遼西北霜期氣候變化及氣象服務對策

趙凌塵，王祿祿，趙胡笳，張夢佳，王賽頔，馬 林，劉玉徹，劉振宏

（1遼寧省氣象裝備保障中心，沈陽 110166；2遼寧省鐵嶺市氣象局，遼寧鐵嶺 112000；3中國氣象局沈陽大氣環境研究所，沈陽 110166；4遼寧省人工影響天氣辦公室，沈陽 110166；5遼寧省氣象服務中心，沈陽 110166）

0 引言

霜期農業是利用冷涼時期的氣候資源，通過日光溫室或塑料大棚開展的工程農業，以解決工業用地和農業用地的矛盾，充分利用氣候資源和土地資源，增加提升復種指數，控制農業生產環境，適應和減緩不利氣候變化的影響，實現“菜籃子”工程[1-3]。在霜期農業生產過程中，掌握氣候變化，對災害性天氣的預防非常必要，設施農業的進展與擴大需要氣象的跟蹤及預測服務。當前一些常規天氣預報服務已經不能滿足設施農業生產的需求，必須建立適應設施農業氣象專業服務體系，實現設施農業精細化管理的需求和目標[4-6]。祝青林等[7]針對大連設施農業氣象災害的趨勢和風險進行了分析，認為隨著氣候變暖寒潮和大風在減少，而寡照天氣對于設施農業影響最突出。李建新[8]分析山西冬季大風、強降溫、降雪等災害性天氣頻發，日光溫室嚴重受損，總結出蔬菜災害性天氣的防范措施。陳思寧等[9]總結設施農業災害現狀，提出農業氣象災害風險評估方法、模型、技術的解決方案新模式。高浩等[10]研究表明設施農業的飛速發展催生了設施農業氣象服務的新領域，提出建設設施農業氣象監測預警和服務網絡體系，推動設施農業可持續發展。霜期設施農業受氣候的影響，具有明顯的地域性差異[11-13]，從分析、掌握地方氣候變化入手，建設霜期農業氣象服務的評估、監測、預警體系是霜期農業平穩發展的氣象保障。隨著現代科技的發展，GIS、INTERNET和遠程無線監控技術的進步，為霜期農業氣象精細化服務提供了支撐。本研究在分析遼西北地區霜期氣候變化以及不利的氣象條件對霜期設施農業影響的基礎上，針對霜期設施農業氣象的服務現狀，探討存在的問題，提高霜期設施農業氣象服務水平，并提出相應對策，旨在為霜期農業防災減災及農業可持續發展保駕護航提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 資料來源

采用1951—2020年遼西北地區（朝陽、葉柏壽、阜新、鐵嶺、東陵、新民、遼中）氣象觀測資料，分別統計10月—翌年4月霜期各月日照時數，太陽總輻射，平均氣溫，平均最高氣溫、平均最低氣溫，極端最低氣溫，降水量（雪）、陰天日數（總云量≥8成），大風日數（≥6級）。

1.2 分析方法

采用一元線性回歸（最小二乘法）計算氣候要素隨時間的變化速率，并采用序列相關系數進行顯著性檢驗，見文獻[14]。

2 結果與分析

2.1 霜期變化

根據中國氣象局《氣象災害預警信號發布與傳播辦法》第16號令[15]規定，氣溫在＜2°C及以下為霜凍指標。從初霜（秋季）到終霜（春季）的連續天數為霜期。遼西北地區初霜平均出現在10 月7 日，終霜平均止于4 月25 日，有霜期174 d（1998 年）～225 d（1969 年），平均201 d。由圖1 可見，遼西北地區霜期以-2.495 d/10 a 的傾向率在縮短，序列相關(r＝-0.441；P＜0.01)達到極顯著水平，在1951—2020年的70 a里霜期線性縮短17.5 d，近30 a（1991—2020 年，下同）同比前40 a（1951—1990年，下同）霜期平均縮短9 d。

