近30年重慶市晚熟柑橘冬季極端凍害模擬分析

李澤明　 唐余學

摘要 利用重慶市1984～2013年12月～次年2月的逐日最低氣溫資料，在考慮海拔高度的影響下，模擬分析了極端凍害在重慶市晚熟柑橘適宜區的時空分布規律以及風險等級。結果表明，在重慶市晚熟柑橘適宜區，極端凍害多出現在12月下旬，發生的程度一般為輕度凍害，發生的面積約占適宜區總面積的1/4左右，發生的概率一般低于4%，東北部的梁平、忠縣、奉節、云陽等地和中部的墊江、長壽以及西部的合川、江津、渝北等地凍害發生的風險較低。重慶市長江沿岸海拔400 m以下的大部地區，適宜晚熟柑橘栽培，但部分地區仍需要做好凍害防御。

關鍵詞 晚熟柑橘；極端凍害；風險；模擬；冬季；重慶市

中圖分類號 S162.5+5 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）08-02421-04

Simulation Analysis of Extreme Freezing Injury of Latematuring Citrus in Winter in Recent 30 years

LI Zeming， TANG Yuxue （Chongqing Meteorological Information and Technical Support Center， Chongqing 401147； Chongqing Institute of Meteorological Sciences， Chongqing 401147）

Abstract By using the daily minimum temperature during December to February from 1984 to 2013 in Chongqing， based on effect of altitude， spatial and temporal distribution and risk levels of simulate analysis of extreme freezing injury of latematuring citrus in winter were completed. The results showed that extreme freezing injury of latematuring often occurred in late December， and a lesser degree of occurrence， the percentage of total suitable area was 25%， and probability was less than 4%. Lowrisk areas included Liangping， Zhongxian， Fengjie and Yunyang etc in Northeastern Chongqing and Dianjiang， Changshou in centre region of Chongqing， and Hechuan， Jiangjin， Yubei in Western Chongqing. Latematuring citrus were suitable in most areas below the altitude of 400 meters along the Yangtze River in Chongqing， defense of freezing injury was premeditated yet.

Key words Latematuring citrus； Extreme freezing injury； Risk； Simulation； Winter； Congqing City

重慶市位于長江上游、四川盆地東南部，降水豐沛，光熱充足，冬暖春早，終年少霜雪，適宜晚熟柑橘生長。晚熟柑橘錯季上市，經濟效益可觀，近年來種植面積逐年增長，2012年約6.0萬hm2。根據農業部《全國柑橘優勢區域發展規劃》的相關內容，到2015年，重慶市將發展晚熟柑橘6.7萬hm2，建設成為我國最大的晚熟柑橘基地。盡管重慶市自然條件得天獨厚，但冬季仍有凍害發生，成為發展晚熟柑橘的最大障礙。晚熟柑橘在冬季（12月～次年2月）如遭遇凍害，將造成留樹果實受凍或脫落，果實被凍傷后出現留疤、變形、潰爛等情況，十分影響銷售。2008年1月，重慶市出現了罕見的雨雪冰凍天氣，忠縣以夏橙為主要品種的晚熟柑橘落果現象嚴重，部分果園落果率達40%，萬州部分地區凍傷柑橘果實每噸降低售價400元左右[1]。由于凍害對晚熟柑橘經濟效益的影響十分嚴重，因此其空間分布特征在一定程度上左右著晚熟柑橘的產業布局。了解凍害發生的時間、區域、范圍等特征，有助于決策者和生產者正確選擇種植區域、制定凍害防御的長遠規劃。

目前，在對柑橘凍害的研究中，一般以現布設的氣象站點觀測資料為依據。但重慶市地形地貌復雜，天氣氣候局地特征較強，單個氣象站點的氣象觀測記錄并不能充分反映行政區域內的立體氣候狀況。形成凍害的基本氣象因子是最低氣溫，發生凍害期間的極端最低氣溫（極端低溫）則反映了凍害的最嚴重程度，暫稱為“極端凍害”，而多年的極端凍害一般能用對應時段的極端低溫進行描述。重慶晚熟柑橘凍害發生極少，因此可以通過對極端凍害的模擬，研究在最嚴重的情況下凍害發生的規律。筆者擬以DEM數據為基礎，利用近30年各站點在冬季每天的極端最低氣溫，模擬晚熟柑橘適宜栽培區冬季的極端凍害并對其進行分析，以期為晚熟柑橘種植前的選址、果園冬季凍害防御規劃等各方面提供有益的參考。

