石榴凍害綜合氣候指標等級劃分及應用

趙靜，楊政，張欣，范靜兒，郭曉成

摘要：【目的】由于石榴凍害的綜合氣候指標研究相對較少，這就造成石榴氣象服務存在一定局限性。且石榴凍害指標分級制訂存在差異，缺乏統(tǒng)一標準，不利于石榴凍害監(jiān)測預報預警和災情評估。因此，對臨潼石榴凍害綜合氣候指標進行分析，為石榴凍害的監(jiān)測預報預警服務和災情評估提供技術(shù)支撐。【方法】通過實地走訪、資料查閱等方式調(diào)查石榴凍害災情，建立臨潼石榴凍害綜合氣候指標分級標準?；?991—2020年37個凍害實例，運用主成分分析、K-means聚類分析，對臨潼石榴凍害綜合氣候指標進行研究分析?！窘Y(jié)果】極端最低氣溫、低溫持續(xù)日數(shù)、過程有害積寒與石榴凍害密切相關(guān)，通過對石榴凍害數(shù)據(jù)標準化處理，構(gòu)建石榴凍害綜合氣候等級指標（Z），包括：輕度，-7.56≤Z<-6.77;中度，-8.36≤Z<-7.56;重度，Z<-8.36。通過與典型年對比驗證，并進行智能網(wǎng)格預報應用，發(fā)現(xiàn)實際發(fā)生的凍害情況與本文建立的臨潼石榴凍害綜合氣候等級指標吻合較好，為氣象服務石榴高質(zhì)量發(fā)展提供模式支撐。【結(jié)論】通過典型年對比驗證及智能網(wǎng)格預報應用，石榴凍害綜合氣候指標能較好的預報預測石榴凍害風險，為氣象服務石榴高質(zhì)量發(fā)展提供模式支撐。但暫未對臨潼石榴遭受凍害后的植物生理指標進行測定，其他氣象因子對石榴凍害的影響程度及其指標建立和等級劃分等工作，還有待今后進一步研究。

關(guān)鍵詞：石榴;凍害;氣候指標;等級劃分;智能網(wǎng)格預報應用

文章編號：2096-8108（2022）03-0029-05中圖分類號：S665.4文獻標識碼：A

Classification and Application of Comprehensive Climatic Index of Pomegranate Freezing Injury

ZHAO Jing1，YANG Zheng1， ZHANG Xin1，F(xiàn)AN Jinger1，GUO Xiaocheng2

（1.Meteorological Bureau of Lintong County， Xi an 710600， China;

2. Fruit Industry Technology Promotion Center of Xian City， Xian 710600，China）

Abstract：【Objective】The research on comprehensive climatic index of pomegranate freezing injury is relatively few， which results in some limitations of pomegranate meteorological service. In addition， there are differences in classification of pomegranate freezing injury index and lack of unified standard， which is not conducive to monitor， forecast the assessment of pomegranate freezing injury. Therefore， the comprehensive climate index of pomegranate freezing injury in Lintong was analyzed to provide technical support for monitoring， forecasting and the service of pomegranate freezing injury assessment.【Methods】The comprehensive climate index classification standard of pomegranate freezing injury in Lintong was established by field visit and data reference. Based on 37 freezing injury cases from 1991 to 2020， principal component analysis and K-means clustering analysis were used to study and analyze comprehensive climatic indexes of pomegranate freezing damage in Lintong. 【Results】 The extreme minimum temperature， the number of days of low temperature， and the process harmful cold accumulation were closely related to pomegranate freezing injury. Through the standardized processing of pomegranate freezing injury data， the comprehensive climate grade index （Z） of pomegranate freezing injury was constructed， including mild， -7.56≤Z<-6.77; medium， -8.36≤Z<-7.56; sever Z<-8.36. 【Conclusion】Through the verification of many years and the application of intelligent grid prediction， the comprehensive climate index of pomegranate freezing injury could better predict the risk of pomegranate freezing injury， and provided model support for the high-quality development of pomegranate meteorological services. However， the physiological indexes of pomegranate after freezing injury in Lintong had not been determined. The influence of other meteorological factors on the freezing injury of pomegranate and the establishment and classification of indexes needed to be further studied in the future.18C28418-DC83-4079-8820-5389436BE7FA

