遼寧西北部霜凍特征變化及致災風險強度研究

王 一，王 丁

（1遼寧省氣象裝備保障中心，沈陽 110116；2河北省東光縣氣象局，河北東光 061600）

0 引言

霜凍是正常自然天氣現(xiàn)象，是作物、植物生長期的界限指標，當春季霜凍結(jié)束過晚、秋季霜凍來臨過早時，就成為極端天氣事件，就會對生態(tài)系統(tǒng)、人民生活造成不利影響。在一定程度上，霜凍出現(xiàn)的時間關系著氣象災害的致災風險，威脅糧食安全和人類福祉[1-3]。IPCC第六次評估報告指出，自1850年以來，全球平均地表溫度上升了1.1℃，未來20 a升溫將達到或超過1.5℃[4]。隨著全球變暖，未來極端天氣事件的頻率和強度在加劇[5-6]，而霜凍對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響更突出。霜凍是與農(nóng)業(yè)相關的最嚴重的極端事件之一，致災風險正在增加[7]。PAPAGIANNAKI[8]研究北美和歐洲與氣候相關的災害時，認為春霜凍對作物和果樹開花的損害所造成的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失相對較大。2021年4 月，春霜凍席卷歐洲[5]，其中法國遭遇40 a 來最嚴重的春霜凍，造成杏的產(chǎn)量比前一年下降43.0%，葡萄酒產(chǎn)業(yè)損失過半，農(nóng)業(yè)大幅減產(chǎn)。2021年日本山形縣櫻桃產(chǎn)區(qū)受嚴重霜凍影響，新鮮櫻桃減產(chǎn)1.3萬t[9]。春季農(nóng)作物苗期、果樹解除休眠后進入開花期，晚秋作物灌漿乳熟期抗寒能力弱，若遇到寒潮或霜凍天氣，容易受到低溫傷害，影響其正常生長發(fā)育[10-11]。寧夏2020年4 月下旬，遭遇了60 a 來大范圍的霜凍影響，梨、蘋果等普遍受到中度至重度的霜凍害，葡萄葉片受凍致死率達100%，總受災面積達5.1萬hm2，經(jīng)濟損失約4.3億元[12]。值得關注的是，隨著氣溫升高霜凍日數(shù)減少，無霜期延長，但霜凍害災情并未因此而減輕[13-15]。針對這種現(xiàn)象，一是氣候變暖背景下氣候異常變率加大，二是調(diào)整農(nóng)業(yè)措施應對氣候變暖的策略不科學或不正確，以及對霜凍變化和致災風險認識不足。霜凍是區(qū)域性很強的氣象災害，因此，本研究以遼寧西北部的朝陽、阜新地區(qū)為研究對象，更新到2020年最新數(shù)據(jù)，從氣象角度，對1951—2020 年終霜凍、初霜凍趨勢變化特征分析以及對霜凍致災風險進行評估，更新和豐富已有的認識。為更好地適應氣候變化，預防霜凍災害，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)調(diào)整提供參考。

1 資料與方法

1.1 地理概況

遼寧省西北部包括阜新和朝陽地區(qū)。該地區(qū)西、北與河北省承德市、內(nèi)蒙古赤峰市為鄰。該地區(qū)以玉米栽培為主，谷子、綠豆、蕎麥等優(yōu)質(zhì)雜糧負有盛名，盛產(chǎn)大棗，葡萄、蘋果、安國梨等，酒葡萄是當?shù)氐男屡d農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。境內(nèi)屬于低山丘陵地帶，溝壑縱橫，繞陽河、柳河、秀水河、大凌河、小凌河、六股河、老哈河、牤牛河等多條流域。遼寧西北部屬北溫帶亞干旱氣候區(qū)[16]，四季分明，光照充足，雨熱同季，氣象災害頻繁。

1.2 資料來源

觀測事實分析所用的數(shù)據(jù)資料來自遼寧省氣象信息服務中心。研究中涉及11個氣象觀測站，在基礎上均一化訂正后得到1951—2020 年逐日氣溫數(shù)據(jù)集。大田作物播種出苗、果樹萌芽開花和作物成熟收獲期等物候資料來自地方農(nóng)業(yè)管理部門和農(nóng)業(yè)科研機構(gòu)。計算分析過程在Excel程序支持下進行。