1 資料與方法

1.1 資料及處理

所用最低氣溫數據為1984～2013年的12月～次年2月的34個氣象站點的逐日最低氣溫資料，該數據來源于重慶市氣象局。日極端最低氣溫采用Tij=Min（Tik）（k=1，2，3…）公式進行處理，式中Tij為冬季第i個站點第j日的極端最低氣溫，Tik為第i個站點1984～2013年里每年第k日的日最低氣溫。1∶25萬數字高程模型（DEM）來源于重慶市地理信息中心，空間分辨率100 m×100 m。根據DEM數據劃定了晚熟柑橘栽培的適宜區域，主要分布在重慶市西部淺丘、河谷地區以及重慶中部、東北部的長江沿岸地區。氣象站點及晚熟柑橘適宜區域分布如圖1所示。

圖1 重慶市氣象站點分布及晚熟柑橘適宜區域

1.2 研究方法

1.2.1 極端凍害的界限及等級劃分。

在我國冬季凍害出現較多的主要柑橘種植區，如湖北、江西、浙江等地，常將-3、-5或-7 ℃作為柑橘凍害的臨界指標之一[2-4]。在對重慶市2008、2011、2012年等年份的晚熟柑橘凍害調查時發現，果園的溫度-1.7 ℃左右時，凍害就已經產生，溫度越低，凍害越嚴重；2013年出現嚴重凍害時，奉節等地的一些果園的凹地由于“冷湖效應”，出現過-6～-7 ℃的低溫。因此，重慶晚熟柑橘凍害發生的最低氣溫臨界指標應在-1.7 ℃左右，低至-6 ℃時將出現十分嚴重的凍害。參考朱海濤等的研究成果[5]，將重慶市晚熟柑橘遭受凍害的臨界溫度定為最低氣溫-1.5 ℃。

極端凍害以危害負積溫為指標，計算公式為Kij=（Tis-T0p），式中Kij為第i個站點第j日的危害負積溫，Tis為第i個站點第s日的極端最低氣溫，T0p為晚熟柑橘凍害的臨界溫度，T0p=-1.5 ℃。如凍害的等級亦以危害負積溫的多少劃分為3級，則危害負積溫0～-2 ℃·d為輕度凍害，-2～-4 ℃·d為中度凍害，低于-4 ℃·d（絕對值大于4 ℃·d）為重度凍害。

1.2.2 冬季極端凍害發生概率的計算。

冬季極端凍害的發生概率等于日最低氣溫達到凍害標準的天數除以冬季總天數，計算公式為P=D/N×100%，式中，P為發生概率，D為凍害天數，N為冬季總天數。

1.2.3 冬季極端凍害的風險分析。從概念上講，風險是一件事或一系列不同強度時間發生的概率和時間后果這2個因素的函數[6]。由此，極端凍害綜合指數可定義為極端凍害發生的概率與嚴重程度（即危害負積溫）的綜合指標，用輕度凍害、中度凍害、重度凍害的概率與概率權重系數的乘積之和表示。在此采用主成分方法進行分析，首先將原數據標準化，公式為yij=xij-xminxmax-xmin；其次，輕度凍害、中度凍害、重度凍害分別用變量x1、x2、x3表示，并構建它們新變量的綜合指標Z1、Z2、Z3，分別為原變量的第1、2、3主成分，從Z1到Z3方差依次減小，可表示為

最后，用SPSS軟件進行主成分計算，并用主成分變量建立模型Q=3i=1μiPi，式中，Pi是主成分變量，μi是主成分的權重系數，即各主成分的方差貢獻率。將主成分變量及權重系數代入公式，得到極端凍害綜合指數模型：Q=0.801Z1。

