黑龍江省水稻初霜凍災害致災因子危險性分析*

朱紅蕊，于宏敏，姚俊英，劉赫男，孫爽

(黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱，150030)

0 引言

霜凍是指日平均氣溫高于0℃的溫暖時期，地面和作物體表面的溫度驟降至0℃以下，使作物遭受凍害或死亡的現象。主要發生在春、秋兩季，春季霜凍也叫終霜凍，主要危害作物幼苗期和果樹花芽期;秋季霜凍也叫初霜凍，主要危害作物乳熟期，影響作物成熟。鑒于霜凍危害多種農作物，造成巨大經濟損失，很早就引起許多學者的關注［1－3］。

黑龍江省是我國重要商品糧基地之一，農業生產在全國有舉足輕重的地位。同時，由于黑龍江省地處中高緯地區，其特定的地理位置使其無霜期較短，霜凍常使黑龍江省大田作物受害或致死，影響糧食作物的產量和質量，造成巨大的經濟損失。水稻是黑龍江的主要作物，成熟期在9月中上旬，霜凍較早，將會對其產量和質量造成重大影響，較早的強霜凍將使糧食減產5%～10%，大約15～30億kg，中等強度的早霜將使糧食減產2%。可見霜凍造成減產的危害程度之大，是影響黑龍江省農業生產最主要的氣象災害之一［4－6］。

盡管近40年來受全球氣候變暖的影響，黑龍江省氣候條件也相應地發生了較大的變化，但初秋冷空氣活動仍然較頻繁，黑龍江省大田主要作物遭受霜凍的潛在危險性仍然存在，因此，有必要對黑龍江省主要農作物開展霜凍災害風險區劃方法研究，掌握各地霜凍災害的等級，進行積極防御，對作物的合理布局，提高糧食產量和質量具有積極的參考作用。同時，為了適應氣候變化，減輕氣象災害損失，保障國家經濟建設和社會可持續發展，有必要重新認識在氣候變化背景下霜凍災害的自然屬性和社會屬性，認識霜凍災害的時空分布特點和發生、發展規律，根據霜凍災害的空間分布、影響范圍、影響程度，結合黑龍江省社會經濟發展水平進行霜凍災害區劃，這對指導防災減災有很重要的現實意義。

本文根據黑龍江省水稻的生長發育期，以全省77個臺站1961－2009年的逐日最低氣溫資料、霜凍歷史災情數據、社會經濟資料、地理信息數據及作物生育期資料為基礎，綜合運用GIS空間分析和災害風險評估數學方法，分析了黑龍江省初霜凍災害的災情時空特征，并根據霜凍災害的形成機制，確定了致災因子，對致災因子危險性進行分析與評估，從而為大尺度的作物霜凍災害區劃及農業保險提供依據。

1 資料與方法

1.1 資料介紹

作物霜凍災害常采用的溫度指標有地面最低溫度、最低氣溫、植株體溫。地面最低溫度受下墊面影響較大，情況復雜，代表性有限;植株溫度高低是霜凍時植株本身溫度的真實反應，但葉溫數據通常需要通過實驗獲得，區域較大時數據獲取困難，不適用于較大區域的研究。有研究認為最低葉溫與最低氣溫之間存在統計學關系，由實驗得到的作物霜凍災害葉溫經驗值可以換算成氣溫數據，并做成標準以供使用。在實際預報中，最低氣溫是常規預報項目，較易獲得，因此在農業氣象研究中，以氣溫為指標來分析霜凍對農作物的影響較合適，可以利用最低氣溫的歷史資料分析霜凍的出現情況。

本研究選用逐日最低氣溫作為基礎數據，所用資料包括:

(1)1961－2009年8－9月全省各臺站逐日最低氣溫資料;

(2)1984－2009年全省以縣為單元的霜凍歷史災情數據;

(3)社會經濟資料(人口、耕地面積、經濟GDP等);

(4)水稻生育期、種植面積、產量等農業氣象資料。

1.2 研究方法

1.2.1初霜凍發生頻率

根據氣象行業標準《作物霜凍害等級》［7］，把黑龍江省水稻霜凍害溫度指標，初步確定為以≤0℃為標準，統計8－9月黑龍江省初霜凍發生頻率。

將全年霜凍日數為零視為無霜凍發生的情況，其它均視為霜凍發生，霜凍災害發生概率為:

式中:n為經篩選與統計得到全年霜凍日數為零的年數;N為氣象觀測總年數。由此得到各站點霜凍發生概率［8－9］。

1.2.2 水稻偏早初霜凍害發生頻率

根據《中國災害性天氣氣候圖集》(1961－2006年)［10］，將偏早、偏晚初霜凍標準定為:初霜凍日期距平＜－σ為偏早霜凍，＞σ為偏晚霜凍，σ為初霜凍日期的均方差。計算黑龍江省水稻偏早初霜凍(最低氣溫≤0℃為標準)發生的頻率。

1.2.3 綜合計算初霜凍致災因子的危險度

利用層次分析法對初霜凍和偏早初霜凍發生概率進行權重賦值，并對兩個指標進行綜合疊加，得到黑龍江省水稻初霜凍災害致災因子指標，對該指標進行危險性評價，進而揭示黑龍江省水稻初霜凍災害在地域空間上的差異性規律和特征，為各地因地制宜制定災害防治規劃及對策提供科學依據。研究技術路線如圖1所示。

