年～15年的周期，呈現出弱-強-弱-強-弱-強-弱-強8個階段的明顯震蕩，此階段等值線稀疏，說明此階段霜凍強度變化相對平穩.在1981年～2006年間，還存在6年～7年的周期，期間1997年～2001年等值線相對密集，說明該時段霜凍起伏性大，忽高忽低的現象明顯；在2006年～2018年，在4年附近的時間尺度上也出現了小周期，閉合等值線稀疏，震蕩周期較弱.從吉縣霜凍的小波方差分布圖(圖5)可以看出，其小波方差有3個峰值，對應時間尺度分別為7 a、14 a、29 a，而在這些周期中29 a峰值最高能量最大，其次是14 a，因此29 a是吉縣霜凍強度變化的主周期，14 a是霜凍強度變化的次周期.

圖2 1981年～2018年吉縣4月霜凍出現次數演變趨勢Fig.2 ThetrendchangeoffrostfrequencyinAprilfrom1981to2018inJixian圖3 1981年～2018年吉縣花期霜凍M-K檢驗分析Fig.3 M-Ktestofthefrostinflorescenceinfrom1981to2018inJixian

圖4 1981年～2018年吉縣花期霜凍小波實部特征Fig.4 WaveletrealfeaturesoffrostinflorescenceininJixianfrom1981to2018圖5 1981年～2018年吉縣花期霜凍小波方差特征Fig.5 WaveletvariancefeaturesoffrostinflorescenceininJixianfrom1981to2018

3 小結

(1)該次冷空氣出現范圍廣，強度大，持續時間長，為近38年以來第三最低值，由于前期3月溫度異常偏高，使得吉縣紅富士蘋果花期提前近10天，盛花期遇強凍害，是造成果花受凍的主要原因.

(2)吉縣1981年～2018年霜凍日的氣候傾向率為-0.5 d/10 a，即吉縣霜凍日數呈現出每10年減少半天的趨勢；從霜凍強度來看，吉縣的霜凍強度呈加強的趨勢，2003年～2013年是明顯的加強時段，2013年之后開始減弱；從間斷點看出，1981年～2018年沒出現明顯的突變點，說明未來出現強霜凍的可能性仍是存在的.

(3)從變化周期來看，呈現出多層次的周期性結構，主周期29 a，次周期14 a.14 a這個周期上強度的震蕩相對平緩.

4 存在的問題

本研究過程中使用的霜凍資料來源于氣象觀測資料，而并非果樹種植處之數據，另外果花的凍害程度與地理位置(迎風坡、背風坡)、周圍環境(高大樹木、建筑阻擋)、以及地形(山坡、洼地)等都有密切關系，所以研究結果難免會出現偏差.要解決數據的代表性問題，就需要在果樹種植處安裝農田小氣候儀，以便研究出更加科學合理的數據，達到防災減災的目的.