興安盟大豆秋季霜凍發(fā)生的演變特征及氣候危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)構(gòu)建探究

王晨陽

（阿爾山市氣象局，內(nèi)蒙古 興安盟 137400）

大豆是當(dāng)今世界的主要糧油兼用作物，興安盟是我國生產(chǎn)大豆的主要區(qū)域，現(xiàn)有品種資源十分豐富。興安盟所在地區(qū)緯度較高，復(fù)雜的氣候和地形，導(dǎo)致該地區(qū)氣象災(zāi)害頻發(fā)，其中，最具代表性的即為秋季霜凍。近幾年，圍繞霜凍風(fēng)險(xiǎn)開展的研究數(shù)量不斷增加，結(jié)果表明，決定霜凍風(fēng)險(xiǎn)的要素為霜凍風(fēng)險(xiǎn)性，要想實(shí)現(xiàn)豐產(chǎn)，關(guān)鍵是掌握每年出現(xiàn)霜凍的規(guī)律。

1 秋季霜凍評定指標(biāo)

現(xiàn)階段，關(guān)于大豆霜凍風(fēng)險(xiǎn)的研究較少，關(guān)于時(shí)間分布情況的研究有待深入，在科技持續(xù)發(fā)展的當(dāng)下，人們所能掌握時(shí)空資料的精細(xì)程度較之前更高，這也為有關(guān)人員對霜凍出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行全面研究提供了便利。

在前期準(zhǔn)備階段，要對霜凍評定指標(biāo)加以確定。研究表明，大豆發(fā)育期和日溫度最低值對是否出現(xiàn)霜凍災(zāi)害有決定作用。基于此，筆者選擇以氣象觀測站提供大豆生育期相關(guān)資料為參考，在對成熟日期平均值加以統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用耿貝爾法對成熟日期進(jìn)行檢驗(yàn)，將檢驗(yàn)所得日期視為霜凍界限，如果日氣溫最低值在界限前出現(xiàn)，代表該地區(qū)有霜凍災(zāi)害存在[1]。對于尚未設(shè)立觀測站的區(qū)域，其界限由臨近區(qū)域界限進(jìn)行替代。

在聚類分析理論指導(dǎo)下，參考各區(qū)域氣象特點(diǎn)，對興安盟氣候生態(tài)區(qū)數(shù)量及范圍加以確定，保證各生態(tài)區(qū)均有相應(yīng)資料和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對應(yīng)。隨后，筆者以我國氣象行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，結(jié)合興安盟所種植大豆的結(jié)構(gòu)、氣候情況和霜凍溫度指標(biāo)，將秋季霜凍分為以下三級：第一級，日氣溫最低值≤0.5 ℃的輕霜凍；第二級，日氣溫最低值≤0 ℃的中霜凍；第三級，日氣溫最低值≤-1 ℃的重霜凍。隨后，通過對出現(xiàn)初霜凍的時(shí)間和界限進(jìn)行比對的方式，判斷該區(qū)域是否有秋季霜凍存在。

2 霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

2.1 變異性

即便是同一地區(qū)，每年出現(xiàn)秋季災(zāi)害的日期均不確定，且存在較大的年際差異，年際差異往往會(huì)給霜凍風(fēng)險(xiǎn)大小帶來直接影響，基于此，筆者決定將日期變異性視為對致災(zāi)因子風(fēng)險(xiǎn)性加以反映的又一指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

其中：Dv代表變異系數(shù)，σ代表日序標(biāo)準(zhǔn)差，代表數(shù)學(xué)期望。

2.2 強(qiáng)度頻率

先將興安盟出現(xiàn)秋季霜凍的年份數(shù)量劃分成不同等級，再對各等級出現(xiàn)霜凍的頻率進(jìn)行計(jì)算，其公式為：

其中：Dj代表各等級霜凍出現(xiàn)的頻率；Di代表霜凍出現(xiàn)次數(shù)，1為輕霜凍，2為中霜凍，3為重霜凍。

與此同時(shí)，對出現(xiàn)霜凍時(shí)間最低氣溫平均值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合出現(xiàn)頻率確定強(qiáng)度頻率。在確定強(qiáng)度頻率時(shí)，通常使用以下公式：