1.3 資料處理與方法

1.3.1 霜凍指標的確定 霜凍指標有很多種，例如，朱永寧等[17]用日最低氣溫＜0℃、郭曉雷等[18]用日最低氣溫≤-1℃、張旭暉等[19]用日最低氣溫≤2℃，馬尚謙等[20]用地表0 cm 日最低溫度≤0℃作為霜凍指標。本研究根據(jù)中國氣象局2007年6月12日第16號令《氣象災害預警信號發(fā)布與傳播辦法》[21]的規(guī)定，地面最低溫度＜0℃對農(nóng)作物、蔬菜、花卉、瓜果、林業(yè)育種產(chǎn)生影響，作為嚴霜凍指標，＜2℃作為輕霜指標。

1.3.2 霜凍致災時間段 春季霜凍（終霜）致災時間段，依據(jù)遼寧西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐，農(nóng)作物及果樹萌芽開花階段與霜期出現(xiàn)概率歸納得出春季4月15日之后出現(xiàn)的霜凍確定為致災霜凍。4月15日之后葡萄萌芽新梢生長期，各種果樹進入花蕾期、杏樹處于開花期，大田作物、蔬菜相繼進入播種出苗期，春季霜凍出現(xiàn)越晚危害越重、損失越大。遼寧西北部歷年最晚霜凍日出現(xiàn)在5月14日（1977年）。

秋季霜凍（初霜）致災時間段，進入9 月份各種作物逐漸進入乳熟、成熟期，依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐9月30日之后出現(xiàn)的霜凍對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已無影響，而9月30之前的霜凍對農(nóng)業(yè)存在致災風險，初霜凍日越早危害越大，農(nóng)業(yè)損失也就越大。

1.3.3 霜凍致災強度的等級劃分 霜凍致災強度包括2個因素，一是霜凍出現(xiàn)的時間，二是最低氣溫的程度。春季霜凍結(jié)束越晚溫度越低致災強度越大，而秋季霜凍來臨越早溫度越低致災強度越大。

霜凍出現(xiàn)時間致災等級劃分：依據(jù)歷年霜凍日資料以及農(nóng)業(yè)春播期、果樹幼芽和開花時間、農(nóng)作物成熟等物候期資料，春季4 月16 日—5 月15 日、秋季9 月1日—30日期間出現(xiàn)的霜凍存在致災風險，按出現(xiàn)時間分別規(guī)劃6個風險等級。即：春季4月16日—22日為1級、4月23日—25日為2級、4月26日—27日為3級、4月28 日—30 日為4 級、5 月1—4 日為5 級、5 月5 日之后為6級。秋季9月10之前為6級、9月11日—15日為5級、9月16日—20日為4級、9月21日—24日為3級、9月25日—27日為2級、9月28日—30日為1級。

由此確定不同日期出現(xiàn)的霜凍致災強度（用百分數(shù)表示），采用公式(1)計算日期霜凍致災風險強度。

式中，AHji為霜凍日期致災強度等級，Hmax為霜日致災等級最大值為6，Hi為霜凍致災等級。

最低溫度致災等級劃分：按照溫度越低受災越嚴重的原則，當日最低氣溫≤2.0℃以及降到0℃以下時時，大田作物、果樹花蕾期受害嚴重甚至停止生長。按照植物忍受低溫傷害程度劃分6個致災等級。最低氣溫2.0℃≥Ti＞0.0℃時為1～4 級；0.0℃≥Ti＞-1.0℃為5級；Ti≤-1.0 為6 級。最低氣溫致災風險強度采用公式(2)計算。

式中，ATi為日最低溫度強度等級，Tmax為日最低溫度致災等級最大值為6，Ti為最低溫度致災等級。

霜凍致災風險強度(STc)由最低氣溫(≤2℃)與最低氣溫所發(fā)生的時間的集合，即霜凍致災強度(ST)是最低氣溫(Ti)與最低氣溫所出現(xiàn)時間(Hi)的函數(shù)，見公式(3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 霜凍日數(shù)及趨勢變化

