隴南山區農業低溫凍害氣候特征及災害風險區劃

肖志強，趙彥鋒

（1.甘肅省隴南市氣象局，甘肅武都746000；2.上海市寶山區氣象局，上海寶山201901）

隴南山區地處青藏高原東側邊坡地帶，屬北亞熱半濕潤氣候向暖溫半干旱氣候的過渡帶，季風性氣候特征顯著。轄區內溝壑縱橫，高山河谷交錯分布，素以“山大溝深”而著稱，地勢西北高、東南低，是甘肅省唯一的長江流域市區。境內最高山峰雄黃山，海拔4 187 m，座落在文縣西北部的屯寨鄉境內。最低點罐子溝，海拔550 m，位于文縣東南部的中廟鄉境內，亦為甘肅省海拔最低點。由于受山地地形及大氣環流和太陽輻射的影響，氣候差異懸殊，地域性立體小氣候特點十分明顯，從而形成了“一山有四季，十里不同天”的氣候和自然景觀特征，雨熱同季，四季分明，光熱充足是隴南市主要氣候特點。因此，既能生產糧食，也是紋黨、當歸、紅芪、油橄欖、茶葉、大紅袍花椒等名貴藥材和稀有樹種的理想適生區。其中，隴南市白龍江沿岸是專家公認的全國油橄欖最佳適生區，現有油橄欖1.333 3萬hm2，是中國油橄欖栽培種植示范重點區域之一。同時，隴南市又是“中國花椒之鄉”、“中國核桃之鄉”，現有花椒11.339萬hm2，種植面積和產量均居全國第1；現有核桃22.2111萬hm2，約占全國核桃種植面積的1/4，是我國核桃主產區。

低溫凍害是隴南市農業生產上的主要氣象災害，對農業生產，特別是特色經濟林果威脅很大，由于出現較長時期低于作物生育要求的臨界致害低溫，包括低溫冰凍、寒潮、強降溫、霜凍、倒春寒和秋季低溫等形成的凍害。本研究主要探討對隴南市農作物或經濟林果生長關鍵期、敏感期（花期、芽期、苗期）危害最大的寒潮、強降溫、霜凍（以下統稱低溫凍害）。寒潮是指強冷空氣的突發性侵襲活動，日平均氣溫24 h下降≥10.0℃或48 h下降≥12.0℃，且最低氣溫≤5.0℃的降溫天氣過程。強降溫是指日平均氣溫24 h下降8～10℃或48 h下降≥10.0℃，且最低氣溫≤5.0℃的降溫天氣過程。霜凍是指農作物生長季內冷空氣入侵，使土壤表面、植物表面及近地面空氣層的溫度驟降到0℃以下，引起農作物植株遭受凍傷或死亡的現象。根據隴南市低溫凍害出現的時間及其對作物的影響程度，可分為春季（3—5月）低溫凍害和秋季（10—11月）低溫凍害2種類型，主要是寒潮、強降溫以及由此引起的早、晚霜凍，一般春季低溫凍害發生頻率較秋季多，農業災損較秋季嚴重，春季晚霜凍的危害大于秋季早霜凍的危害，晚霜凍越遲造成的災害越嚴重，高海拔地區受害程度，大于低海拔地區，低洼地帶大于空曠坡地，作物生殖生長期大于作物營養生長期。例如：2006年3月12—13日，隴南市出現了寒潮天氣，受災面積達3.414萬hm2，成災面積達2.333萬hm2，絕收面積達173.33 hm2，造成的直接經濟損失達8 500萬元以上。2010年4月11—14日，出現了強降溫，高半山最低氣溫或地面最低溫度＜0℃，出現晚霜凍，全區1 3333.3 hm2花椒減產200萬kg，經濟損失達6 000萬元，其中，海拔高度1 650～1 800 m地區花椒受災面積11 333.3 hm2，減產30%～40%。2013年4月4—6日，隴南市出現了強降溫、降雪、晚霜凍、吹風天氣過程，導致武都、文縣高半山及其余各縣的油菜、早春作物和正處于開花坐果期的花椒、核桃大面積發生凍害，共造成禮縣、武都區、文縣、徽縣、宕昌縣、康縣、西和縣7縣區的133個鄉鎮受災，農作物受災面積2.432萬hm2，成災面積 1.037萬hm2，絕收0.141萬hm2；經濟林果受災面積3.846萬hm2，成災2.00萬hm2，共造成經濟損失28 931.8萬元。過去人們對隴南山區旱澇方面研究較多[1-4]，而對低溫凍害的變化和分布規律的研究卻很少，特別是基于GIS理論繪制低溫凍害風險區劃的研究，卻從未見報道。因此，研究隴南山區農業低溫凍害時空變化規律及風險區劃，對趨利避害、科學規劃、合理作物布局，提高應對低溫凍害能力，減輕損失，確保農業增產、農民增收，具有一定的指導意義。

