2018年吉縣蘋果花期霜凍害成因分析及氣候特征研究

楊斌斌，李旸，孫悅，賀東東，代淑媚

1.山西省臨汾市氣象局，山西 臨汾 041000；2.山西省氣象服務(wù)中心，山西 太原 030000

0 引言

霜凍是一種常見的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，在山西其嚴(yán)重程度僅次于干旱.而極端強(qiáng)度的霜凍對(duì)農(nóng)業(yè)帶來的影響會(huì)更大，導(dǎo)致農(nóng)作物或經(jīng)濟(jì)林大量減產(chǎn).為了認(rèn)識(shí)霜凍的發(fā)生演變規(guī)律多年來國(guó)內(nèi)外無數(shù)的科研工作者已從不同角度作了大量研究：各地霜凍的氣候特征和變化存在明顯的區(qū)域性差異，霜凍日數(shù)在近10年有明顯減少的趨勢(shì)[1～6]；在年變化上，初霜凍日有顯著推遲，終霜凍日顯著提前的趨勢(shì)[7～10]；趙桂香，范衛(wèi)東等[11]研究指出，初霜凍日推后、終霜凍日提前、無霜期延長(zhǎng)，但不同區(qū)域其結(jié)果存在一定的差異，臨汾不在終霜凍日顯著提前的區(qū)域.吳海婷[12]等對(duì)臨汾市0 ℃界限溫度氣候特征研究表明，吉縣≥0 ℃初日常年在2月27日出現(xiàn)，年代變化有提前趨勢(shì)，說明吉縣終霜凍日提前，一旦發(fā)生晚霜凍，低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，很容易使果樹凍傷，造成毀滅性的災(zāi)害[13].

2018年4月6日～7日，受強(qiáng)冷空氣影響，吉縣出現(xiàn)大風(fēng)降溫天氣，6日白天出現(xiàn)大風(fēng)，風(fēng)力達(dá)6級(jí)～8級(jí)，極大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)17.3 m/s，24 h最低氣溫下降了7.7 ℃，7日早晨最低氣溫降至-4.8 ℃，為近38年以來的第三最低值.這次大風(fēng)降溫過程的出現(xiàn)范圍廣，強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，為歷史罕見，使得正處于盛花期的吉縣紅富士蘋果遭受了嚴(yán)重的凍害，凍害使蘋果花柱頭、花粉管、子房不同程度壞死變黑，對(duì)果樹的產(chǎn)量及果實(shí)品質(zhì)造成嚴(yán)重影響[14].據(jù)調(diào)查得知本次凍害有三成果園發(fā)生輕度花期凍害，四成果園發(fā)生中度花期凍害、三成果園發(fā)生重度花期凍害，受災(zāi)面積11 866.7 公頃，經(jīng)濟(jì)損失為15 512.5萬元.因此有必要對(duì)此次霜凍強(qiáng)度作細(xì)致的研究分析，探討其發(fā)生的氣候特征，對(duì)提高當(dāng)?shù)氐乃獌鲱A(yù)測(cè)和防御能力有著十分重要的意義.

1 2018年4月6日～7日花期霜凍害情況分析

1.1 冷空氣強(qiáng)度

對(duì)于霜凍強(qiáng)度的定義，很多文獻(xiàn)中表示為：地表溫度≤0 ℃，≤-2 ℃和≤-5 ℃分別為輕微、中度和重度終霜凍.

從2018年4月6日～7日吉縣逐小時(shí)地表最低氣溫時(shí)序圖(圖1)可以看出，4月6日～22日地表最低氣溫開始小于0 ℃，7日00時(shí)降到-2 ℃以下，至6時(shí)降到最低-4.8 ℃，所以6日夜間吉縣凍害以中到重度為主，持續(xù)7小時(shí)左右.受7日白天太陽輻射的影響，氣溫迅速回升，7日夜間地表溫度最低為-2.1 ℃，只持續(xù)兩小時(shí)，對(duì)果花的凍害影響不大.

