基于多源數據的北疆春季霜凍指標檢驗及其應用

張祖蓮，王命全，張山清，姚艷麗*，木沙江·艾代吐力，吐瑪熱色·吾拉木

（1.新疆大學，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆興農網信息中心/新疆農業氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；3.新疆教育管理信息中心，新疆 烏魯木齊 830049）

霜凍是指作物生長季土壤表面和植物表面溫度下降到0 ℃及以下，足以使植物遭受傷害甚至死亡的氣象災害。春季終霜凍出現愈遲，對農業的危害就愈嚴重[1]。霜凍是北疆主要的農業氣象災害，其發生頻次多、影響范圍大，對農業危害嚴重[2-3]，常造成嚴重的經濟損失。國內眾多學者對霜凍給農業帶來的災害進行研究[4-6]。北疆地區終霜凍對棉花苗期的危害要大于南疆，1989—2018 年新疆生產建設兵團八師墾區棉花播種期70%集中在4 月中旬，終霜風險達36.3%～41.4%，即使將播種期推至4 月26 日后，仍存在3.4%～8.6%的終霜凍風險[7-8]。終霜凍已成為制約北疆棉花穩產高產的主要限制性因素之一[9-12]。以上研究的基礎氣象數據均使用的是國家氣象站數據。

新疆地域遼闊、地形地貌復雜，氣候類型多樣，已有的國家氣象站均相隔幾百公里及以上，且大部分布在城市區，不能代表農區氣候要素，尤其不能滿足分區域、分作物的農業氣象精細服務需求。例如，2021 年4 月22—26 日，受西西伯利亞南下強冷空氣影響，全疆大部出現了一場雨雪、大風及強降溫天氣過程，多地達到寒潮標準。4 月25—26 日凌晨，北疆大部最低氣溫降至0 ℃以下，對早播出苗的棉花、玉米及部分林果開花授粉造成較大影響。由于北疆棉區持續低溫，部分棉區棉花遭受低溫冷害危害。

為準確了解此次霜凍、冷害影響范圍及危害程度，本文選用中國氣象局陸面數據同化系統實時產品數據集（Chinese Land Data Assimilation System，CLDAS），該數據集為逐小時數據且空間分辨率為5 km×5 km，產品優勢在于結合地面、衛星等多源資料融合[13]。國內很多學者對CLDAS 實況數據涉及新疆區域的氣溫進行過評估檢驗[14]，劉瑩等[15]利用全國地面自動氣象站對比分析2017 年10 月、2018 年1、4、7 月CLDAS-V2.0 氣溫，結果顯示：CLDAS 氣溫數據在中國區域整體上具有較高的可信度，其中，西北地區非獨立性檢驗為0.972，獨立性檢驗為0.950，平均偏差為-0.271 ℃，均方根誤差為2.406 ℃，平均絕對誤差為1.588 ℃，存在極端氣候事件發生強度的刻畫與站點觀測存在一定差異。本文檢驗CLDAS 數據在北疆4 月極端災害天氣中是否滿足霜凍災害監測，利用北疆地面自動氣象站和CLDAS溫度數據對災害天氣中溫度均方根誤差、氣溫預報準確率、最低氣溫、平均氣溫、降溫幅度及棉花受災各溫度指標等分別對比檢驗分析。并通過對生產建設兵團六師、七師和八師的棉花、林果等進行受災情況實地檢驗，主要驗證在沒有地面自動觀測站的棉區且CLDAS 數據顯示該區域達到氣象災害指標實際情況是否受災，已受災棉區中CLDAS 溫度是否達到溫度氣象災害指標。結合實地調研檢驗的結果，驗證CLDAS 多源數據產品與國家氣象站實際觀測數據的吻合度，棉花氣象災害指標是否完善，為精細農業氣象服務、挖掘高分辨率多源數據的應用提供依據。

1 資料和方法

1.1 資料

研究區域位于新疆北部（圖1），42.30°～49.15°N，79.90°～96.05°E，區域內共有1 120 個氣象站點，其中國家觀測氣象站53 個、自動氣象站1 067 個。研究時間為2021 年4 月20—27 日。