其中：Ih代表強(qiáng)度頻率，n代表年數(shù)，Gj代表最低氣溫平均值。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)是決定風(fēng)險(xiǎn)能否出現(xiàn)并存在的核心條件，通常與出現(xiàn)頻率、風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度和不穩(wěn)定性存在密切聯(lián)系。上文提到的變異性及強(qiáng)度頻率，先后以日變異性、出現(xiàn)頻率為切入點(diǎn)，對霜凍風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了反映。隨后，有關(guān)人員以興安盟大豆種植情況為依據(jù)，借助經(jīng)驗(yàn)賦值法，對上述指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了確定，變異性權(quán)重為0.25，強(qiáng)度頻率權(quán)重為0.75，通過加權(quán)求和的方式，可獲得興安盟氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，具體如下：

3 秋季霜凍年際變化

興安盟地區(qū)可能出現(xiàn)秋季霜凍的范圍存在較大波動(dòng)，整體趨勢為持平略減。存在范圍較大的霜凍等級為輕霜凍，占比為25%～40%，近半數(shù)觀測站的氣溫最低值均符合輕霜凍標(biāo)準(zhǔn)。中霜凍占比平均值為20%，重霜凍占比平均值為15%。由此可見，霜凍出現(xiàn)站次占比的年際變化如下：輕霜凍＞中霜凍＞重霜凍，其中，重霜凍站次占比的最小值均為4%。

除此之外，在過去的數(shù)十年間，各等級霜凍出現(xiàn)的時(shí)間均有所提前。下文將逐一介紹，供相關(guān)人員參考：首先，輕霜凍對應(yīng)氣候傾向率大致是1.9d/10 年，其中，最早出現(xiàn)在8 月1 日，最晚出現(xiàn)在9 月10 日。其次，中霜凍對應(yīng)氣候傾向率大致是1.7d/10年，最早出現(xiàn)在8月4日，最晚出現(xiàn)在9月13日。最后，重霜凍對應(yīng)氣候傾向率大致是1.7d/10年，其中，最早出現(xiàn)在8月4日，最晚出現(xiàn)在9月20日。自21世紀(jì)之初，出現(xiàn)秋季霜凍的時(shí)間便逐漸提前，其中，提前幅度最大的霜凍類等級為輕霜凍，這點(diǎn)應(yīng)當(dāng)引起重視。

4 處理數(shù)據(jù)并制圖表

4.1 處理數(shù)據(jù)

對風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，要想使數(shù)據(jù)對應(yīng)量綱統(tǒng)一，最有效的方法是利用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法處理變異系數(shù)、強(qiáng)度頻率及其他致災(zāi)因子，表達(dá)式如下：

其中：k*代表經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù)，k代表原始數(shù)據(jù)，kmax代表最大指標(biāo)，kmin代表最小指標(biāo)。

4.2 制作專題圖

基于線性傾向估計(jì)，對大豆出現(xiàn)秋季霜凍的年際變化及其特點(diǎn)加以分析。利用Excel軟件處理數(shù)據(jù)并制圖，借助GIS完成專題圖的繪制工作。

5 研究結(jié)果相關(guān)分析

5.1 變異性

變異系數(shù)所描述內(nèi)容是數(shù)值在特定時(shí)間序列的分散程度，通常被用來判斷某個(gè)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的存在形式。一般來說，具有越大變異系數(shù)的序列，其穩(wěn)定性越差，受災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)自然越高。對氣象站經(jīng)緯度、海拔高度和霜凍變異系數(shù)進(jìn)行回歸分析，通常可得到以下回歸模型：

其中：λ代表經(jīng)度，φ代表緯度，h代表海拔高度。另外，置信度是99%，R2是0.68，F(xiàn)是80。

結(jié)合柵格計(jì)算所得系數(shù)圖可知，興安盟的阿爾山地區(qū)為高變異區(qū)，變異系數(shù)≥0.5，其他地區(qū)均為中低變異區(qū)，變異系數(shù)為0.15～0.35。