按照ArcGis軟件提供的自然斷點分級方法（Natural Breaks），將模型計算的極端凍害風險等級分為4級：指數>-3為極低風險，指數在-3～-6為低風險，指數在-6～-9為中等風險，指數<-9為高風險。

2 結果與分析

2.1 最低氣溫與海拔高度的關系

海拔高度是影響氣溫地域分布的重要因子。宏觀上可以認為，在對流層范圍內，海拔高度每升高100 m，氣溫平均約降低0.65 ℃。具體到某個區域或某個時段，氣溫隨海拔高度的變化則出現不同的情況。蔡迪花等基于DEM數據對甘肅省河東區的平均氣溫進行分析，發現平均氣溫隨海拔高度的遞減率隨著季節變化存在差異[7]；張海靜等計算出青海省1月最低氣溫隨海拔高度的遞減率為1.1 ℃/100 m，7月則為0.7 ℃/100 m[8]，表明在不同的季節，最低氣溫隨海拔高度增加亦呈現不同的規律。因此，筆者將重慶市1984～2013年的冬季里在同一天內同樣天氣狀況下的站點的最低氣溫和海拔高度資料進行相關分析，并用一元線性回歸方法計算最低氣溫隨海拔高度變化的100 m遞減率，結果（表1）表明，最低氣溫與海拔高度存在極顯著的負相關關系，相關系數在-0.417～-0.480；最低氣溫隨海拔的增加逐漸降低，12、1和2月的海拔高度100 m遞減率分別為-0.8、-0.9、-0.8 ℃，可見在冬季的各月里，最低氣溫隨海拔高度的增加遞減率的差異較小，可以取這3個月的平均值-0.83 ℃/100m作為整個冬季的最低氣溫海拔高度100 m遞減率。

2.2 基于DEM的最低氣溫空間插值

根據表1的最低氣溫海拔高度100 m遞減率進行計算，將34個氣象站點的1984～2013年12月～次年2月的逐日極端最低氣溫統一訂

正到虛擬海平面，并應用ArcGis的克里金插值方法（Kriging）將虛擬海平面的極端最低氣溫在晚熟柑橘適宜區進行空間插值；根據在DEM中提取的海拔高度，再次應用表1的最低氣溫100 m遞減率，將最低氣溫推算到DEM柵格的每個格點，得到基于海拔高度的極端最低氣溫空

間分布圖。從1月1日氣象站點的極端最低氣溫和空間插值后的極端最低氣溫（圖2）可以看出，1月1日，重慶市各氣象站點的極端最低氣溫為-6.9～1.1 ℃，東北部的城口最低，江津、巴南最高；根據海拔高度進行空間插值后，極端最低氣溫的范圍擴大至-16.7～10.5 ℃，東北部大巴山脈區域的氣溫最低，其次為東南部七曜山的氣溫，西部的氣溫最高。可見，插值前后，氣溫高低分布形勢二者基本相似，但插值后更能體現出地形對氣溫立體分布的影響。

2.3 冬季極端凍害的主要時段與空間分布

根據極端凍害的定義可知，當晚熟柑橘適宜區內任一個柵格值小于-1.5（即負積溫多于-1.5 ℃·d），則認為區域出現凍害，在一定時段內達到該條件的天數即是發生凍害的天數，相應地，柵格的數量用于描述凍害的發生范圍。從近30年里重慶市冬季晚熟柑橘出現凍害的天數（圖3）上看，12月下旬、1月中旬和1月下旬天數最多，一般在7 d以上，其余時段天數較

少，一般為1～3 d；從出現凍害的柵格數量上看，明顯地可劃分為3個等級，凍害范圍最大的是12月下旬，凍害柵格數量達18萬個，遠大于冬季其他旬的凍害范圍，其次是1月中旬、1月下旬和2月上旬，凍害柵格數量為4～6萬個，且隨時間后移范圍變小，其余各旬為第3等級。從總體上看，12月下旬極端凍害的發生天數和發生范圍均為冬季各旬之冠。