1 資料來源

低溫凍害資料由隴南市文縣、康縣、成縣、徽縣、兩當、宕昌、西和、禮縣和武都區9個氣象站提供，按照《地面氣象觀測規范》要求的方法測定，依據甘肅省氣象局氣候評價標準統計。人口、GDP、耕地比等資料由隴南市統計局2011年年鑒提供。由于過去氣象站點稀少，現在各鄉鎮區域自動氣象站的記錄年代太短。因此，本研究所用各鄉鎮低溫凍害資料為隴南市8縣1區9個氣象站1971—2010年低溫凍害資料，利用各地地理信息建立經度、緯度、海拔高度與低溫凍害次數多元線性回歸方程計算而得，并以此進行統計分析。其各時段平均低溫凍害次數方程為：y＝-18.328 1＋0.174 8X1－0.014 7X2＋0.000 7X3（u＝0.192 8，Q＝0.107 2，F＝18.582 7＞F（0.01，3，5）＝12.1，R＝0.801 7）。式中，y 為年平均低溫凍害（強降溫、寒潮次數合計）次數，X1為經度，X2為緯度，X3為海拔高度。

2 低溫凍害時空演變氣候特征

根據1971—2010年隴南市各氣象站低溫凍害記錄統計（表1）分析，強降溫和寒潮以及由此引起的早、晚霜凍主要發生在春季3—5月和秋季10—11月，由于該時期大氣環流正處于調整季節，加之也正值春季經濟林果芽期和花期或秋播冬小麥、冬油菜苗期生長敏感時期，強降溫和寒潮天氣致使氣溫急劇下降，常伴有大風、降雪和早、晚霜凍等，給農作物造成重大損失，并且早霜凍越偏早和晚霜凍越偏遲，作物凍害程度越重。參考有關文獻中對氣象資料的分析[5-6]，1971—2010年全市共出現強降溫、寒潮137站次，平均每年3.4站次、每站每年約0.4次，其中，強降溫共出現94站次，平均每年2.4站次，寒潮共出現43站次，平均每年1.1站次；2006年出現14站次，為最多年份，其中，有9 a全市沒出現強降溫和寒潮，即實際上有77.5%的年份出現了強降溫或寒潮天氣過程；1990—1999年連續10 a都有強降溫或寒潮出現，為強降溫或寒潮連續出現最長年份。西和縣共出現強降溫和寒潮31次，平均每年0.8次，為全市出現強降溫和寒潮次數最多的縣，1983年出現3次，為最多年份。但這只是各縣（區）氣象站的記錄，實際上高半山強降溫或寒潮、霜凍出現次數更多。文縣和成縣各出現強降溫和寒潮6次，平均每年約0.2次，為全市年均出現強降溫和寒潮次數較少的縣。從全市逐年9站強降溫和寒潮次數合計年際變化（圖1）趨勢分析，目前，強降溫和寒潮次數正處于比較明顯的持續上升時期。

表1 隴南市各縣（區）1971—2010年強降溫、寒潮次數統計

3 低溫凍害危險性等級分布

利用ArcGIS軟件和隴南市及周邊氣象站歷年強降溫和寒潮次數資料，結合日最低氣溫≤0℃頻次，得出低溫凍害危險性的等級分布如圖2所示。

從圖2可以看出，隴南市低溫凍害危險性等級由高到低、自北向南、自西向東遞減，海拔高的地區低溫凍害嚴重，宕昌及武都、文縣海拔1 800 m以上的地區低溫凍害危險性等級較高，徽成盆地及武都、文縣海拔1 200 m以下的地區低溫凍害危險性等級較低。

4 低溫凍害災害風險區劃

4.1 風險評估模型的建立

開展隴南市低溫凍害災害風險區劃，是在對隴南市氣象災害進行調查、統計和分析的基礎上，通過對致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性、防災減災能力等多因子綜合分析[7-13]，構建氣象災害風險評價的框架、指標體系、方法與模型，對氣象災害風險程度進行評價和等級劃分，采用風險指數法、層次分析法、加權綜合評分法等數量化方法，借助GIS繪制相應的風險區劃圖系，分為氣象災害高風險區、次高風險區、中等風險區、次低風險區和低風險區5級。

4.1.1 致災因子危險性 它是指氣象災害異常程度，主要是由氣象致災因子活動規模（強度）和活動頻次（概率）決定的。一般致災因子強度越大，頻次越高，氣象災害所造成的破壞損失越嚴重，氣象災害的風險也越大。