2.1.1 春霜凍日數(shù)和終霜日趨勢變化 從圖1(a)可見，終霜日期分布在4 月上旬至5 月中旬之間的45 d 之內(nèi)。以4 月下旬概率最高為36.7%，4 月份概率為81.0%，5月上旬概率為16.2%，5月中旬概率為2.8%，5月份概率為19.0%。5月份的霜凍對農(nóng)業(yè)的危害最大，這樣嚴重的春霜凍平均約5 a一遇。春季霜凍出現(xiàn)日期越晚對農(nóng)作物苗期、果樹花蕾初放或開花危害越嚴重。如：1977 年5 月14 日氣溫0.7℃的輕霜凍，凍死了雙子葉作物幼苗（如：豆科類、棉花等），2014年5月12日氣溫-2.8℃嚴霜凍凍死了所有大田幼苗和葡萄幼枝以及各種果樹的花蕾，造成當年水果大幅度減產(chǎn)或絕收，迫使大田作物重新翻種。

遼寧西北部1951—2020 年終霜日累年平均日期在4 月21 日，最晚結(jié)束在5 月14 日（1977 年），最早結(jié)束在4 月1 日（1975、1995 年），80%保證率出現(xiàn)在4 月27 日。圖1(b)所示，1951—2020 年終霜日變化可分為4 個階段：1951—1960 年終霜日期偏晚，平均在5 月1日；1961—1981 年終霜日偏早，平均在4 月16 日；1982—1994年終霜日較偏晚，平均在4月27日；1995—2009年較偏早，平均在4月17日；2010—2020年終霜日變率較大，平均日期與總平均值相同。終霜日標準偏差為±10 d，即：終霜日在4月10日—5月2日之間屬于正常變化，4 月9 日之前屬于偏早，偏早的概率為17.1%；5 月3 日之后屬于偏晚，偏晚的概率為15.7%。從歷年終霜日趨勢變化看，有提前結(jié)束的傾向性，氣候傾向率[22-23]為-0.438 d/10 a，序列相關系數(shù)為-0.0123(P＞0.05)變化趨勢不顯著。2001—2020年終霜平均日期在4月20日，與總平均值相比僅提前1 d。

2.1.2 秋霜凍日數(shù)和初霜日趨勢變化 從圖2a可見，秋季霜凍9月上中旬概率為11.6%；9月份概率為51.3%，10 月份概率為48.7%。統(tǒng)計1951—2020 年秋季霜凍日數(shù)分布在39 d之內(nèi)（9月9日—10月18日），當氣溫≤2.0℃時，低于大部分大田作物生物學下限溫度指標[24]，而受到凍害的威脅。當氣溫低于2.0℃時，超過大多數(shù)大田作物的生物學下限溫度[24]，而受到凍害的威脅。遼寧西北部農(nóng)作物、果樹成熟期一般在9月30日之前完成，因此，進入10 月份的霜凍對農(nóng)業(yè)已無影響，而9月份出現(xiàn)的霜凍對秋季作物及各種果樹成熟期可造成不同程度的危害。

圖2 秋季各旬初霜日概率(%)及初霜日期年際趨勢變化

遼寧西北部1951—2020 年初霜日累年平均在10月1日，80%保證率出現(xiàn)在9月28日。最早出現(xiàn)在9月9 日（1966 年），最晚出現(xiàn)在10 月18 日（1989、2006、2019 年）。圖2b 所示，1951—2020 年初霜日變化可分為2 個階段：1951—1993 年初霜日期較偏早，平均在9月27 日；1994—2020 年偏晚，平均在10 月6 日。初霜日標準偏差為±9 d，即9月22日—10月10日出現(xiàn)的霜凍屬于正常范疇，偏早（9 月22 日之前）有8 a，概率為11.4%。從歷年初霜日期變化趨勢看，氣候傾向率為1.734 d/10 a，序列相關系數(shù)為0.4067(P＜0.01)達到極顯著水平，后推趨勢十分明顯，線性后推12 d。1994—2020年比1951—1993年平均后推9 d。