圖1 北疆地理位置與地形高程

研究資料選用中國氣象局陸面數據同化系統（CLDAS-V2.0）小時實況數據產品（0.05°×0.05°，GRIB 格式）。研究區域按5 km 格點共計20 447 個格點，其中發生霜凍的格點為18 534 個。

1.2 方法

1.2.1 插值方法

對于CLDAS 的5 km 格點的氣溫，本文采用雙線性插值獲得相應位置的氣象要素值。雙線性插值，其核心思想是獲取最鄰近4 個格點的位置，在兩個方向分別進行一次線性插值，按照其距目標點的距離賦予相應的權重進行線性插值。要獲得未知函數f 在點P =（x，y）的值，最鄰近4 個格點分別為Q11（x1，y1）、Q12（x1，y2）、Q21（x2，y1）以及Q22（x2，y2）。其公式如下：

式中：（x，y）表示經緯度位置。若x=x1，y=y1則f（x，y）=f（Q11）；若x=x1，y=y2則f（x，y）=f（Q12）；若x=x2，y=y1則f（x，y）=f（Q21）；若x=x2，y=y2則f（x，y）=f（Q22）。

1.2.2 計算方法

（1）最大降溫幅度（Tmd）：降溫幅度越大，對出苗期棉花致災越嚴重。此次天氣過程中逐站點或格點的最高溫度與最低溫度之差作為該站點或格點的降溫幅度，且最大溫度時刻早于最小溫度時刻。

（2）溫度≤0 ℃及累計小時數：終霜凍是決定棉花播種期的主要因子，早播出苗后往往遭霜凍襲擊，使棉苗嚴重受凍甚至凍死。低溫持續時間越長凍害越嚴重。統計每個站點或格點溫度≤0 ℃所有時刻的平均溫度及累計小時總數。

（3）溫度≤12 ℃及累計小時數：棉花在播種后至出苗前遇低溫陰雨天氣發生爛種爛芽的現象稱為苗前冷害。根據研究，隨著日平均氣溫≤12 ℃低溫日數和強度的增加，棉花苗期冷害加重。播種至出苗期間，從棉花開始發芽到胚軸顯著伸長，是棉花苗期冷害敏感期。統計北疆此次天氣中是否達到棉花苗期冷害氣象指標，并逐時刻統計每一個站點或格點溫度≤12 ℃的所有時刻的平均溫度及累計小時數。

在霜凍災害分析中分別計算站點和格點的霜凍、棉花播種及出苗期間的各溫度指標對應指標值，并在區域中對比檢驗分析。

1.2.3 檢驗方法

采用均方根誤差RMSE、氣溫準確率TT（溫度絕對誤差≤1 ℃，記為TT1℃；溫度絕對誤差≤2 ℃記為TT2℃）。其中，均方根誤差：

式中：ft為從多源數據插值到氣象站點獲取的氣象要素值，at為氣象站點值，N 為滑動時刻數或總站數。

氣溫準確率TT公式：

式中：NA為溫度絕對誤差≤1 ℃或2 ℃的格點（次）數，NB為溫度絕對誤差＞1 ℃或2 ℃的格點（次）數。

對CLDAS 溫度數據進行RMSE、TT1℃、TT2℃檢驗時，首先將CLDAS 的5 km×5 km 的雙線性插值到所有地面氣象站點位置，與氣象站點的值分別進行對比檢驗。

2 結果與分析

2.1 CLDAS 數據分時效對比檢驗分析

由圖2a 可知，4 月20 日00：00—27 日23：00，CLDAS 溫度數據檢驗的RMSE為0.77～3.92 ℃，其平均值為1.19 ℃；TT1℃為23.69%～90.9%，平均值為80.48%；TT2℃為43.82%～98.08%，平均值為93.95%，其中RMSE＞2 ℃有11 個時刻，分布在20 日01：00、22日22：00、23 日23：00、24 日00：00—03：00、25 日13：00—14：00、26 日19：00、27 日08：00。剩下180 個時刻，RMSE、TT1℃、TT2℃平均值分別為1.06 ℃、83.12%、96.09%。

