蘭溪枇杷花果期低溫凍害預報模型初探

簡單，陸韜，邵小衛，金楊

(蘭溪市氣象局，浙江 蘭溪 321100)

蘭溪市為亞熱帶季風氣候，光熱資源豐富，具有春季回溫早、增溫快、積溫高、雨熱同步等氣候特點，滿足枇杷生長所需的溫暖濕潤、陽光充足的氣候條件[1]。因其傳統名果優勢明顯，蘭溪枇杷獲得農業農村部地理標志登記保護。枇杷是蘭溪的特色農產品之一，種植面積達1 330 hm2，年產量7 000 t，主要分布在女埠、黃店、橫溪等中北部地區，其中以女埠街道的穆塢枇杷最為出名，穆塢枇杷指的是穆塢村內種植的枇杷，該村種植枇杷已有近百年歷史，被譽為“華東枇杷第一村”[2]。

枇杷自每年的10月起頭花開放至次年2月上旬三花開畢，花期持續時間較長，12月上旬幼果初生，氣溫恰是向一年中最冷時段發展，在這樣的氣候條件下，枇杷花、果極易遭受低溫凍害[3-4]。加上近些年極端氣候增多[5-6]，極端低溫的出現對枇杷的生長發育、產量形成、品質塑造等也產生了一定影響。尤其是2020年枇杷受強寒潮天氣影響，減產近半，種植戶損失慘重。盡管通過枇杷保險農戶獲得理賠金額134.82萬元，但是對于受損農戶而言，仍舊是杯水車薪。基于這種情況，充分利用枇杷種植重點區域的氣象觀測站實時監測數據，能夠很好地起到觀測、評估與預防枇杷低溫凍害的作用[7]。

本文使用蘭溪市枇杷種植重點區域內氣象觀測站(甘溪、花塘、黃店、穆塢)逐時最低氣溫觀測資料，與蘭溪國家氣象觀測站同期觀測數據進行對比研究，根據氣象行業標準《枇杷凍害等級》的低溫指標，分析枇杷花果期最低氣溫變化情況，以及不同等級低溫凍害日數的變化特征，結合容易發生枇杷低溫凍害的天氣特征，探索建立枇杷低溫凍害預報模型，及早做好監測預警服務，并通過短信、微信、電視等渠道提醒枇杷種植戶及早做好相關防御，為果農們防范低溫凍害做好氣象服務與災害自救工作。

1 材料與方法

1.1 氣象站

本文選用蘭溪市枇杷種植重點區域內氣象觀測站K6174(甘溪站)、K6217(花塘站)、K6297(黃店站)、K6303(穆塢站)和58548(蘭溪市國家氣象觀測站)氣象資料，進行統計分析。

1.2 枇杷花果期

咨詢蘭溪本地農業專家后，根據蘭溪市內枇杷的種植特點，將10月至次年2月上旬定為枇杷開花期，12月至次年4月下旬定為枇杷幼果生長(發育+膨大)期。枇杷開花期和幼果期持續時間長，且時間跨度上有交集，故本文將枇杷花果期確定為10月至次年4月[8]。

以2020年的10月至次年4月枇杷花果期逐時氣象觀測資料為分析對象，選取蘭溪枇杷種植重點區域內氣象觀測站中最低氣溫逐時觀測數據進行分析，若數據中有缺測值，則選用同一站點前后時次的數據進行差值補齊。

1.3 數據處理

統計分析采用SPSS 24.0以及Excel 2007進行。

1.4 枇杷低溫凍害指標

根據氣象行業標準《枇杷凍害等級》[9]，最低氣溫是判斷枇杷花果期是否遭受低溫凍害最重要的氣象要素，結合蘭溪當地枇杷生長氣候特征和農業專家意見[10]，把10月至次年2月上旬確定為本地枇杷開花期，并根據最低氣溫，將枇杷開花期低溫凍害劃分為輕度(最低氣溫>-4～-3 ℃)、中度(最低氣溫>-5～-4 ℃)、重度(最低氣溫>-6～-4 ℃)和極重(最低氣溫≤-6 ℃)；將12月至次年4月確定為當地枇杷幼果期，低溫凍害氣象指標根據最低氣溫劃分為輕度(最低氣溫>-2.5～-1.0 ℃，時間≤3 d)、中度(最低氣溫>-3.5～-2.5 ℃，時間≤3 d或>-2.5～-1.0 ℃，時間>3 d)、重度(>-4.5～-3.5 ℃，時間≤3 d或>-3.5～-2.5 ℃，時間>3 d)和極重(最低氣溫≤-4.5 ℃，時間≤3 d或最低氣溫>-4.5～-3.5 ℃，時間>3 d)4個等級。

