黃土高原丘陵溝壑區春季山頂果園最低氣溫推算

劉志超，王 勇，曹 杰，賀芬芬，楊愛琴，林隆超

(1.延安市氣象局，陜西延安 716000；2. 陜西省秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，西安 710016；3. 渭南市氣象局，陜西渭南 714000)

黃土高原丘陵溝壑區，由于土層深厚，海拔高度800～1 100 m，光照充足，晝夜溫差大，有利果實積累糖分，是“世界蘋果最佳優生區之一”。截止2020年底，延安蘋果種植面積27萬hm2，產量370萬t，延安北部丘陵溝壑區蘋果面積達到16萬hm2，蘋果產業是當地農民脫貧奔小康的支柱性產業。隨著全球氣候變化的影響，花期凍害給該區域蘋果生產帶來極大的損失，不利因素也呈上升趨勢。據氣象部門統計，2010—2020年期間延安共有7 a出現了蘋果花期凍害天氣過程，其中凍害嚴重年份為2010、2013、2018、2020年，花期凍害嚴重影響了該區域的果業生產和發展。近幾年，氣象部門在蘋果花期凍害氣象服務中得到當地政府的一致好評，但在監測評估方面也暴露出了一些問題。由于考慮生活、設備維護等因素，氣象站普遍建在靠近縣城、鄉鎮的河谷川道上，觀測的日最低氣溫只能代表川道溝谷；而山地地形支離破碎，局地小氣候明顯，蘋果大多種植在半山坡以上，山頂日最低氣溫與溝谷日最低氣溫有明顯差異[1-4]。如何推算山頂果園最低氣溫是當前迫切需要解決的問題。本文通過對2020年4月24日花期凍害影響過程的日最低氣溫進行推算模擬，尋找較合適的推算方法，為今后氣象服務和防災減災提供技術支撐。

1 研究區域概況、數據來源與方法

1.1 研究區域概況

以延安地區為研究區域，地理坐標為：35°21′～37°31′N， 107°41′～110°31′E。延安處于黃土高原丘陵溝壑區，溝壑縱橫、山峁相間，除洛川種植在黃土塬上外，其他各縣區大多種植在半山坡或山頂上。由于氣象站普遍建在靠近縣城、鄉鎮的河谷川道上，形成了山頂氣溫與溝谷氣溫的明顯差異。選取具有代表性的159個氣象站(包括國家級氣象站、鄉鎮氣象站和果園氣象站，見圖1)氣溫資料推算模擬山頂果園氣溫分布，通過推算模擬果園日最低氣溫，以提高延安市的花期凍害評估準確性。

圖1 延安市果園氣象站分布圖

1.2 數據來源

所用數據主要包括2020年4月24日全市159個氣象站經度、緯度、海拔高度、日最低氣溫數據。鄉鎮氣象站和果園氣象站數據通過延安市自動站統一應用平臺獲取，國家級氣象站數據通過陜西省氣象數據共享網獲得。

1.3 研究方法

利用DPS(data processing system)數據處理系統[5]進行多元線性回歸和投影尋蹤回歸計算，同時采用樣條插值方法對氣溫進行插值[6-7]。

1.3.1 多元線性回歸 建立日最低氣溫與地理因子(經度、緯度、海拔高度)之間的關系模型[8-13]，擬合出全市山頂最低氣溫。

1.3.2 投影尋蹤回歸 投影尋蹤回歸是根據原始數據建立的非參數回歸方程，在降水預測、氣象災害評估等方面得到應用[14-15]。通過一維空間數據結構特征分析高維數據空間特征，建立非參數回歸模型。在地理因子中，權重系數重要性為海拔高度>緯度>經度。

2 花期凍害的差異性分析

按照蘋果凍害指標[16]，分別以蘋果花期寒潮降溫天氣過程的最低氣溫(TD)，TD≤-5 ℃、-3 ℃≥TD>-5 ℃、0 ℃≥TD>-3 ℃，將陜西蘋果花期凍害劃分為重度、中度、輕度3個等級。對延安159個氣象監測站2020年4月24日的最低氣溫(圖2)，進行花期凍害分析，其中74站達到重度凍害，30站達到中度凍害，24站達到輕度凍害，31站未發生凍害。尤其志丹、吳起、富縣、安塞、子長、延長、甘泉、黃龍等縣(區、市)的氣溫大多在-5 ℃以下，持續時間較長，上述縣區基本達到重度凍害。據延安市農業農村局凍害報告和實地調查，全市出現凍害較重的縣為吳起、志丹，分別有約0.13萬hm2受凍，但凍害區域主要集中在地勢低洼處，安塞、甘泉、寶塔等縣區地勢較低的果園出現凍害，洛川、黃陵、富縣等南部塬區凍害呈點狀分布，子長、延川、延長、宜川等縣市基本無凍害。因此，實際凍害與氣象評估凍害存在著差異性。從2020年4月24日最低氣溫空間分布看(圖3)，子長市果園站(109.554 4°E、37.266 9°N、海拔高度1 365 m)最低氣溫為2.0 ℃，按照蘋果凍害指標，則為無凍害。志丹縣張渠村(108.824 4°E、37.039 7°N、海拔高度1 298 m)實測最低氣溫為-0.5 ℃，也不會出現凍害。山頂果園氣象站監測氣溫明顯高于川道溝谷氣象站監測氣溫，因此，利用延安現有氣象站觀測的最低氣溫數據來評價蘋果花期凍害等級存在著嚴重的誤差。