圖2 2021 年4 月20—27 日逐小時的CLDAS 數據均方根誤差、溫度準確率（a）和觀測站點平均溫度（b）的逐日逐時刻變化

由圖2b 可知，-3.2 ℃≤平均氣溫Tavg≤-2 ℃分布于24 日05：00—08：00，25 日06：00—07：00。平均氣溫＜0 ℃在22 日06：00—09：00，23 日04：00—10：00，24 日00：00—10：00，25 日01：00—08：00。

當氣象站點降溫或升溫速度（斜率絕對值）越大，格點的均方根誤差越大，相應溫度準確率也最低。

2.2 CLDAS 數據區域對比檢驗分析

由圖3 可知，RMSE、TT1℃、TT2℃平均值分別為1.04 ℃、80.98%、94.01%，其中RMSE＞2 ℃平均海拔高度為1 575.83 m，共有62 個站點，阿勒泰地區7 個，博爾塔拉蒙古自治州4 個，昌吉回族自治州20 個，哈密市巴里坤3 個，75 團1 個，塔城地區6 個，烏魯木齊市4 個，伊犁州16 個，五家渠市1 個。RMSE≤2 ℃共有981 個站點，平均海拔高度為966.81 m，RMSE、TT1℃、TT2℃平均值分別為0.86 ℃、84.21%、96.33%。

圖3 檢驗CLDAS 數據的均方根誤差（a）和1 ℃、2 ℃氣溫準確率（b、c）區域分布

在時效檢驗中94.24%的時刻RMSE、TT1℃、TT2℃平均值分別為1.06 ℃、83.12%、96.09%。區域檢驗中94.15%的站點區域RMSE、TT1℃、TT2℃平均值分別為0.86 ℃、84.21%、96.33%。經檢驗，CLDAS 格點實況數據與氣象站數據吻合度較高。

2.3 霜凍災害天氣分析

2.3.1 平均氣溫（Average Temperature，Tavg）和最低氣溫（Minimum Temperature，Tmin）

由圖4a、4b 可知，此次霜凍災害天氣過程中格點平均溫度分布和站點平均溫度等級分布基本一致。CLDAS 溫度數據中平均氣溫≤0 ℃的區域主要分布在海拔1 200 m 以上的阿勒泰北部及和布克賽爾區域，1 800 m 及以上的巴里坤山周邊，海拔2 000 m 以上的巴爾魯克山區域、博格達峰周邊、依連哈比爾尕山、博羅科努山、哈爾克他烏山。

圖4 站點和格點平均氣溫（a～b）、最低氣溫（c～d）、最大降溫幅度（e～f）分布

由圖4c、4d 可知，格點最低溫度分布和站點最低溫度等級分布基本一致。CLDAS 溫度數據的最低氣溫≤-12 ℃區域主要集中在海拔2 000 m 以上的中高山帶，共有4 656 個格點；-12 ℃≤最低氣溫≤-8 ℃集中在低山帶，共有1 925 個格點；最低氣溫＞0 ℃共有1 913 個格點，主要分布在哈密北部三塘湖、淖毛湖一帶以及巴里坤盆地，在準噶爾盆地腹地等局部區域也有零星分布。

2.3.2 降溫幅度分析

由圖4e、4f 可知，此次霜凍災害天氣過程格點最大降溫幅度分布和站點的分布等級略有差別。CLDAS 溫度數據降溫幅度≤25 ℃格點區域少于站點分布區域，阿勒泰區域大部、伊犁地區鞏留和新源以南、巴里坤盆地降溫幅度為12～20 ℃；降溫幅度為0～10 ℃的情況較少，僅在阿勒泰地區以及天山山區有零星出現。以上有差別區域的格點降溫區域等級均大于站點降溫1 個等級。

最大降溫幅度＞30 ℃共有53 個氣象站。其中，伊犁哈薩克自治州27 個，博爾塔拉蒙古自治州2個，昌吉回族自治州6 個，哈密北部1 個，克拉瑪依市2 個，十三師1 個、四師6 個，塔城地區3 個，烏魯木齊3 個，五家渠市1 個，石河子市1 個。最大降溫幅度≤20 ℃共有136 個站，其中阿勒泰地區有91個，其余為零星分布。