1.5 天氣類型劃分

將天氣類型按日平均總云量(指云遮蔽天空視野的占比)的多少分為晴天(日平均總云量0%～<20%)、少云(日平均總云量20%～<50%)、多云(日平均總云量50%～<80%)、陰(雨雪)(日平均總云量≥80%)4種天氣類型。

2 結果與分析

2.1 最低氣溫變化特征

2.1.1 最低氣溫日變化特征

由枇杷花果期最低氣溫的日變化曲線(圖1)可以看出，各站的最低氣溫日變化趨勢總體較為一致，日變化呈單峰曲線，表現為先降后升再降的趨勢。夜間輻射降溫，0—6時氣溫緩慢降低，氣溫最低點出現時間基本集中在6時左右；日出后氣溫隨太陽輻射的增強而升高，6—14時氣溫逐漸升高，氣溫最高點出現時間在14—15時(午后)，而后氣溫逐漸降低。其中甘溪在7—14時升溫幅度最快，主要是甘溪周圍下墊面為硬化地(植被不密集)，這使得該處有更大的吸熱率和更小的比熱容，即升溫較快。最低氣溫由低至高為穆塢<甘溪<黃店<花塘，主要是海拔高度的影響，在底層大氣中，氣溫隨高度的增加而降低，海拔高度為穆塢(120 m)>甘溪(64 m)>黃店(50 m)>花塘(42 m)。8—15時蘭溪氣溫低于枇杷種植區域內的自動站，而在傍晚—夜間—凌晨氣溫明顯高于其他4個氣象站，蘭溪氣溫最高點出現時間較自動站滯后約1 h，主要是蘭溪站周圍建筑密集，造成熱島效應。

圖1 最低氣溫日變化曲線

2.1.2 不同天氣類型最低氣溫日變化特征

由圖2可以看出，在不同天氣類型下，即晴天、少云、多云、陰(雨雪)，最低氣溫日變化仍呈單峰形曲線，變化趨勢總體較為一致，晴天氣溫總是最高，其次為少云、多云，陰(雨雪)天最低，最低氣溫晝夜變化幅度差異顯著。晴天最低氣溫日較差較大，最大甘溪達到15.9 ℃，其中6時出現最低值3.5 ℃，14時出現最高值19.4 ℃。少云天氣時的最低氣溫變化幅度有所減緩，最低氣溫日較差最大的甘溪達到11.1 ℃，夜間最低氣溫升高直接導致氣溫日較差的減小。如6時甘溪最低氣溫為8.4 ℃，較晴天3.5 ℃升高了4.9 ℃。多云天氣時的最低氣溫變化幅度更為緩慢，日較差最大為甘溪僅4.9 ℃。陰(雨雪)天時，最低氣溫變化幅度最小，趨于平緩，日較差最大為甘溪有3.7 ℃，最小為蘭溪只有2.7 ℃。甘溪谷值在5時為12.2 ℃，峰值在13時為15.9 ℃，氣溫日變化起伏不大。但是在不同的天氣類型下，都是甘溪晝夜溫差最大，蘭溪溫差最小。

圖2 不同天氣類型最低氣溫日變化曲線

2.1.3 最低氣溫月變化特征

由枇杷花果期平均最低氣溫(表1)可以看出，發生低溫凍害的時間段主要集中在12月和1月。其中蘭溪最低氣溫最高，穆塢最低氣溫最低。從極端最低氣溫分布情況來看，1月氣溫最低，最低站為甘溪站，僅-9.4 ℃。

表1 枇杷花果期月最低氣溫

2.1.4 夜間最低氣溫變化影響

對于枇杷花果期而言，最低氣溫是花果受凍害的最主要因素。夜間是最低氣溫下降最明顯的時間段，相較于白天，夜間最低氣溫下降幅度大，且持續時間長，在每天的5—7時多為日最低氣溫出現的時段，若不能提前預測最低氣溫，待到溫度降至最低后采取防御措施，將會給種植戶帶來損失。

2.2 枇杷花果期低溫凍害程度

2.2.1 枇杷開花期低溫凍害程度分析

由表2可知，在開花期，枇杷種植區域內平均凍害日數為11.3 d，蘭溪為5.0 d，其中甘溪站發生凍害的日數最多，達13.0 d，且極重凍害日數為7.0 d，占總凍害日數的50%以上。

表2 枇杷開花期不同等級低溫凍害日數

由圖3可以看出，凍害發生在12月下旬至1月中旬，區域站與國家站最低氣溫的變化趨勢基本一致。在1月上、中旬，這5個站之間差異顯著。1月上旬出現了最低氣溫的谷值，且枇杷凍害日數也是1月上旬最多，是枇杷開花期遭受凍害最為嚴重的時候。從花期特性來看，枇杷三花(1月上旬至2月上旬開放的花)遭受凍害的可能性最大，平均時間9.5 d，遠超于二花(11月下旬至12月下旬開放的花)和頭花(11月中旬以前開放的花)。