間分布情況（圖4）可見，凍害主要為輕度凍害，約占晚熟柑

橘適宜區面積的25.6%，中度凍害和重度凍害分別約占4.8%和4.1%。輕度凍害主要分布在重慶市中部以及西部的部分區縣，主要包括墊江、長壽、合川、銅梁、永川、雙橋、榮昌等地，危害負積溫在0～-1.5 ℃·d的地區占輕度凍害面積的74.6%，東北部的梁平、忠縣、云陽等地，幾乎連輕度凍害也沒有，是晚熟柑橘絕佳的栽培地區；中度凍害主要分布在中部的墊江以及西部的榮昌、大足等地，其中危害負積溫在-2.0～-3.2 ℃·d的地區占中度凍害面積的81.0%；重度凍害分布的范圍較小，主要集中在東北部的開縣、萬州等地，其中危害負積溫在-6.0～-5.5 ℃·d的地區占重度凍害面積的92.1%。

圖4 重慶市晚熟柑橘冬季輕度凍害（a）、中度凍害（b）和重度凍害（c）的空間分布

42卷8期 李澤明等 近30年重慶市晚熟柑橘冬季極端凍害模擬分析

2.4 冬季極端凍害的發生概率 由重慶市晚熟柑橘適宜栽培區的極端凍害發生概率情況（圖5）可見，大部分地區發生凍害的概率均在4%以下，柵格數量占發生凍害柵格數的78.4%；少數地區凍害的發生概率達6%～8%，約占總數的16.7%，主要分布在東北部的開縣、萬州和西部的榮昌、大足等地；東北部開縣的局部地區發生概率超過10%，約占總數的5.9%。這與高陽華等的研究結論長江和嘉陵江沿線及重慶西部的大部分地區屬凍害少發區[9]基本吻合。

2.5 冬季極端凍害的風險分布 由SPSS軟件進行的主成分計算結果（表2）可見，主成分1的方差累積貢獻率超過80%，故新的綜合變量為Z1，其表達式為Z1=0.854x1+0.968x2+0.558x3。將風險計算的結果繪成圖（圖6）可見，在晚熟柑橘適宜栽培區的極端凍害風險區主要為極低風險

圖5 重慶市晚熟柑橘極端凍害發生概率

區和低風險區，極低風險區約占總面積的38.2%，低風險區占總面積的52.1%，中等風險區、高風險區分別占總面積的7.5%、2.2%；極低風險區主要分布在重慶市東北部的梁平、忠縣、奉節、云陽等地，低風險區主要分布在重慶中部的墊江、長壽和西部的合川、江津、渝北等地，中等風險區和高風險區主要分布在開縣的部分地區；風險程度不同的區域并不呈一致分布，而是呈交雜分布，即不同風險等級的區域存在彼此交叉的現象，這主要是由于局部氣溫的條件不同而引起凍害風險的差異；一個行政區域內，存在多個風險區，如長壽區、墊江縣既有極低風險區，也有低風險區。

3 結論

（1）重慶市晚熟柑橘適宜區的極端凍害出現天數最多的是12月下旬，一般在7 d以上，出現范圍也最大，且遠大于冬

季其余各旬的凍害范圍，其次是1月中旬～2月上旬，據統

計，近幾年的凍害也常發生在12月下旬～2月上旬[10]。極端凍害的等級一般為輕度凍害，約占晚熟柑橘適宜區總面積的25.6%，主要分布在重慶市中部以及西部的部分區縣。

（2）在極端低溫的情形下，凍害的發生概率一般低于

4%，少數地區凍害的發生概率達6%～8%，主要分布在東北

部的開縣、萬州和西部的榮昌、大足等地，僅東北部開縣的局部地區發生概率超過10%。

（3）東北部的梁平、忠縣、奉節、云陽等地和中部的墊江、長壽以及西部的合川、江津、渝北等地極端凍害發生的風險較低，占晚熟柑橘適宜栽培區總面積的90.3%，中風險和高風險區占9.7%，意味著在長江沿岸海拔400 m以下的大部分地區，適宜晚熟柑橘栽培，但仍然需要針對海拔相對較高的地方做好一般性凍害的防御規劃。

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