紹興市柯橋區霜現象氣候特征及出現概率預報方法

周弘媛，鄭選軍，楊欣潔

紹興市柯橋區氣象局

霜凍害是指在早春或晚秋時節，氣溫突然下降危害作物生長，繼而影響作物經濟效益的一種農業氣象災害。為科學提升作物霜凍防御能力，我國學者進行了大量研究。金志鳳等諸多學者結合茶樹、枇杷、冬小麥等作物開展霜凍害氣候指標建立和風險分析［1-4］。受全球氣候變化的影響，浙江省氣候發生變化，暖冬明顯，茶葉等作物萌動提前，春霜凍害也呈現出多發重發態勢［5-6］，嚴重威脅作物生產安全?！对降夭枋贰吩敿氂涗浟?998—2018年霜凍、倒春寒等災害對柯橋名優茶、特早生和部分早生兩種茶樹等造成的嚴重影響，僅2015—2018年，試點階段觸發茶葉低溫氣象指數保險10次，理賠金額達172萬元。因此，準確地開展霜現象出現概率預報方法研究，對指導農業生產采取有效應對措施，提升農業生產經濟效益意義重大。

眾多學者開展了霜凍災害方面的研究，一些學者從初霜、終霜的氣候變化特征及對農業生產的影響進行分析［7-10］；一些學者從大氣環流形式、初霜早晚與氣象因子內在關系、數理統計規律等方面開展初霜凍預報方法研究［11-12］；也有學者通過單次霜凍災害的調研來分析驗證低溫霜凍評估指標的準確性，但較少關于霜凍天氣預報的研究。霜期持續時間較長，農業部門和種養大戶無法長時間開展大范圍霜凍防御措施，尤其是作物生長后期遭遇霜凍，將帶來巨大損失，因此，有必要對霜現象進行科學預測。本文以紹興市柯橋區為研究對象，探討其霜現象的氣候特征，并研究出現概率的預報方法，為農作物生產防災減災提供可靠的參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料

柯橋國家站1981—2017年逐日溫度、濕度、風、降水、日照等要素資料及霜現象觀測資料，其中1981—2010年觀測資料用以建立霜現象出現概率預報方程，2011—2017年觀測資料用以檢驗預報方程的效果。

1.2 方法

為建立準確、有效的出霜概率預報方程，本文定義了全要素擬合、大系數擬合、高相關擬合三種擬合預報方式。其中，全要素擬合指將所有可能影響霜現象的氣象要素與霜現象開展的擬合預報；大系數擬合指全要素擬合中擬合系數較大（≥0.002）的氣象要素對霜現象的擬合預報；高相關擬合指與關系密切的氣象要素（相關系數≥0.3）對霜現象的擬合預報。

2 霜現象氣候特征

2.1 常年（1981—2010年）特征

柯橋區常年霜日37.8 d，最多為53 d（1995和2003年），最少為19 d（2007年）；常年初霜日在11月21日，最早在10月30日，最晚在12月15日；常年終霜日在3月12日，最早在2月4日，最晚在4月16日。因此，本文將可能出霜時段（10月至次年4月）定義為霜期。

2.2 年（代）際特征

1961—2017年，霜期的初終日期年際變化明顯，具體特點如下：終霜日較常年偏遲20 d以上的個例均出現在20世紀90年代以前，終霜較常年偏早20 d以上的個例均在21世紀之后，終霜日有0.5 d/y的提前趨勢。其中，20世紀60年代和70年代，終霜晚于常年終霜日的比例達90%，有6年終霜日在4月，較常年嚴重偏遲；20世紀80年代，終霜期變動較大，1985年與1987年的終霜日相差53 d；20世紀90年代起終霜日較常年開始提前，21世紀以來終霜日提前明顯，71%的年份終霜早于常年終霜日。初霜期也存在類似現象，初霜日總體有每年延后0.3 d的趨勢，初霜較常年偏遲20 d以上的個例均在21世紀之后，初霜較常年偏早20 d以上的個例均在20世紀90年代以前。年霜日呈現出波動減小的趨勢，總體表現為每10年減少2 d，尤其是21世紀以來，減少趨勢明顯，2006年以來，年霜日普遍低于常年值。

3 霜現象與最低氣溫的相關性

檢驗各氣象要素和霜現象的相關性發現，僅日最低氣溫的相關性高于50%，故預判日最低氣溫為霜現象出現的主要因子。

為深入了解日最低氣溫與霜現象的關系，本節分低溫段繪制1981—2010年霜現象出現概率，水平參照線分別表示5個出霜概率：可能性極低、可能性較小、有可能、可能性較大、可能性很大。發現：當日最低氣溫高于6 ℃時，無霜；當日最低氣溫為4.5～6 ℃時，出現霜的可能性極低；當日最低氣溫為3～4.5 ℃時，出現霜的可能性較小；當日最低氣溫為1.5～3 ℃時，可能出現霜；當日最低氣溫為-0.5～1.5 ℃時，出現霜的可能性較大；當氣溫低于-0.5 ℃時，出現霜的可能性很大。日最低氣溫與出霜概率有較好的對應關系，下文將根據最低氣溫分段開展霜現象預報研究。