5.2 強(qiáng)度頻率

基于氣象站經(jīng)緯度、海拔高度和霜凍頻率與強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，再利用GIS 進(jìn)行推算，便可獲得霜凍頻率和強(qiáng)度分布圖[2-3]。在興安盟地區(qū)，霜凍強(qiáng)度及頻率發(fā)生情況如下：首先，阿爾山較易出現(xiàn)輕霜凍，其頻率能夠達(dá)到75%，其他地區(qū)出現(xiàn)輕霜凍的頻率，均未達(dá)到75%。其次，中霜凍在興安盟的出現(xiàn)頻率為25%～55%。最后，阿爾山出現(xiàn)重霜凍的頻率為50%～75%，其他地區(qū)的出現(xiàn)頻率未超過25%，這與該地區(qū)海拔密切相關(guān)。除此之外，興安盟的北部為強(qiáng)度高值區(qū)，其強(qiáng)度頻率普遍能夠達(dá)到0.4及以上。興安盟的中部地區(qū)，出現(xiàn)霜凍的頻率較低，通常為0.2～0.4。其他地區(qū)的霜凍頻率均未達(dá)到0.2，就是說霜凍給其他地區(qū)大豆種植帶來的影響相對較小。

5.3 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

基于小網(wǎng)格對標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行推算所得回歸模型為：

其中：λ、φ、h對應(yīng)內(nèi)容同上。另外，置信度是99%，R2是0.49，F(xiàn)是37。

利用GIS 對模型進(jìn)行計(jì)算并劃分風(fēng)險(xiǎn)等級，可獲得風(fēng)險(xiǎn)分布圖。分析可知，興安盟的阿爾山地區(qū)是高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)≥0.55，出現(xiàn)中重度霜凍的次數(shù)較多，且有一定的變異性；北部地區(qū)是中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.4～0.55；中部地區(qū)是低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.2～0.4。

5.4 小結(jié)及討論

興安盟大豆出現(xiàn)秋季霜凍的范圍較多，且具有明顯的區(qū)域特征。結(jié)合年際變化情況可知，初霜凍出現(xiàn)時(shí)間有所提前，各等級霜凍出現(xiàn)范圍均有較大波動(dòng)，整體趨勢有所減小，首次出現(xiàn)霜凍的日期均為8月下旬。

秋季霜凍出現(xiàn)時(shí)間，大豆普遍進(jìn)入鼓粒期，由于大豆并不具備良好的耐寒能力，如果遭受凍害，必然帶來難以挽回的損失，這也決定了出現(xiàn)霜凍的時(shí)間越早，大豆所遭受損失越大[4]。即便是在全球氣候變暖的當(dāng)下，有關(guān)人員仍要對預(yù)測和防御霜凍的工作引起重視。

各等級霜凍出現(xiàn)頻率均為東北高、西南低，頻繁出現(xiàn)輕霜凍的區(qū)域，其出現(xiàn)中重霜凍的可能性也較其他區(qū)域更大。若以低溫強(qiáng)度為切入點(diǎn)，阿爾山的強(qiáng)度頻率極高，在空間分布上，霜凍變異性和強(qiáng)度頻率的重合度較高，這也決定了阿爾山地區(qū)所出現(xiàn)霜凍，通常有較大的變異系數(shù)。

總而言之，興安盟大豆出現(xiàn)秋季霜凍的風(fēng)險(xiǎn)性，主要由地形及緯度決定，其規(guī)律可被概括為“自北向南降低”和“隨海拔增加而增高”，阿爾山所在地區(qū)具有極高的風(fēng)險(xiǎn)性。要想達(dá)到豐產(chǎn)豐收，關(guān)鍵是對霜凍變化規(guī)律加以掌握，在此基礎(chǔ)上，調(diào)整大豆品種熟型并控制播種期，保證其成熟期和預(yù)計(jì)時(shí)間大致相同，最大程度減弱霜凍災(zāi)害所帶來影響。

6 結(jié)語

綜上所述，興安盟出現(xiàn)霜凍的頻率極高，這是由低溫強(qiáng)度決定的。給霜凍危險(xiǎn)性帶來影響的因素較多，最具代表性的有大豆品種、地形和天氣條件，有關(guān)人員考慮到能夠獲取的數(shù)據(jù)有限，如決定利用霜凍頻率、強(qiáng)度以及出現(xiàn)時(shí)間表現(xiàn)出的變異性，對風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)與模型進(jìn)行構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上，參考品種和地形特征，對霜凍危險(xiǎn)發(fā)生等級進(jìn)行預(yù)測，通常可最大程度保證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。