2.2 霜凍致災風險強度分析

2.2.1 終霜凍致災風險強度分析 遼寧西北部春季霜凍對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)致災風險強度平均為41.6%。在1951—2020年里，無霜凍危害(ST=0)21 a，概率為30.0%；有霜凍危害(ST＞0)49 a，概率為70.0%，其中：輕度災害(0.0%＜ST≤35%)7 a，概率為10.0%；中度災害(35%＜ST≤70%)28 a，概率為40.0%；重度致災(70%＜ST≤100%)14 a，概率為20.0%。以年代時間尺度分析，20世紀50、80年代終霜致災風險度最高，超過50%；其次是20世紀70年代和21世紀10年代終霜致災風險度在40%以上；20 世紀60 年代和21 世紀00 年代最小在20%～30%之間。由圖3 所示，終霜致災風險度傾向率為-1.34%/10 a，70 a 間線性下降9.4 個百分點，下降速率并不顯著（序列相關系數(shù)r=-0.098，P＞0.05）。在總體下降和終霜日提前的趨勢上，還疊加有年際尺度的變率，在70 a 間，2014 年終霜致災風險度最高達到100%，其次是1977 年為91.7%，造成農(nóng)業(yè)損失慘重。1961—1981 年的20 a 間終霜致災風險強度平均為32.6%；1995—2013 年終霜致災風險強度平均為29.0%；進入21 世紀的前10 a（2001—2010 年）終霜日結(jié)束的早，終霜致災風險強度為28.3%，而后10 a（2011—2020 年）中的2014 年極大值使終霜致災風險強度增加至47.5%。2001—2020 年比1951—2000 年終霜凍致災風險強度僅下降5.2個百分點。

圖3 歷年春季終霜凍致災風險強度

2.2.2 初霜凍致災風險強度分析 遼寧西北部秋季霜凍對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)致災風險強度平均為27.7%。1951—2020年，無霜凍危害(ST=0)35 a，概率為50.0%；有霜凍災害(ST＞0)35 a，概率為50.0%，其中：輕度災害(0.0%＜ST≤35%)8 a，概率為11.4%；中度災害(35%＜ST≤70%)23 a，概率為32.9%；重度致災(70%＜ST≤100%)4 a，概率為5.7%。以年代時間尺度分析，20 世紀50—80 年代初霜致災風險度最高，在30.0%～40.0%之間；90年代下降至20.0%；進入21 世紀初霜致災風險強度下降更明顯，2001—2020 年初霜致災風險強度僅有8.4%，比1951—2000 年下降24.9 個百分點。由圖4 所示，初霜致災風險度以-4.856%/10 a 的傾向率顯著下降（序列相關系數(shù)r=-0.3482，ST＜0.01），1951—2020 年初霜致災風險強度線性下降34.0個百分點。

圖4 歷年秋季終霜凍致災風險強度

2.3 年度霜凍致災風險強度分析

遼寧西北部年度霜凍對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最大致災風險度累年平均值為51.0%。無霜凍災害(ST=0)12 a，占統(tǒng)計年數(shù)的17.1%；出現(xiàn)霜凍致災(ST＞0)58 a，占統(tǒng)計年數(shù)的82.9%；其中：輕度致災(0＜ST≤35.0%)4 a，占致災年數(shù)的6.9%；中度致災(35.0%＜ST≤70.0%)36 a，占62.1%；重度致災(70.0%＜ST≤100%)18 a，占31.0%。從各個年代霜凍致災強度變化看，20 世紀50、60、70、80、90 和21 世紀10 年代為中度致災風險(46.7%～66.7%)，21 世紀00 年代為輕度致災強度(29.2%)。由圖5 可知，隨著年際更替，霜凍致災風險強度氣候傾向率為-3.655/10 a，序列相關系數(shù)為-0.2672(P＜0.05)，強度減小趨勢達到顯著水平，1951—2020 年遼寧西北部霜凍致災風險強度線性下降25.6 個百分點；2001—2020 年較1951—2000 年霜凍致災風險強度平均下降17.1 個百分點。說明受氣候變暖的影響，遼寧西北地區(qū)年度霜凍致災風險強度總體在減弱。