4 霜現象預報方法

4.1 預報規則

為提高霜概率預報公式的可用性，本段通過全要素擬合、大系數擬合、高相關擬合三種擬合方式對柯橋國家站（58453）1981—2010年霜期，且日最低氣溫低于6 ℃的分析樣本開展分段研究分析，并參照TS評分方法統計了各擬合結果的準確率、空報率和漏報率。分析發現，該方法無漏報現象，低溫和擬合閾值相同的情況下，三種擬合方式擬合結果的準確率差距較小，80%的準確率差異低于0.01，10%的準確率差異大于0.02，最大為0.04；各低溫段與霜現象相關性較大的氣象因子差異較大，當日最低氣溫低于-0.5 ℃時，日平均氣溫、日最高氣溫、日最大相對濕度等11個氣象因子的相關性高于0.3，當日最低氣溫為1.5～3 ℃時，僅日平均氣溫、日最高氣溫、日平均相對濕度等7個氣象因子的相關性高于0.3，當日最低氣溫為4.5～6 ℃時，各氣象因子與霜現象的相關系數普遍低于0.2。因此，本文依托大系數擬合方式（以下簡稱擬合）開展較簡便、準確的霜現象出現概率擬合預報。

分析1981—2010年霜期擬合值，有如下結論：擬合值區間為-0.75～0.97，其中正負一個標準差的區間（-0.2～0.5）占比86%，具有較明顯的正態分布特征；當且僅當擬合值大于等于0.2時，才有霜；擬合值在不同低溫段代表的準確率不同，即代表的出霜概率不同；各低溫段，均有擬合值越高，出現霜的可能性越大的特征；日最低氣溫為3～4.5 ℃時，擬合值普遍低于0.6，但擬合值高于0.5時，出現霜的概率仍可達80%；日最低氣溫高于4.5 ℃時，擬合值普遍低于0.2，且與霜無明顯關系，與該溫度下無高相關氣象要素結論一致，鑒于該低溫段霜出現的概率低于2%，故當預報最低氣溫高于4.5 ℃時，默認不可能出現霜。

表1 1981-2010年霜現象擬合概率表 單位/%

為做好霜出現概率分級預報，將出霜概率分為極有可能、很可能、有可能和不可能四級，檢驗常年霜現象擬合值發現，極有可能出霜的準確率達98%，很可能出霜的準確率達88%，有可能出霜的準確率為35%，不可能出霜的準確率達98%，可見上述擬合規則能較準確的預報霜出現概率。

4.2 預報檢驗

本段用該預報方法對2011—2017年霜現象做進一步檢驗，發現：與常年資料有類似的結論，當日最低氣溫高于6 ℃時，無霜；當日最低氣溫為5～6 ℃時出現霜的可能性極低，當日最低氣溫在2.5～4 ℃時出現霜的可能性較小，當日最低氣溫在-0.5～2.5 ℃時可能出現霜，當日最低氣溫在-0.5 ℃時出現霜的概率較大。另外，計算2011—2017年霜期霜現象擬合概率，極有可能出霜（＞=95%）的準確率達90%，很可能出霜（60%～95%）的準確率達80%，有可能出霜（50%～60%）的準確率為32%，不可能出霜（＜5%）的準確率達95%，總體表現較好。對《越地茶史》、區農業局茶葉霜凍記錄時段的預測效果檢驗正確率幾乎達100%，完全可以在業務上應用與推廣。

5 討論

2011—2017年霜現象預測的效果檢驗較好，極有可能出霜的準確率達90%，很可能出霜的準確率達80%，有可能出霜的準確率為32%，不可能出霜的準確率達95%；另外，1998—2018年有茶葉致災霜凍記錄時段的預測效果檢驗正確率幾乎達100%，滿足業務服務。

1961—2017年霜期的初終日期年際變化明顯，終霜期有0.5 d/y的提前趨勢，初霜日有0.3 d/y的延后趨勢，導致年霜日呈波動減小趨勢，總體表現為每十年減少2 d，尤其是本世紀以來，減少趨勢明顯，2006年以來年霜日普遍低于常年值（37.8 d）。

霜現象出現概率預報方程算出霜出現概率，具有方法簡便、原理明確、易掌握等特點，后期為提升出霜概率預報的準確性，將結合高低空環流形式開展進一步研究分析。