Keywords：pomegranate; freezing injury; climate indicator; grade division; application of intelligent grid forecast

石榴作為陜西臨潼特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，一直以來受到政府有關(guān)部門及社會各界的高度重視和大力支持，臨潼現(xiàn)有石榴種植面積5 333余hm2，在驪山北麓形成了一條東西長約30 km，南北寬約5～10 km的石榴林帶，全區(qū)10個街辦的2萬余農(nóng)戶從中受益，農(nóng)戶年均石榴產(chǎn)業(yè)收入達萬元左右，占當?shù)毓r(nóng)年收入的約80%。在當前全球變暖的背景下，北半球區(qū)域性極端低溫事件頻繁發(fā)生[1-2]，石榴遭受凍害的幾率明顯增加，對石榴生產(chǎn)造成不同程度的損失。曾有研究引起石榴凍害發(fā)生的氣象條件，并提出相應的預防措施[3-10]，但針對石榴凍害的綜合氣候指標研究相對較少，這就造成石榴氣象服務存在一定局限性。且石榴凍害指標分級制訂存在差異，缺乏統(tǒng)一標準，不利于石榴凍害監(jiān)測預報預警和災情評估[11]。因此，本文在前人研究成果的基礎上，以臨潼區(qū)自然條件下發(fā)生的凍害為基礎，結(jié)合實地調(diào)查、翻閱資料所得到的低溫過程為研究對象，確定臨潼石榴凍害臨界氣溫，并對凍害實例進行致災因子分析，運用聚類分析等方法，構(gòu)建臨潼石榴精細化凍害綜合氣候指標，為石榴凍害的監(jiān)測預報預警服務和災情評估提供技術(shù)支撐。

1數(shù)據(jù)來源

1996-2020年臨潼區(qū)石榴產(chǎn)量數(shù)據(jù)，1991-2020年冬季（當年12月至次年2月）臨潼國家氣象觀測站的逐日平均氣溫、逐日最低氣溫和過程降溫幅度等數(shù)據(jù)。

2研究方法

2.1計算過程有害積寒

采用文獻[12-13]提出的過程有害積寒概念，作為臨潼石榴凍害過程中的氣象因子進行深入分析。過程有害積寒是指，果樹在低溫過程中逐時低于臨界受害氣溫的累積值，其計算公式可表示為：X=14∑Nn=1（Tc-Tmin）2/（Tm-Tmin）（1）式（1）中，X代表過程有害積寒（單位：℃·d），N代表低溫過程持續(xù)日數(shù)（單位：d），Tc代表凍害臨界氣溫（單位：℃），Tmin代表日最低氣溫（單位：℃），Tmin≤Tc，Tm代表日平均氣溫（單位：℃）。

2.2致災因子標準化

導致臨潼石榴凍害的致災因子較多，為了增強數(shù)據(jù)可比性，消除量綱影響，需要對各致災因子進行標準化處理[14-17]，公式為：Xi=X′i-∑ni=1（X′i-）2n（2）處理后的標準化致災因子最小值為0，最大值為1，其與原數(shù)值相比，只是數(shù)據(jù)形式的變換，將因子處理成量綱為1，保留了因子的統(tǒng)計學和生物學意義[18]，且不影響數(shù)據(jù)研究及分析工作。

2.3確定凍害臨界氣溫

趙靜等[19-21]針對臨潼石榴受凍特點做出研究，并提出-10 ℃是臨潼石榴受凍的臨界溫度，因此，本文確定-10 ℃為臨潼石榴主栽產(chǎn)品凍害的臨界氣溫，即當最低氣溫≤-10 ℃時，石榴凍害過程開始。