圖1 黑龍江省水稻初霜凍災害致災因子危險性評價流程

1.2.4 自然斷點分級法

自然斷點分級法用統計公式來確定屬性值的自然聚類。公式的功能就是減少同一級中的差異，增加級間的差異。

式中:A為數組(數組長度為N);meani－j為每個等級中的平均值。該方法可用GIS軟件實現。

2 黑龍江省初霜凍災情分析

統計黑龍江省1984－2009年初霜凍災害發生次數及受災面積，結果如圖2、圖3所示。由初霜凍災害發生次數分布圖可見，嫩江發生次數最多達11次，其次為五大連池6次，黑河、遜克、五常、肇東、海林和饒河出現3～5次，其它地區發生次數較少。

根據黑龍江省霜凍災害年平均受災面積分布可見，受災較重區域與霜凍發生高頻區基本一致，受災較重區域主要集中在大興安嶺南部，黑河大部，松嫩平原部分縣市以及三江平原部分地區，其中嫩江和肇東年均受災面積超過5 000 hm2。

圖2 1984－2009年黑龍江省初霜凍災害發生次數

圖3 黑龍江省初霜凍災害年平均受災面積

3 水稻初霜凍災害致災因子危險性分析

3.1 水稻初霜凍發生頻率分析

圖4為黑龍江省水稻初霜凍發生概率分布圖。由圖4可以看出，水稻初霜凍災害發生的概率隨緯度的增加大致呈增大的分布，大興安嶺、黑河、伊春大部、通河、木蘭、尚志、林口、穆棱、綏芬河是水稻初霜凍災害的多發區，發生概率在60%以上，尤其是大興安嶺大部、嫩江、孫吳、伊春發生概率在80%以上，松嫩平原北部、哈爾濱東部、牡丹江大部發生概率為40%～60%，牡丹江地區水稻初霜凍的發生頻率高于同緯度地區，這與當地山地地形影響下的氣候因素有關。松嫩平原西南部和三江平原大部發生概率較小。

3.2 水稻偏早初霜凍發生頻率分析

圖5為黑龍江省水稻偏早初霜凍發生概率分布圖，可以看出，大興安嶺大部、黑河南部、松嫩平原北部、三江平原大部為水稻偏早初霜凍相對多發區，概率在15%以上，其中，呼瑪、遜克、嘉蔭、克山、明水、林甸、海倫、富錦等地發生概率在20%以上，伊春、鶴崗、綏化、哈爾濱部分市縣、牡丹江水稻偏早初霜凍發生概率較小在10%以下，其它地區為10%～15%。

圖4 黑龍江省水稻初霜凍發生概率分布圖

圖5 黑龍江省水稻偏早初霜凍發生概率分布圖

圖6 黑龍江省水稻初霜凍致災因子危險度評價

3.3 水稻初霜凍災害危險度評價

利用層次分析法計算初霜凍和偏早初霜凍發生概率的權重，并將兩個指標進行綜合疊加，得到黑龍江省水稻初霜凍災害致災因子指標，這里權重系數均取0.5，該指標不僅考慮了溫度條件(既包含緯度因素也包含局地小環境影響)，還考慮了霜凍的變異性。圖6是黑龍江省水稻初霜凍災害危險度評價結果圖。利用自然斷點分級法將致災因子劃分為低危險，次低危險，中等危險，次高危險和高危險五個等級。大興安嶺、孫吳、遜克、嘉蔭、伊春、嫩江、克山、拜泉、海倫等市縣為高危險區，黑河大部、齊齊哈爾東部、綏化北部、尚志、穆棱、富錦為次高危險區，松嫩平原南部、三江平原大部、牡丹江南部為次低及低危險區。

將黑龍江省水稻初霜凍致災因子危險度評價結果與1984－2009年黑龍江省初霜凍災情進行比較，由于大興安嶺地區無水稻種植區，因而不對該區進行考慮，致災因子危險度評價結果與災情結果存在差異，這主要是由于，黑龍江省霜凍災情數據從1984年開始統計，而評價結果自1961年開始計算，而且評價結果顯示為針對水稻單一農作物發生初霜凍災害時的危險度，因而兩者結果存在一定差異，但在黑河地區，兩者基本一致，均表現為初霜凍發生頻率較大，危險性較高，為次高和高危險區。

4 結論與討論

本文根據黑龍江省水稻的生長發育期，以全省77個臺站1961－2009年的逐日最低氣溫資料、霜凍歷史災情數據、社會經濟資料、地理信息數據及作物生育期資料為基礎，綜合運用GIS空間分析和災害風險評估數學方法，分析了黑龍江省初霜凍災害的災情特征，并根據霜凍災害的形成機制，確定了致災因子，對致災因子危險性進行分析與評估，得出如下結論:

(1)水稻初霜凍災害發生的概率隨緯度的增加大致呈增大的分布形勢，大興安嶺、黑河、伊春大部、通河、木蘭、尚志、林口、穆棱、綏芬河是水稻初霜凍災害的多發區，發生概率在60%以上，尤其是大興安嶺大部、嫩江、孫吳、伊春發生概率在80%以上。

(2)大興安嶺大部、黑河南部、松嫩平原北部、三江平原大部為水稻偏早初霜凍相對多發區。

(3)大興安嶺、孫吳、遜克、嘉蔭、伊春、嫩江、克山、拜泉、海倫等市縣為高危險區，黑河大部、齊齊哈爾東部、綏化北部、尚志、穆棱、富錦為次高危險區，松嫩平原南部、三江平原大部、牡丹江南部為次低及低危險區。

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