圖1 遼西北1951—2020年霜期變化趨勢

2.2 霜期氣溫變化

遼西北地區霜期在10月—翌年4月，此時期歷年平均氣溫在-3.1℃（1957年）～1.4℃（1998年）之間，累年平均值為-0.8℃。由圖2所示，霜期氣溫以0.245℃/10 a的傾向率升高，序列相關(r＝0.543；P＜0.01)達到極顯著水平，在1951—2020年的70 a里霜期氣溫線性升高1.7℃，近30 a同比前40 a霜期平均升高0.8℃。遼西北地區霜期氣溫標準偏差為±0.9，屬于不穩定變化，給霜期設施農業生產管理帶來難度。

圖2 遼西北1951—2020年霜期平均氣溫變化趨勢

遼西北地區1—2 月最寒冷，極端最低氣溫波動在-33.1℃（2001 年）～-15.0℃（2007 年）之間，累年平均值為-22.8℃，極差為18.1℃。由圖3所示，氣候傾向率為0.929℃/10 a，序列相關(r＝0.498，P＜0.01)達到極顯著水平，1951—2020年線性升高6.5℃，近30 a同比前40 a極端最低氣溫平均升高3.6℃。極值氣溫均出現在2000年之后，雖然平均氣溫在升高，但極端溫度更為突出。

圖3 遼西北1951—2020年極端最低氣溫變化趨勢

2.3 霜期光照變化

光照是霜期設施農業的主要熱能來源。遼西北地區霜期日照時數在1079 h（2003 年）～1514 h（1960 年）之間，累年平均日照時間1306 h，占全年的53.0%。由圖4可示，霜期日照時數呈明顯減少趨勢，氣候傾向率為-28.823 h/10 a，序列相關(r＝-0.580，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020年線性減少202 h。近30 a同比前40 a日照時數平均減少105 h。

圖4 遼西北1951—2020年霜期日照時數變化趨勢

12 月至翌年2 月是霜期設施農業生產的關鍵期，此時日照制約著設施農業生產的成敗。遼西北12 月至翌年2 月日照時數在382 h（2001 年）～628 h（2008年）之間，累年平均為489 h，占霜期的37.4%。霜期日照時數呈明顯減少趨勢（圖略），氣候傾向率為-8.632 h/10 a，序列相關(r＝-0.340，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020年線性減少60 h。近30 a同比前40 a日照時數平均減少26 h。

霜期太陽總輻射在76.49 MJ/m2（2008 年）～83.53 MJ/m2（1967 年）之間，累年平均為80.33 MJ/m2，占全年的46.1%。圖5所示，氣候傾向率為-0.505 h/10 a，序列相關(r＝-0.325，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020年線性減少3.54 MJ/m2。近30 a 同比前40 a 太陽總輻射平均減少1.88 MJ/m2。

圖5 遼西北1951—2020年霜期太陽總輻射變化趨勢

12 月至翌年2 月太陽總輻射在26.90 MJ/m2（1987年）～31.05 MJ/m2（1963 年）之間，平均為28.46 MJ/m2，占霜期的35.4%。傾向率為-0.212 MJ/(m2·10 a)，序列相關(r＝-0.335，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020年線性減少1.484 MJ/m2。近30 a 同比前40 a 12 月至翌年2月太陽總輻射平均減少1.56 MJ/m2。

2.4 霜期降水

霜期降水（降雪）是設施農業生產的不利因素，降雪量大將成為災害對設施（大棚）施壓或損壞。遼西北地區1951—2020 年降水量在56.8 mm（1989 年）～304.3 mm（2010年），累年平均值為150.8 mm。圖6所示，霜期降水量呈增加趨勢，傾向率為8.833 mm/10 a，序列相關(r＝0.330，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020年線性增加61.8 mm。近30 a同比前40 a平均增加23.9 mm。