圖2 延安市159個果園氣象監測站2020-04-24最低氣溫散點圖

圖3 延安市2020-04-24果園最低氣溫空間分布圖

3 結果分析

3.1 多元線性回歸

利用2020年4月24日159個氣象站的日最低氣溫與對應站點的經度、緯度、海拔高度建立多元線性回歸方程，X4=-443.570+3.610X1+1.130X2+0.006X3，式中X4為日最低氣溫，X1為經度，X2為緯度，X3海拔高度。復相關系數R=0.68，決定系數R2=0.46，調整相關系數r=0.64，方程通過顯著性檢驗。4月24日日最低溫度與經度、緯度、海拔高度的相關系數分別為0.549 6、0.397 6、0.069 2，溫度主要受經緯度影響，與海拔高度的關系較小。擬合相對誤差為88.1%，均方誤差=3.9 ℃，平均絕對誤差為1.5 ℃，最大誤差為4.4 ℃。從多元線性回歸插值與山頂果園氣象站實測值對比分析圖(見圖4)可看出，擬合誤差偏大的站主要為富縣羊泉、北道德，洛川縣堡子頭、楊舒，延安氣象站。誤差較大的站點一是受局地小地形影響，如受河谷影響的延安、洛川縣堡子頭等，誤差達到4 ℃；二是對西北和黃河沿岸的站點擬合的誤差也大，如吳起縣長官廟誤差為4.3 ℃，延川縣梁家河誤差為2.5 ℃。因此，多元線性回歸對氣溫相對高值與低值擬合效果較差，氣溫為中間數值效果較好。

圖4 2020-04-24多元線性回歸插值與山頂果園氣象站實測值對比

對多元線性回歸方程模擬的日最低氣溫數據進行樣條插值得到圖5，可以看出吳起縣氣溫普遍在-0 ℃以下，局部氣溫在-4 ℃以下，花期凍害以中度凍害為主，局部為重度凍害。志丹縣氣溫在-2～0 ℃之間，以輕度凍害為主，安塞區、寶塔區氣溫在-1～2 ℃之間，局部輕度凍害。

圖5 利用多元線性回歸方法插值的延安市2020-04-24果園最低氣氣溫分布圖

3.2 投影尋蹤回歸

對2020年4月24日日最低氣溫與所在地經度、緯度、海拔高度進行投影尋蹤回歸分析。模擬結果的決定系數達到0.82，擬合樣本相對誤差45.8%，均方誤差1.5 ℃，殘差標準差1.2 ℃，平均絕對誤差為1.3 ℃，最大誤差為3.1 ℃，誤差明顯小于多元線性回歸方程。從投影尋蹤插值與山頂果園氣象站實測值對比分析圖(見圖6)可看出，擬合誤差偏大的站點主要是富縣羊泉，洛川縣堡子頭、楊舒、槐陽和洛川氣象站。對延安北部的擬合結果較為理想。如吳起縣長官廟實測最低氣溫為0.5 ℃，擬合結果為0.48 ℃；志丹縣張渠觀測最低氣溫為-0.5 ℃，擬合結果為-0.48 ℃；子長市果園觀測最低氣溫為2.4 ℃，擬合結果為1.9 ℃；延安氣象觀測站最低氣溫為-3.9 ℃，擬合結果為-3.2 ℃。擬合效果最差的是延川縣梁家河，實測最低氣溫為3.8 ℃，擬合結果為0.7 ℃。從擬合結果對比來看，在吳起縣、志丹縣、安塞區、寶塔區、甘泉縣、子長市北部等地區效果好，在延川縣和子長市南部效果較差。投影尋蹤對低值氣溫擬合結果好，但對氣溫相對較高的數值擬合效果差。

圖6 延安市2020-04-24投影尋蹤插值與山頂果園氣象站實測值對比

對投影尋蹤回歸模擬的日最低氣溫數據進行樣條插值得到圖7，在子長市、安塞區、寶塔區形成一個最低氣溫在0～-2 ℃的相對偏低區域，北部其他地區最低氣溫在0 ℃以上。

圖7 利用投影尋蹤回歸插值的延安市2020-04-24果園日最低氣溫分布圖

4 結論與討論

利用2020年4月24日延安159個氣象站溫度數據，通過多元線性回歸分析和投影尋蹤回歸方法，對處于丘陵溝壑區的延安北部山頂果園最低氣溫進行推算，兩種方法均較好地推算出山頂果園氣溫，總體上與實際災害評估分布是一致的。對比擬合方程的決定系數、擬合樣本相對誤差、均方誤差、殘差標準差等數據可得出，投影尋蹤回歸明顯優于線性回歸；因此投影尋蹤回歸方法的擬合效果最好，顯著降低了蘋果花期凍害等級，最低氣溫符合實際凍害災情。

本研究僅對2020年4月24日一次過程的資料進行研究，存在一定的局限性，今后應對歷史上的花期凍害過程進行詳細分析對比，加強開展神經網絡、隨機森林、支持向量機等深度學習方法的研究應用，建立完善的延安花期凍害評估方法，為今后氣象服務和防災減災提供技術支撐。