圖3 蘭溪枇杷開花期低溫凍害變化特征

2.2.2 枇杷幼果期低溫凍害程度分析

由表3可知，在幼果生長期，枇杷種植區域內平均凍害日數為18.0 d，蘭溪最少為11.0 d，其中花塘站發生凍害的日數為15.0 d，其他3個站均為19.0 d，且極重凍害甘溪、穆塢站都為9.0 d，占總凍害日數近50%。

表3 枇杷幼果生長期不同等級低溫凍害日數

由圖4可以看出，凍害發生在12月中旬至1月中旬，區域站與國家站最低氣溫的變化趨勢基本一致。在1月上、中旬，這5個站之間差異顯著，在1月上旬出現了最低氣溫的谷值，枇杷凍害日數為1月上、中旬最多。

圖4 蘭溪枇杷幼果期低溫凍害變化特征

2.3 枇杷花果期低溫凍害預報模型

以2020年10月至次年4月蘭溪枇杷重點種植區域氣象站觀測數據為建模系列，分為不區分天氣類型以及區分天氣類型(晴天、少云、多云、陰天)，分別建立基于蘭溪站溫度的枇杷低溫凍害線性預測方程[11]。枇杷花果期種植區域內氣象觀測站與蘭溪國家氣象觀測站最低氣溫符合顯著正相關關系，即最低氣溫的變化趨勢是一致的，相關系數在0.95以上，低溫預測回歸方程的決定系數均在0.90以上，預測效果較好。其中，在晴天時，不區分天氣類型預測方程的決定系數比區分天氣類型的要高；在少云時，甘溪、花塘、穆塢的預測方程決定系數比不區分天況時要低。故將決定系數高的預報模型替代決定系數低的預報模型，以達到最佳的預測效果，得到如下的枇杷最低氣溫預報模型(表4)。

表4 枇杷最低氣溫預報模型

為了進一步驗證各模型在推算枇杷遭受低溫凍害時溫度的可靠性，利用2019年12月—2020年2月觀測數據對預報模型進行檢驗。由于檢驗時段還未有云量數據，無法對天氣類型進行分類，由于不區分天氣類型的預測模型決定系數比區分天氣類型要低，故可以先對不區分天氣類型的預測模型進行初步檢驗，若預測效果好，則說明在區分天氣類型時，預測效果更好。由誤差統計參數計算結果(表5)可見，各模型的誤差算數平均值接近1 ℃。其中誤差絕對值79%以上在2 ℃以內，50%以上在1 ℃以內，預測效果較好，若區分天氣類型后帶入預測模型中進行計算，預測效果會更好。

表5 最低氣溫預測檢驗

總的來看，枇杷低溫凍害大多發生在雨雪后轉晴，干冷空氣補充導致低溫的發生。天氣形勢高空為“兩槽一脊”、地面處“L”型高壓前底部，夜間晴空輻射使得降溫明顯，對枇杷花果產生低溫凍害。這些在數值預報中都能提前預報。

所以，在一般情況下，根據對未來天氣的預報來劃分天氣情況，然后根據預報蘭溪的最低氣溫大致推算出蘭溪枇杷種植區域中離氣象觀測站最近的點的最低氣溫情況，而后判別凍害類型，可提早開展枇杷低溫凍害監測預警服務并采取相應的防御措施。

3 小結

通過最低氣溫可以判斷出枇杷花果期是否遭受低溫凍害及凍害程度。晴天最低氣溫變幅最大，陰(雨雪)天變幅較小。12月至1月為枇杷花果期遭受凍害最嚴重的時候，三花期受凍害的概率最高，幼果期在1月份受凍害的可能性最大。

枇杷低溫凍害大多發生在高空為“兩槽一脊”、地面處“L”型高壓前底部天氣形勢下，出現此類天氣，可以提早開展相關預報及服務。利用低溫預報模型，預估出蘭溪枇杷重點種植區域內冷空氣襲來后的最低氣溫，判斷其凍害等級，提早采取枇杷對應凍害防御措施，減輕凍害對種植戶造成的經濟損失。

本研究建立的預測模型采用的是一元回歸統計方法，僅選用氣象站溫度一種因子，過于單一，且預測精度也需提高，后期可從氣象大數據方面考慮建立基于多氣象要素的枇杷低溫凍害預測模型，在方法上也需采取更為先進的模型算法，做好模型訂正，使模型更加準確。