圖6 遼西北1951—2020年霜期降水量變化趨勢

12月—翌年2月寒冷期雨雪量過大造成危害最嚴重。遼西北1951—2020 年12—2 月降水量在4.9 mm（1996年）～68.7 mm（1990年）之間，累年平均為25.7 mm。傾向率為1.059 mm/10 a，序列相關(r＝0.118，P＞0.05)增加趨勢不顯著。近30 a（1991—2020 年）同比前40 a 12 月至翌年2月降水量平均增加4.0 mm。遼西北12月—翌年2月寒冷期降水量標準偏差為±15.53 mm，正常降水量為10.0～40.0 mm，1951—2020年多雨年(＞40.0 mm)有12年，幾率為17.1%，近30 a（1991—2020年）發生7 a，幾率為23.3%，相對于前40 a（1951—1990年）增加5.2個百分點。降水量≥5.0 mm為大雪，對霜期設施農業都有一定的影響，遼西北地區12月至翌年2月寒冷期大雪日數平均為3.5 d，最多8 d（2010年），出現3～4 d屬于正常，大雪日數氣候傾向率為0.024 d/10 a，呈弱增加趨勢。

2.5 霜期陰天

霜期陰天日數1951—2020 年最多達47 d（2002年），累年平均為25.4 d，標準偏差為±7.0 d，正常陰天日數為18～32 d，＞32 d 有11 a，幾率為15.7%，其中近30 a（1991—2020 年）占9 a，幾率上升到30.0%。圖7所示，1951—2010 年霜期陰天日數呈增加趨勢，氣候傾向率為2.268 d/10 a，序列相關(r＝0.622，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020 年線性增加15.9 d。近30 a比前40 a平均增加了10 d。陰天日數增加相對減少了光照時間，減弱了輻射能，日光溫室、塑料大棚內溫度下降，植物要承受低溫冷害，因此，陰天是霜期設施農業中最主要災害之一。

圖7 遼西北1951—2020年霜期陰天日數變化趨勢

2.6 霜期大風

6級以上為大風日對設施農業具有一定的破壞作用。遼西北地區霜期平均風速3.2 m/s，風速年變化屬冬季最小。霜期大風日1966年最多出現50 d，累年平均為11.1 d，超過20 d 的有11 a，均發生在1955—1969年之間。圖8所示，大風日數呈顯著減少趨勢，傾向率為-2.996 d/10 a，序列相關(r＝-0.590，P＜0.01)達極顯著水平，1951—2020 年線性減少20.9 d。從20 世紀50、60年代大風日平均23 d，70年代之后至21世紀10年代大風日減少至平均6 d/a，同比減少73.9%。21 世紀以來8級以上大風次數呈增加趨勢。

圖8 遼西北1951—2020年霜期大風日數變化趨勢

3 結論

隨著全球氣候變暖遼西北地區霜期存在延長趨勢，冬半年氣溫明顯升高熱能源增加，而光能資源在減少，陰天增多，暴雪增加，極端最低氣溫、極端大風天氣頻繁出現，給設施農業生產帶來風險。

遼西北包括鐵嶺、沈陽、阜新、朝陽等地區，該區域以丘陵山地為主，霜期設施農業發展較早，因受極端天氣的影響，多處設施農業處于癱瘓狀態，農業氣象服務勢在必行，應從研究入手，利用網絡系統搭建一系列設施農業氣象服務手段，促進恢復霜期設施農業生產。

4 討論

4.1 氣象條件對霜期設施農業的影響

綜上所述，隨著氣候變暖氣象要素隨之改變，遼西北地區霜期氣溫升高而不穩，極端氣溫天氣更顯突出，夏半年降水減少[16]，冬半年降水增加，陰天日數增加，日照時間減少，太陽總輻射減弱，大風日雖有減少但強度增加，形成了氣象要素新格局。霜期極端天氣現象對霜期設施農業影響顯著，開展霜期設施農業氣象服務勢在必行。