由圖4e、4f 可知，降溫幅度最少的區域位于阿勒泰地區，降溫幅度≤25 ℃；整個天山山脈降溫幅度＞20 ℃，天山高海拔區域降溫在20～25 ℃，天山北半坡和伊犁地區降溫幅度均＞25 ℃且局部區域＞30 ℃。

2.3.3 溫度≤0 ℃及累計小時數分析

由圖5a、5b 可知，此次天氣過程中站點和格點T≤0 ℃所有時刻平均溫度分布基本一致，有差別的區域為：格點在沙灣、呼圖壁、精河、新源中部區域沒有顯示出氣溫≤0 ℃的情況，但這些區域的大部分氣象站點溫度在-1～0 ℃，且持續1～5 h。由氣象站數據（圖5c、5d）可知，1 h≤累計小時數≤5 h 主要集中在烏蘇、沙灣、呼圖壁、鞏留、炮臺、莫所灣站附近的站點。5 h＜累計小時數≤12 h 主要集中在阜康、奇臺、烏蘇、伊寧等區域。累計小時數＞72 h 主要集中在沿天山山脈海拔2 000 m 及以上、托里南部和布克賽爾海拔1 800 m 以上、哈巴河北部喀拉斯湖海拔1 500 m 及以上的區域，這些區域農牧業較少。逐格點統計中，≤0 ℃的格點數共18 534 個，其中，霜凍小時數≤5 h 的格點共有2 119 個，小時數≤12 h的格點共有4 283 個，小時數≤24 h 的格點共有6 086 個，小時數≤48 h 的格點共有8 813 個，小時數≤72 h 的格點共有11 573 個。主要棉區在此次降溫至溫度≤0 ℃的持續時間均≤48 h。

圖5 站點（Stations）和CLDAS 格點（Grids）≤0 ℃的平均溫度（a、b）、≤0 ℃的累計小時數（c、d）、≤12 ℃的平均溫度（e、f）、≤12 ℃的累計小時數（g、h）分布

2.3.4 溫度≤12 ℃及累計小時數分析

由圖5e、5f 可知，此次霜凍災害天氣過程中，所有氣象站點均有溫度≤12 ℃的情況。其中T≤12 ℃的所有時刻且平均溫度＜0 ℃的站點共有141 個。由圖5g、5h 可知，累計小時數為72～120 h 的T≤12 ℃的站數共296 個（昌吉回族自治州77 個，伊犁哈薩克自治州75 個，塔城地區23 個，哈密市北站21 個，石河子19 個，烏魯木齊市18 個，博爾塔拉蒙古自治州12 個，克拉瑪依市13 個，阿勒泰地區9 個，四師9 個，八師1 個，六師1 個，七師6 個，十三師1 個，五師4 個，五家渠市5 個）。由圖5g 可知，T≤12 ℃累計小時數站數＞120 h 的，阿勒泰地區、塔城地區、伊犁哈薩克自治州、烏魯木齊市明顯較多。由圖5 h可知，CLDAS 數據有差別的區域是站點在累計小時數為72～120 h 的中天山北半坡格點分布上沒有顯示完全。

此次天氣過程CLDAS 數據中所有格點均有T≤12 ℃的站點，其中≤12 ℃格點累計小時數＜72 h的站點共有671 個，其相應的平均溫度為9.76 ℃。T≤12 ℃且累計小時數≥72 h 的格點占總格點數的96.72%。72～120 h 的格點數共有1 052 個，平均溫度為7.13 ℃。T≤12 ℃且累計小時數在120～150 h 的站點共有6 215 個，平均溫度為5.40 ℃。

對比站點和格點區域分布圖發現，T≤12 ℃的站點平均溫度分布和格點平均溫度分布等級基本一致。在累計小時數上，格點中有96.72%的格點溫度≤12 ℃，持續時間≥72 h。