4.1.2 孕災環境敏感性 它是指受到氣象災害威脅的所在地區外部環境對災害或損害的敏感程度。同等強度的災害情況下，敏感程度越高，氣象災害所造成的破壞損失越嚴重，氣象災害的風險也越大。

4.1.3 承災體易損性 它是指可能受到氣象災害威脅的所有人員和財產的傷害或損失程度，如人員、牲畜、房屋、農作物、生命線等。一個地區人口和財產越集中，易損性越高，可能遭受潛在損失越大，氣象災害風險越大。根據隴南實際情況，低溫凍害承災體易損性分析選擇各鄉鎮耕地面積比、各鄉鎮人口密度和GDP密度作為評價指標，利用GIS技術將人口、GDP、耕地比數據空間化，采用1 000 m×1 000 m網格進行劃分計算。同時，根據隴南實際情況和專家打分綜合考慮，在計算承災體易損性時賦予低溫凍害氣象災害的易損性因子權重系數：人口占 0.4，GDP占 0.3，耕地比占 0.3。

4.1.4 防災減災能力 它是指受災區對氣象災害的抵御和恢復程度，包括應急管理能力、減災投入資源準備等，防災減災能力越高，可能遭受的潛在損失越小，氣象災害風險越小。

根據隴南實際情況，參照文獻[7-13]，建立災害風險指數評估模型：

式中，DRI是災害風險指數；H，E，V，R 分別表示致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性、防災減災能力因子指數；Wh，We，Wv，Wr表示相應的權重，在該區劃中通過專家打分，并根據隴南市氣象災害實際情況，分別賦值 0.5，0.2，0.2，0.1；Xk是指標k量化后的值；Wk為指標k的權重，表示各指標對形成氣象災害風險的主要因子的相對重要性；a為常數，用來描述防災減災能力對于減少總的DRI所起的作用，根據隴南市的實際情況，取值為0.5。根據低溫凍害風險系數大小，劃分為高（≥0.30）、次高（0.25～0.30）、中（0.20～0.25）、次低（0.15～0.20）、低（＜0.15）5個級別。

4.2 低溫凍害災害風險區劃

低溫凍害風險區劃主要從致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性3個方面進行綜合分析得到。致災因子危險性見低溫凍害危險性等級分布（圖2）；孕災環境敏感性主要考慮地形因子，如坡度及高度、河網密度2個方面；承災體易損性分析主要以人口密度、經濟密度、耕地比為基本要素。最后將上述3個方面內容進行加權疊加、合并以及等級劃分操作，得到低溫凍害風險區劃（圖3）。由圖3可知，低溫凍害風險由高到低、自北向南、自西向東遞減，宕昌和禮縣西北部、武都西北部、文縣西南和西北部高海拔區為低溫凍害高風險區；康縣、兩當、成縣、徽縣以及武都、文縣1 200 m以下低海拔區為低溫凍害低風險區。

5 結論與討論

（1）隴南市低溫凍害（強降溫、寒潮和霜凍）發生年際頻率為77.5%，平均每年3.4站次、每站每年約0.4次，其中，強降溫平均每年2.4站次，寒潮平均每年1.1站次，2006年出現14站次，為最多年份；1990—1999年連續10 a都有低溫凍害出現，為低溫凍害連續出現最長年份。西和縣低溫凍害平均每年0.8次，為全市年均出現低溫凍害次數最多的縣，但這只是各縣（區）氣象站的記錄，實際上高半山低溫凍害出現次數會更多。文縣和成縣低溫凍害平均每年約0.2次，為全市年均出現低溫凍害次數較少的縣。目前，全市低溫凍害次數正處于比較明顯的持續上升時期。

（2）隴南市低溫凍害危險性等級由高到低、自北向南、自西向東遞減，宕昌及武都、文縣海拔1 800 m以上的地區低溫凍害危險性等級較高，徽成盆地及武都、文縣海拔1 200 m以下的地區低溫凍害危險性等級較低。

（3）隴南市低溫凍害風險由高到低、自北向南、自西向東遞減，宕昌和禮縣西北部、武都西北部、文縣西南和西北部高海拔區為低溫凍害高風險區；康縣、兩當、成縣、徽縣以及武都、文縣1 200 m以下低海拔區為低溫凍害低風險區。

（4）本研究得到低溫凍害災害風險評估及其區劃，其結果與隴南市低溫凍害發生實際相符。因此，本研究對趨利避害，合理安排農業生產工作，預防和減輕低溫凍害具有一定的指導意義。

（5）利用ArcGIS軟件進行隴南山區低溫凍害災害風險評估及其區劃的研究，由于條件所限，所取氣象資料站點較少，不能包括各種地形地貌地理位置下的氣象站點的資料。因此，建立的計算各地低溫凍害次數的模型代表性有限，其結論與實際有一定差距，仍有待進一步研究。

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