3結(jié)果分析

3.1確定凍害致災因子

本文主要分析了凍害過程極端最低氣溫、持續(xù)日數(shù)、有害積寒、日最低氣溫降溫幅度等[22-24]以氣溫作為主要分析對象的氣象因子。通過各因子與凍害實例進行相關(guān)分析，結(jié)果（見表1）表明：過程極端最低氣溫（X1）、≤-10 ℃低溫持續(xù)日數(shù)（X2）、日最低氣溫≤-10 ℃的過程有害積寒（X3）、≤-10 ℃過程降溫幅度（X4）等與石榴凍害均為顯著相關(guān)關(guān)系[25]。由于研究選取的4個致災因子是基于臨潼石榴災情調(diào)查分析的結(jié)果，因此，各個致災因子具有一定的代表性。

3.2計算臨潼石榴凍害綜合氣候指標

通過計算各個致災因子間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，4個致災因子中除了X4以外的其余致災因子，兩兩間均呈顯著相關(guān)，且達到0.05顯著性水平（見表1），這表明X1、X2、X3之間互有影響，并不獨立，適合運用主成分分析法進行數(shù)據(jù)分析。

因此，采用主成分分析方法時，對X1、X2、X3這3個致災因子進行綜合簡化并構(gòu)建公式。將各致災因子進行標準化處理，運用R統(tǒng)計軟件中的主成分分析函數(shù)，對標準化后的石榴凍害3個致災因子X1、X2、X3序列進行分析（見表2），提取第1個主成分，其累計方差貢獻率已經(jīng)達到84.6%，說明第1個主成分能夠充分代表數(shù)據(jù)間的波動原因。

通過求解正交矩陣Q（見表3），可構(gòu)建臨潼石榴凍害綜合氣候指標Z，表示為：

Z=0.585X1-0.560X2-0.586X3（3）

因為主成分表達式中系數(shù)的正負本身并沒有實際意義，有意義的是不同主成分之間統(tǒng)一變量的系數(shù)大小：由式（3）可知，在第1個主成分中，3個變量的系數(shù)比較接近，這意味著第1個主成分是對3個變量的綜合測度，即體現(xiàn)3個致災因子的信息。

凍害綜合氣候指標Z與冬季極端最低氣溫X1呈正相關(guān)關(guān)系，而與X2、X3呈負相關(guān)關(guān)系，即表明冬季極端最低氣溫越低，≤-10 ℃低溫持續(xù)日數(shù)越多、≤-10 ℃有害積寒越大，則凍害綜合氣候指標Z越小，這與臨潼石榴實際發(fā)生的凍害過程一致。

3.3凍害綜合氣候指標分級

K-means聚類分析是經(jīng)典的聚類算法，常應用在氣象數(shù)據(jù)分析和農(nóng)業(yè)氣象災害等級劃分等方面[26-29]。本文采用R統(tǒng)計軟件中的K-means聚類分析函數(shù)，通過分析37個凍害等級對應的凍害綜合氣候指標，并獲取各凍害等級對應的Z值，研究中選擇凍害綜合氣候指標作為聚類分析的變量，1996—2020年臨潼區(qū)石榴產(chǎn)量數(shù)據(jù)作為標識變量，聚類數(shù)分為3類，初始類中心按照系統(tǒng)指定方式確定。結(jié)果表明：3個聚類中心點經(jīng)過2次迭代后，得到最終的各聚類中心分別為-6.77，-7.56，-8.36（見圖1）。由此可知，臨潼石榴的輕度、中度、重度凍害綜合氣候指標分級分別為-7.56≤Z<-6.77，-8.36≤Z<-7.56，Z<-8.36，在業(yè)務應用中設置相應風險等級顏色，輕度用藍色表示、中度用黃色表示、重度用紅色表示（見表4）。18C28418-DC83-4079-8820-5389436BE7FA