霜期設施農業與環境氣象要素密切相關，光溫水等極端天氣現象制約著設施農業的發展，災害性天氣具有強烈的地域性特征。此外，氣象災害的地域性特征，也決定了設施農業的發展和走向。極端最低氣溫、光照時間、陰天、大雪和大風等要素是霜期設施農業工程設計的重要參數。極端最低氣溫影響溫室選址、架構及保溫材料的選擇。光照、陰天則影響材料的透光性、位置、朝向的選擇。遼西北地區大風日數雖然減少，但強度依然，風鼓膜破，大雪壓塌骨架等毀壞設施[1,17]的案例常見。朝陽2007年3月4日大暴雪壓毀大棚，經濟損失3.2億元。因此，霜期設施工程設計、材料和強度的選擇離不開區域氣象條件的評估。當前氣候背景下，遼西北地區以及其他地區極端災害性天氣頻率和強度有增強趨勢[18-20]，設施工程設計要充分考慮寒潮冰雪天氣、大風、暴雨（雪）和冰雹災害的頻率和強度，提升防災減災理念。持續的連陰雨（雪）可造成植株徒長、座果率下降，久陰驟晴溫差大會使植株蒸騰加速，出現急速萎蔫凋枯死亡現象[21]。因此，氣象條件的變化對設施內環境影響的控制，對農業氣象服務提出新的要求。霜期設施農業是利用冬閑季節，運用可控的技術手段，實現集約、高效、可持續發展的生產方式[22-23]。在可控的設施農業層面仍然受不利氣象條件的影響，主要體現在區劃布局、環境控制、工程設計和能源節約等方面。

4.2 霜期設施農業氣象服務現狀和問題

隨著能源短缺，糧食生產安全矛盾的突出，霜期設施農業迅速發展，有效利用霜期氣候資源，提高防災減災能力，給農業氣象服務提出了新的要求。近年來，為適宜霜期設施農業生產的需要，不斷更新拓寬農業氣象服務方式方法，加強相關技術應用研究，建立具有地方特色的設施農業氣象預報系統，豐富了設施農業氣象服務手段。目前霜期農業氣象服務現狀，在區劃布局方面，局地建立了農業氣候資源庫，分析了農業氣象災害特征變化等。在環境調控方面，通過對設施內小氣候要素的采集，建立設施內外溫度的關系，指導設施調控及減災措施[24-25]。在設施農業氣象預報方面，基于網絡開展手機短信、“氣象121”為設施農業傳遞氣象預報信息，應對災害天氣，直接指導設施農業生產[4,10]。

在適應霜期設施農業的需求中，農業氣象服務研究取得了一定成果，但應對霜期設施農業現代化快速發展，農業氣象服務手段仍顯滯后。遼西北地區霜期設施結構以日光溫室、塑料大棚為主，由于設施設計很少考慮極端自然災害的影響，抗風、抗雪能力較差，缺乏設施農業工程氣象評估；缺乏農業氣候遠程監測和遠程服務管理；傳統的中、長期氣象預報對設施農業缺少針對性；缺少大氣候與設施農業小氣候相互關聯的分析與研究；缺少對設施農業內作物環境條件變化的研究；凸出的水肥管理造成小氣候的改變，使設施內病蟲害發生等與農業氣象服務相關的問題。

4.3 霜期設施農業氣象服務對策

在設施農業工程方面，充分掌握氣候資源與環境特點的同時，增加設施農業工程評估服務，重點在選址、設計、材料選配和抵抗氣象災害方面展開研究，為設施農業發展建設提供技術支撐；增設設施農業氣候自動監測網，提高設施農業的防災能力。

在環境控制方面，開展霜期設施內農作物小氣候監測，建立設施農作物指標系統，確定設施內外氣候變化影響預報模型，應用遠程環境監測智能系統結合臨近天氣預報實時氣象災害動態分析，通過網絡搭建專業化、動態化、多元化、精細化的霜期設施農業氣象服務預警平臺，提高防災減災能力。

在能源利用節能方面，評估氣候資源，科學區劃布局霜期設施農業區，充分利用遼西北地區的氣候資源；開展設施環境下種植、養殖與氣象環境因子的相互作用機制和對極值氣象要素的耐受性研究，為霜期設施農業溫光水等環境控制節能模式提供依據，為實現霜期設施農業的高效、高產、優質服務。

在適應氣候變化方面，研究極端氣候事件對設施農業影響最大程度和應對極端氣候事件的對策，建立評估、監測、預警霜期設施農業氣象災害業務一體化服務系統，預防極端氣象事件，減少設施農業的損失。隨著霜期設施農業的發展不斷更新、提高農業氣象服務質量，確保霜期設施農業可持續發展。