圖1 吉縣2018年4月6日21時(shí)～7日10時(shí)地表最低溫度Fig.1 Minimum surface temperature in Jixian from 21：00 to 10：00 on April 6 in 2018

1.2 凍害原因

2018年3月吉縣月平均氣溫為9.6 ℃，較歷年同期平均5.1 ℃偏高4.5 ℃.吉縣3月上、中、下旬旬平均氣溫分別是6.2 ℃、9.4 ℃、13.0 ℃，分別比歷年同期偏高3.6 ℃、4.1 ℃、5.8 ℃.3月溫度異常偏高，致吉縣蘋果開花期顯著提前，較常年平均4月17日提前近10天.果樹開花期抗寒力弱，對(duì)低溫忍耐力差，劇烈的降溫和持續(xù)的低溫出現(xiàn)，果樹越容易受災(zāi)[14～16].強(qiáng)冷空氣與盛花期疊加，是導(dǎo)致本次強(qiáng)凍害的主要原因.

2 吉縣蘋果花期霜凍害氣候特征

2.1 資料和方法

選取臨汾市吉縣1981年～2018年4月逐日地表0 cm最低溫度作為霜凍資料，在確保時(shí)間序列完整的前提下，對(duì)期間一些有疑義的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一核實(shí)查證.本文采用線性傾向法，分析吉縣1981年～2018年4月霜凍日的演變情況；采用M-K法檢測(cè)霜凍強(qiáng)度在演變過程中可能出現(xiàn)的間斷點(diǎn)即突變點(diǎn)；用Morlet小波分析，分析1981年～2018年4月吉縣霜凍強(qiáng)度的周期性變化特征.

2.2 1981年～2018年吉縣蘋果花期霜凍年變化特征

1981年～2018年中吉縣4月共出現(xiàn)霜凍191天，月平均5.0天；其中有4年的4月未出現(xiàn)霜凍，分別為1989年、1998年、2014年和2016年；最多年份出現(xiàn)在1996年和2010年，分別為12天.由圖2可見，霜凍日數(shù)20世紀(jì)80年代為57天，90年代達(dá)50天，21世紀(jì)初十年為56天，各年代際變化不大，而2011年～2018年僅28天，霜凍日數(shù)呈明顯的下降趨勢(shì)，這與大趨勢(shì)的變化是一致的，其變化可用線性方程y=-0.054 6x+6.091表示，其氣候傾向率為-0.5 d/10 a，即吉縣4月份霜凍日以每10年減少半天速度減緩.

2.3 1981年～2018年吉縣花期霜凍M-K間斷點(diǎn)分析

圖3給出1981年～2018年吉縣4月最低霜凍值的突變檢驗(yàn).其中UF和UB為統(tǒng)計(jì)曲線，取±1.96為臨界曲線的M-K檢驗(yàn)值，在整個(gè)研究時(shí)段發(fā)現(xiàn)UF、UB兩條曲線的雜點(diǎn)較多，沒有特別明顯的突變點(diǎn)，UF值始終在0線以下，說明1981至今吉縣的霜凍強(qiáng)度呈加強(qiáng)的趨勢(shì)，在2003年～2013年有明顯的下滑趨勢(shì)，并在2010年后的幾年內(nèi)超過-1.96的臨界值，于2013年達(dá)到了降溫的極限值，說明該時(shí)段降溫極其顯著，超過0.05顯著性水平.而在2013年之后轉(zhuǎn)入逐漸回升的趨勢(shì).統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見，2013年4月0 cm最低氣溫為-6.2 ℃，2015年為-3.3 ℃，而2014年和2016年的4月卻未出現(xiàn)霜凍，說明了階段性回暖后仍有出現(xiàn)氣溫極低的可能.