3.4典型年對比驗證及網(wǎng)格預報應用

3.4.1典型年份對比驗證

通過結(jié)合臨潼石榴畝（667 m2）產(chǎn)數(shù)據(jù)與凍害綜合氣候指標對應關(guān)系發(fā)現(xiàn)，凍害綜合氣候指標及其分級與實際發(fā)生的凍害情況較吻合，即可用凍害綜合氣候指標分析臨潼石榴遭受凍害的程度，并對畝（667 m2）產(chǎn)記錄未知年份和歷史災情進行驗證。

1）計算1991-1993年凍害綜合氣候指標Z發(fā)現(xiàn)，1991年Z值為-14.71，達重度凍害;1992年Z值為-9.50，達重度凍害;1993年Z值為-8.78，達重度凍害。根據(jù)查閱資料和走訪調(diào)查，1991年臨潼石榴遭受了歷史上毀滅性災害，驗證了臨潼石榴在相應年份遭受的凍害等級。

2）2020年凍害綜合氣候指標Z值為-8.44，達重度凍害。根據(jù)園區(qū)調(diào)查，由于2020年冬季石榴樹體受凍，造成石榴果量減少，減產(chǎn)明顯，通過z值驗證。

3.4.2精細化網(wǎng)格預報應用

為更好將指標及分級應用于氣象服務，選取2020年12月27-31日降溫過程為對象模擬進行石榴精細化網(wǎng)格預報服務。

應用個例：臨潼區(qū)氣象臺發(fā)布重要天氣報告，受高空偏南暖濕氣流和北方冷空氣南下影響，預計12月27-31日將有一次降雪、吹風、強降溫天氣過程。27日晚-28日城區(qū)有小雪，南部山區(qū)小到中雪，28-30日有5級左右偏北風，陣風可達6級，30-31日最低氣溫北部平原-10～-8 ℃，南部山區(qū)-12～-10 ℃。

精細化網(wǎng)格預報30日、31日2：00后均出現(xiàn)可能影響石榴生長的凍害溫度，根據(jù)公式（3）計算Z值為：城區(qū)-6.97，為輕度風險;山區(qū)-8.73，為重度風險（見表5）。

根據(jù)表5，基于臨潼GIS地圖制作臨潼區(qū)石榴產(chǎn)區(qū)受凍風險圖用于氣象服務，為石榴生產(chǎn)管理提供保障服務（見圖2）。

4討論與結(jié)論

1）影響石榴凍害的主要氣象因子為極端最低氣溫、低溫持續(xù)日數(shù)和低溫過程有害積寒。將3個致災因子進行標準化處理后，得到的石榴凍害綜合氣候指標，包括：輕度，-7.56≤Z<-6.77;中度，-8.36≤Z<-7.56;重度，Z<-8.36。

2）通過典型年對比驗證及智能網(wǎng)格預報應用，石榴凍害綜合氣候指標能較好的預報預測石榴凍害風險，為氣象服務石榴高質(zhì)量發(fā)展提供模式支撐。

3）由于引起果樹凍害的因子復雜，且凍害程度還和植物學因子的有關(guān)[30-32]。本文目前只針對影響石榴凍害重要的氣象因子—氣溫進行了分析，暫未對臨潼石榴遭受凍害后的植物生理指標進行測定。其他氣象因子對石榴凍害的影響程度及其指標建立和等級劃分等工作，還有待今后進一步研究。

4）隨著國內(nèi)外石榴品種軟籽化發(fā)展趨勢，此模式將根據(jù)臨潼主栽品種的變化和服務需要及時修訂和完善。

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收稿日期：2022-03-10

基金項目：西安市科技局“科技+”行動計劃農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)項目（項目編號：XA2020-NYJSYF-0001）

第一作者簡介：趙靜（1974-），女，陜西白水人，大學本科學歷，副研級高工，主要從事農(nóng)業(yè)氣象服務研究。電話：13609180183;E-mail：359289309@qq.com18C28418-DC83-4079-8820-5389436BE7FA