興安盟大豆秋季霜凍發生的演變特征及氣候危險性風險指數構建探究

王晨陽

（阿爾山市氣象局，內蒙古 興安盟 137400）

大豆是當今世界的主要糧油兼用作物，興安盟是我國生產大豆的主要區域，現有品種資源十分豐富。興安盟所在地區緯度較高，復雜的氣候和地形，導致該地區氣象災害頻發，其中，最具代表性的即為秋季霜凍。近幾年，圍繞霜凍風險開展的研究數量不斷增加，結果表明，決定霜凍風險的要素為霜凍風險性，要想實現豐產，關鍵是掌握每年出現霜凍的規律。

1 秋季霜凍評定指標

現階段，關于大豆霜凍風險的研究較少，關于時間分布情況的研究有待深入，在科技持續發展的當下，人們所能掌握時空資料的精細程度較之前更高，這也為有關人員對霜凍出現時間進行全面研究提供了便利。

在前期準備階段，要對霜凍評定指標加以確定。研究表明，大豆發育期和日溫度最低值對是否出現霜凍災害有決定作用。基于此，筆者選擇以氣象觀測站提供大豆生育期相關資料為參考，在對成熟日期平均值加以統計的基礎上，利用耿貝爾法對成熟日期進行檢驗，將檢驗所得日期視為霜凍界限，如果日氣溫最低值在界限前出現，代表該地區有霜凍災害存在[1]。對于尚未設立觀測站的區域，其界限由臨近區域界限進行替代。

在聚類分析理論指導下，參考各區域氣象特點，對興安盟氣候生態區數量及范圍加以確定，保證各生態區均有相應資料和試驗數據相對應。隨后，筆者以我國氣象行業現行標準為依據，結合興安盟所種植大豆的結構、氣候情況和霜凍溫度指標，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，通過對出現初霜凍的時間和界限進行比對的方式，判斷該區域是否有秋季霜凍存在。

2 霜凍氣候風險指標

2.1 變異性

即便是同一地區，每年出現秋季災害的日期均不確定，且存在較大的年際差異，年際差異往往會給霜凍風險大小帶來直接影響，基于此，筆者決定將日期變異性視為對致災因子風險性加以反映的又一指標，其計算公式如下：

其中：Dv代表變異系數，σ代表日序標準差，代表數學期望。

2.2 強度頻率

先將興安盟出現秋季霜凍的年份數量劃分成不同等級，再對各等級出現霜凍的頻率進行計算，其公式為：

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

與此同時，對出現霜凍時間最低氣溫平均值進行計算，結合出現頻率確定強度頻率。在確定強度頻率時，通常使用以下公式：

其中：Ih代表強度頻率，n代表年數，Gj代表最低氣溫平均值。

2.3 風險指數

致災風險是決定風險能否出現并存在的核心條件，通常與出現頻率、風險強度和不穩定性存在密切聯系。上文提到的變異性及強度頻率，先后以日變異性、出現頻率為切入點，對霜凍風險進行了反映。隨后，有關人員以興安盟大豆種植情況為依據，借助經驗賦值法，對上述指標權重進行了確定，變異性權重為0.25，強度頻率權重為0.75，通過加權求和的方式，可獲得興安盟氣候風險指數，具體如下：

3 秋季霜凍年際變化

興安盟地區可能出現秋季霜凍的范圍存在較大波動，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%，近半數觀測站的氣溫最低值均符合輕霜凍標準。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，在過去的數十年間，各等級霜凍出現的時間均有所提前。下文將逐一介紹，供相關人員參考：首先，輕霜凍對應氣候傾向率大致是1.9d/10 年，其中，最早出現在8 月1 日，最晚出現在9 月10 日。其次，中霜凍對應氣候傾向率大致是1.7d/10年，最早出現在8月4日，最晚出現在9月13日。最后，重霜凍對應氣候傾向率大致是1.7d/10年，其中，最早出現在8月4日，最晚出現在9月20日。自21世紀之初，出現秋季霜凍的時間便逐漸提前，其中，提前幅度最大的霜凍類等級為輕霜凍，這點應當引起重視。

4 處理數據并制圖表

4.1 處理數據

對風險指數進行構建時，要想使數據對應量綱統一，最有效的方法是利用極差標準化方法處理變異系數、強度頻率及其他致災因子，表達式如下：

其中：k*代表經過標準化處理的數據，k代表原始數據，kmax代表最大指標，kmin代表最小指標。

4.2 制作專題圖

基于線性傾向估計，對大豆出現秋季霜凍的年際變化及其特點加以分析。利用Excel軟件處理數據并制圖，借助GIS完成專題圖的繪制工作。

5 研究結果相關分析

5.1 變異性

變異系數所描述內容是數值在特定時間序列的分散程度，通常被用來判斷某個范圍內數據的存在形式。一般來說，具有越大變異系數的序列，其穩定性越差，受災風險自然越高。對氣象站經緯度、海拔高度和霜凍變異系數進行回歸分析，通常可得到以下回歸模型：

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

結合柵格計算所得系數圖可知，興安盟的阿爾山地區為高變異區，變異系數≥0.5，其他地區均為中低變異區，變異系數為0.15～0.35。

5.2 強度頻率

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

5.3 風險指數

基于小網格對標準風險指數進行推算所得回歸模型為：

其中：λ、φ、h對應內容同上。另外，置信度是99%，R2是0.49，F是37。

利用GIS 對模型進行計算并劃分風險等級，可獲得風險分布圖。分析可知，興安盟的阿爾山地區是高風險區，風險指數≥0.55，出現中重度霜凍的次數較多，且有一定的變異性；北部地區是中風險區，風險指數為0.4～0.55；中部地區是低風險區，風險指數為0.2～0.4。

5.4 小結及討論

興安盟大豆出現秋季霜凍的范圍較多，且具有明顯的區域特征。結合年際變化情況可知，初霜凍出現時間有所提前，各等級霜凍出現范圍均有較大波動，整體趨勢有所減小，首次出現霜凍的日期均為8月下旬。

秋季霜凍出現時間，大豆普遍進入鼓粒期，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，這也決定了出現霜凍的時間越早，大豆所遭受損失越大[4]。即便是在全球氣候變暖的當下，有關人員仍要對預測和防御霜凍的工作引起重視。

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

總而言之，興安盟大豆出現秋季霜凍的風險性，主要由地形及緯度決定，其規律可被概括為“自北向南降低”和“隨海拔增加而增高”，阿爾山所在地區具有極高的風險性。要想達到豐產豐收，關鍵是對霜凍變化規律加以掌握，在此基礎上，調整大豆品種熟型并控制播種期，保證其成熟期和預計時間大致相同，最大程度減弱霜凍災害所帶來影響。

6 結語

綜上所述，興安盟出現霜凍的頻率極高，這是由低溫強度決定的。給霜凍危險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，有關人員考慮到能夠獲取的數據有限，如決定利用霜凍頻率、強度以及出現時間表現出的變異性，對風險評價指標與模型進行構建，在此基礎上，參考品種和地形特征，對霜凍危險發生等級進行預測，通常可最大程度保證預測結果的準確性。