2.4 1981年～2018年吉縣花期霜凍小波特征分析

小波分析在時(shí)域和頻域上同時(shí)具有良好的局部性，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度分析并能聚焦到所研究對(duì)象的任意微小細(xì)節(jié)，可用小波實(shí)部和小波方差來表達(dá).圖4小波實(shí)部可以看出，吉縣的霜凍強(qiáng)度震蕩周期波形清晰層次分明，存在多尺度的震蕩周期.在28年～29年附近時(shí)間尺度上，震蕩周期清晰可見，其中1981年～1984年，1997年～2005年，2015年～2018為正位相，表示該時(shí)段霜凍強(qiáng)度偏強(qiáng)；1986年～1996年和2006年～2014年為負(fù)位相，表示該時(shí)段霜凍偏弱.從圖中還可以看出，在整個(gè)研究時(shí)段還存在14年～15年的周期，呈現(xiàn)出弱-強(qiáng)-弱-強(qiáng)-弱-強(qiáng)-弱-強(qiáng)8個(gè)階段的明顯震蕩，此階段等值線稀疏，說明此階段霜凍強(qiáng)度變化相對(duì)平穩(wěn).在1981年～2006年間，還存在6年～7年的周期，期間1997年～2001年等值線相對(duì)密集，說明該時(shí)段霜凍起伏性大，忽高忽低的現(xiàn)象明顯；在2006年～2018年，在4年附近的時(shí)間尺度上也出現(xiàn)了小周期，閉合等值線稀疏，震蕩周期較弱.從吉縣霜凍的小波方差分布圖(圖5)可以看出，其小波方差有3個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)時(shí)間尺度分別為7 a、14 a、29 a，而在這些周期中29 a峰值最高能量最大，其次是14 a，因此29 a是吉縣霜凍強(qiáng)度變化的主周期，14 a是霜凍強(qiáng)度變化的次周期.

圖2 1981年～2018年吉縣4月霜凍出現(xiàn)次數(shù)演變趨勢(shì)Fig.2 ThetrendchangeoffrostfrequencyinAprilfrom1981to2018inJixian圖3 1981年～2018年吉縣花期霜凍M-K檢驗(yàn)分析Fig.3 M-Ktestofthefrostinflorescenceinfrom1981to2018inJixian

圖4 1981年～2018年吉縣花期霜凍小波實(shí)部特征Fig.4 WaveletrealfeaturesoffrostinflorescenceininJixianfrom1981to2018圖5 1981年～2018年吉縣花期霜凍小波方差特征Fig.5 WaveletvariancefeaturesoffrostinflorescenceininJixianfrom1981to2018

3 小結(jié)

(1)該次冷空氣出現(xiàn)范圍廣，強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，為近38年以來第三最低值，由于前期3月溫度異常偏高，使得吉縣紅富士蘋果花期提前近10天，盛花期遇強(qiáng)凍害，是造成果花受凍的主要原因.

(2)吉縣1981年～2018年霜凍日的氣候傾向率為-0.5 d/10 a，即吉縣霜凍日數(shù)呈現(xiàn)出每10年減少半天的趨勢(shì)；從霜凍強(qiáng)度來看，吉縣的霜凍強(qiáng)度呈加強(qiáng)的趨勢(shì)，2003年～2013年是明顯的加強(qiáng)時(shí)段，2013年之后開始減弱；從間斷點(diǎn)看出，1981年～2018年沒出現(xiàn)明顯的突變點(diǎn)，說明未來出現(xiàn)強(qiáng)霜凍的可能性仍是存在的.

(3)從變化周期來看，呈現(xiàn)出多層次的周期性結(jié)構(gòu)，主周期29 a，次周期14 a.14 a這個(gè)周期上強(qiáng)度的震蕩相對(duì)平緩.

4 存在的問題

本研究過程中使用的霜凍資料來源于氣象觀測(cè)資料，而并非果樹種植處之?dāng)?shù)據(jù)，另外果花的凍害程度與地理位置(迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡)、周圍環(huán)境(高大樹木、建筑阻擋)、以及地形(山坡、洼地)等都有密切關(guān)系，所以研究結(jié)果難免會(huì)出現(xiàn)偏差.要解決數(shù)據(jù)的代表性問題，就需要在果樹種植處安裝農(nóng)田小氣候儀，以便研究出更加科學(xué)合理的數(shù)據(jù)，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的.