2.4 應用

據調查，受2021 年4 月22—26 日低溫雨雪天氣影響，北疆處于萌芽、出苗期的棉田均遭受不同程度的霜凍害、低溫冷害影響。但烏蘇市、瑪納斯縣、呼圖壁縣大部棉區由于棉花播種后未滴水或滴水晚（19 日后滴水），棉花尚未出苗，損失較輕。在沙灣、呼圖壁局部區域出現弱霜凍現象，CLDAS 溫度數據沒有≤0 ℃，此區域CLDAS 氣溫為0～1 ℃。

4 月25—26 日北疆棉區日最低氣溫降至-6.2～0.4 ℃，0 ℃以下低溫持續時間為1～9 h，其中七師124 團下雙河片區日最低氣溫為-6.2 ℃，0 ℃以下低溫持續9 h。對于剛出苗的棉花，因其生長勢弱、抗凍能力差，當氣溫＜2 ℃（地表溫度≤0 ℃）時棉花子葉就會受凍。氣溫＜0 ℃，會導致棉花子葉、生長點嚴重受凍，致使棉苗死亡，并且隨低溫強度的增強和持續時間的增長死苗率增加。多源數據結果與調查實況吻合，多源融合資料（圖5e～5h）顯示，北疆棉區22—26 日，連續5～6 d 日平均氣溫＜12 ℃，其中博州棉區持續6 d，北疆其余棉區持續5 d，持續低溫雨雪天氣使棉花遭受不同程度的苗前或苗期低溫冷害。

實地調查發現：（1）棉花苗期遭受霜凍和低溫冷害的程度、范圍，除了受人工管理如滴水時間、封土等影響外，和當地氣溫有直接的關系。（2）棉花播種苗期冷害指標，隨著“干播濕出”和種子“精選包衣”技術的廣泛應用，現在棉花種子萌發出苗期抗低溫的能力明顯增強，棉花播種苗期冷害的氣象指標，需要修訂完善。（3）由于大多數棉田沒有自動氣象站，不能及時準確獲取棉田氣溫變化，農戶特別需要格點數據進行預報和監測。多源精細化的氣溫監測數據可以第一時間關注到受風險地塊，在降溫持續時間還不長的情況下，及時采取補救措施，對挽救棉苗受災至關重要。

3 結論

選擇CLDAS 實況格點數據對2021 年4 月春季北疆霜凍災害性天氣進行分析，利用氣象站點數據對CLDAS 進行多要素檢驗。對北疆棉區進行實地災害調查來檢驗多源融合數據的適用性，得出如下結論：

（1）北疆地形復雜，通過對CLDAS 的RMSE、TT1、TT2檢驗分析，CLDAS 格點實況數據與地面氣象站數據吻合度較高。

（2）格點數據中平均溫度、最低溫分布和站點平均溫度、最低溫度等級分布基本一致。在天山北波經濟帶降溫幅度為20～25 ℃的局部區域CLDAS 數據為25～30 ℃；整個研究區域中共有14 個站點的降溫＜10 ℃在CLDAS 數據中沒有顯示出來。

（3）溫度≤0 ℃及累計小時數分析中，沙灣、呼圖壁、精河、新源中局部區域降溫至-1～0 ℃，區域內CLDAS 溫度數據為0～1 ℃。溫度≤12 ℃及累計小時數分析中，棉花主產區溫度≤12 ℃時累計小時數均＞72 h，達到低溫冷害災害指標。在累計持續小時數≤120 h 的天山北半坡，個別站點CLDAS 溫度數據表征持續小時數＞120 h。

通過此次霜凍災害天氣過程分析和實地調查檢驗，在沒有地面觀測站點區域，可參考CLDAS 溫度數據代表當地溫度。在關鍵農事季節時，農戶需做好農作物人工管理并及時關注天氣預報。在極端降溫天氣情況下，尤其是作物播種出苗期間，農戶需關注溫度是否≤0 ℃、≤12 ℃的持續時間及降溫幅度，CLDAS 溫度降至2～3 ℃時，已達作物開始受凍上限溫度，建議立即采取預防措施。