圖5 遼寧西北地區(qū)霜凍致災風險強度變化趨勢

3 結(jié)論

（1）遼寧西北部終霜日分布在5月15日之前，終霜日期存在提前結(jié)束的傾向性，而2014年5月12日的終霜凍顛覆了春季霜凍危害減少的趨勢性。2001—2020年終霜平均日期在4月20日，與總平均值相比僅提前1 d。春季霜凍致災風險強度平均為41.6%，重度致災(70%＜ST≤100%)14 a，概率為20.0%，約5 a 一遇。春季霜凍致災風險強度傾向率-1.34%/10 a，線性下降9.4個百分點。

（2）初霜日分布在9月9日之后，1987—2020年分布在9 月20 日之后，穩(wěn)定后推趨勢，1951—2020 年初霜日線性后推約12 d，2001—2020年初霜日平均在10月6 日，1951—2000 年平均在9 月28 日，后推約8 d。秋季霜凍致災風險強度平均為27.7%，重度致災(70%＜ST≤100%)4 a，概率為5.7%，這4 a 均出現(xiàn)在1980 年之前。秋季霜凍致災風險強度傾向率為-4.856%/10 a，線性下降34.0個百分點。

（3）遼寧西北部年度霜凍致災風險強度平均為51.0%。霜凍致災風險強度氣候傾向率為-3.655/10 a，1951—2020年線性下降25.6個百分點，而2001—2020年比1951—2000 年霜凍致災風險強度下降17.1 個百分點。

本研究在參考前人[25]研究結(jié)果的基礎上，將霜凍致災風險指數(shù)轉(zhuǎn)化為霜凍致災風險強度，使霜凍災害量值化，更能體現(xiàn)對農(nóng)業(yè)的影響程度。分析結(jié)果可能存在一定程度上的主觀性，但霜凍等級對氣象預報預警仍具有科學指導意義。本研究以遼寧西北部所有作物作為研究對象，在后續(xù)的研究中，可以考慮對大宗作物或地產(chǎn)名優(yōu)水果等的霜凍及低溫冷害進行單獨研究，為地方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加精細化的服務與指導。

4 討論

基于歷史觀測數(shù)據(jù)鏈（1951—2020年）分析，遼寧西北部春霜凍日數(shù)減少和終霜日提前，秋霜日數(shù)減少和初霜日后推的結(jié)果與當前其他區(qū)域尺度的研究[26-27]所得結(jié)論一致，表明氣候變暖對霜凍的影響具有普遍性。僅從氣溫氣象要素的變化上看，春季、秋季日最低氣溫≤2.0℃或≤0.0℃的天數(shù)減少后，春霜凍、秋霜凍致災風險強度的減小趨勢，終霜日提前、秋霜日后推也意味著一年中無霜期在延長。但由于年際變率的作用，極端天氣（如2014年5月12日的嚴霜凍）仍然存在，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局中還不能盲目地提前播期、品種調(diào)整，仍要重視對春、秋霜凍的預防和應對[28]。

從20 世紀90 年代開始，伴隨著氣候變暖氣溫上升，熱量資源增加，北方區(qū)域農(nóng)作物物候期提前，農(nóng)業(yè)生長期延長[14,29]，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)也在發(fā)生著變化。農(nóng)業(yè)氣候帶向北方推移，熱源植物也向北擴展，改變了農(nóng)業(yè)格局[19]。但這種農(nóng)業(yè)格局的調(diào)整必須建立在科學的前提下，所以，即使無霜期延長、熱量資源增加的情況下，也應謹慎調(diào)整農(nóng)業(yè)布局和北移作物的種植界限。

遼寧西北部終霜日雖有提前結(jié)束的趨勢性，但穩(wěn)定性較差，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還不能加以利用，所以春季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局調(diào)整需謹慎。1986年之后的30多年初霜日穩(wěn)定出現(xiàn)在9月下旬之后，無霜日相對穩(wěn)定，可以應用這一熱量資源延長農(nóng)作物生長期，提高農(nóng)作物生物產(chǎn)量。遼寧西北部霜凍致災風險強度明顯下降，主要以秋季霜凍致災強度下降為主體。也就是說，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)期內(nèi)，秋季霜凍的致災風險發(fā)生頻率越來越低。